桌面3D打印机系统设计与实现第2章Word格式文档下载.docx

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现今CAD三维建模软件种类繁多，构建的3D模型格式多样，为了满足不同用户的需要，系统需具备对不同格式的3D模型的识别和正常打印。

3.支持模型完整性检测及一般修复

在进行切片处理时，如果模型不完整，将会导致切片失败，为了保证切片成功，系统支持模型完整性检测及一般修复功能。

4.保证与第三方切片文件的兼容性

考虑到受系统本身切片功能的限制，而无法达到某些用户预期的切片效果，用户仍需借助第三方切片软件进行切片处理生成所需要的切片文件，因此系统需支持对其他切片软件生成的切片文件的识别和打印。

5.保证系统的易操作性

系统需具备友好的交互界面，便于用户操作，操作界面支持用户对系统进行参数配置、打印控制以及打印状态实时查询等。

2.2系统需求分析

2.2.1系统功能需求

根据设计目标，从功能上分析，可以将系统功能分为三个部分：

系统界面管理、3D分层切片、打印控制。

接下来针对各个模块需要实现的具体的功能，做进一步分析。

由于系统采用的是FDM技术，即3D模型的立体打印成型是通过将打印材料（如PLA、ABS等）加热至220°

C左右成熔融状态，由喷嘴挤出形成细丝状，随着喷头做X-Y平面运动而形成3D模型的一个截面，再通过Z轴的上移使截面逐层叠加，从而形成一个三维实体。

因此系统具备温度控制管理、XYZ运动控制、送料机控制等功能。

系统的整体功能结构如图2.1所示。

图2.1系统整体功能结构图

由于3D模型格式种类繁多，不同格式的3D模型进行切片处理的方式也不相同，如果针对每种格式设计一种切片算法，其工作量相当大，大大降低了开发效率，为此在系统中加入格式转换功能，将其他格式的3D模型转换为某一标准格式，针对这一标准格式设计相应的分层切片算法。

由于STL模型的数据结构简单，易于理解，因此将其作为本系统的标准格式。

对3D模型进行切片处理时会生成切片数据，由于第三方切片软件生成的切片文件一般为G-code格式，为了保证系统与第三方切片文件的兼容性，本系统采用标准的G-code指令格式[14]，将切片数据转换为标准的G-code切片文件。

系统具体功能需求如下表2.1所示。

表2.1系统功能需求分析

功能

子功能模块

功能说明

3D

分

层

切

片

模

块

模型格式转换

将其他格式的3D模型转换为STL格式

模型完整性检

测及一般修复

对模型进行完整性检测，对于不完整的模型（缺失面片）会导致切片错误,因此需要进行修复

3D分层切

片处理

分层切片处理的目的是将三维模型将模型沿Z轴方向细分成若干个薄片，再将这些薄片逐层打印叠加，使模型成型

G-code输出

将切片处理模块生成的切片数据进行G-code转换，并生成G-code文件

打

印

控

制

G-code解析

对G-code指令进行解析，提取出控制指令

温度控制

温度控制系统作用是控制加热装置的功率，并维持打印喷头温度的稳定

速度控制

通过调整速度参数改变打印速度

XYZ运动控制

将三维空间位移信息转换为步进电机步进脉冲数，通过步进电机带动推杆运动来控制打印喷头运动

送料机控制

控制打印材料的挤出,需要与XYZ运动控制同步工作

系

统

界

面

管

理

手动控制界面

支持手动控制打印机工作，便于初期安装调试，以及对各功能进行测试

参数设置界面

提供打印和切片参数设置入口

切片打印界面

提供切片和打印控制管理以及实时查看当前打印层切片效果

打印预览界面

便于对生成的切片文件进行查看以及切片效果预览

文件管理界面

提供可视化管理界面，便于用户对文件进行操作

2.2.2系统性能需求

在对桌面3D打印机系统进行设计时，除了满足系统功能需求外，还要考虑系统的性能需求。

本文根据3D打印机特点提出性能需求：

1.稳定性

稳定性在桌面3D打印机系统的各项指标中至关重要，桌面3D打印机系统经过12小时的长时间工作，系统不会出现突发打印中断情况。

2.打印精度

为了满足不同用户的打印需求，桌面3D打印机的打印精度要在0.1mm-0.4mm之间可自行调整。

3.打印尺寸

根据桌面级的标准，桌面3D打印机的最大打印尺寸为20mmX20mmX200mm。

4.易操作性

桌面3D打印机供普通消费者使用，为了保证系统便于用户操作，提供可视化的人机交互界面。

2.3系统总体结构设计

2.3.1系统硬件结构设计

传统桌面3D打印机硬件系统多是以普通微控制器作为核心控制单元，其系统资源有限，无法对软件功能进行扩展，且数据处理速度慢。

针对此问题，本系统对硬件结构进行了大幅度改进，采用功能更加强大的微处理器作为核心控制单元。

硬件整体结构如下图2.2所示。

由图2.2可知，硬件系统主要由3D打印机主控模块、通信接口电路、4路电机驱动模块、温度控制电路、3路限位开关电路及触摸屏显示模块等组成。

主控模块是整个系统的核心部分，是操作系统正常运行的重要基础；

通信接口负责与上位机软件进行数据交互；

电机驱动模块驱动XYZ轴上的步进电机和送料机上的步进电机转动；

加热模块用于融化打印材料便于熔融材料从打印喷头处挤出；

温度采集模块用于采集打印喷头温度；

限位开关用于打印喷头复位，同时防止滑块超出行程。

图2.2系统硬件结构设计

2.3.2系统软件结构设计

桌面3D打印机系统软件结构如下图2.3所示。

图2.3桌面3D打印机系统软件结构设计

由图2.3可知，桌面3D打印机系统软件结构是由系统界面管理模块、3D分层切片模块、3D打印控制模块以及驱动程序组成。

各功能模块描述如下：

1.系统界面管理模块

系统界面管理模块便于用户对设备的控制和管理，功能包括：

（1）手动控制子界面实现了对3D打印机的手动控制，包括打印开始、暂停、停止、温度调节、打印速度调整、打印喷头移动等控制，手动控制一方面便于3D打印机初期安装调试工作，另一方面便于对机器进行手动校正。

（2）参数配置子界面支持用户针对不同打印需求对桌面3D打印机参数进行手动配置，参数配置分为打印参数配置和切片参数配置。

（3）切片打印子界面支持用户进行切片控制和打印控制，同时支持实时查看打印进度以及当前打印层的切片效果。

（4）打印预览界面支持G-code文件内容查看以及切片效果预览。

（5）文件管理器界面提供可视化文件管理，便于用户对文件进行操作。

2.3D分层切片模块

3D分层切片模块是整个系统的核心部分，主要功能包括：

（1）模型格式转换功能用于将其他类型的3D格式转换为统一标准的STL格式，便于模型的切片处理。

（2）模型完整性检测及一般修复用于保证要打印的3D模型完全封闭，模型不完整，会导致在进行切片时，无法得到一个封闭的轮廓环，因此需要进行修复。

（3）3D分层切片处理模块根据设置好的切片规则，对STL模型进行切片处理，将模型沿Z轴方向分割成若干连续薄片[15]，一个薄片是由轮廓环以及轮廓内部填充线两个部分组成，薄片的厚度决定了模型的打印精度，轮廓内部填充是以一定密度的扫描线进行填充，保证打印出的模型更加结实，同时为模型上表面封口提供支撑。

（4）G-code输出模块功能是将切片数据封装成G-code指令并以文件形式保存，避免以后重复切片，节约打印时间，采用标准的G-code指令的目的是保证对其他切片软件生成的G-code指令的兼容性。

3.3D打印控制模块

3D打印控制模块通过G-code译码模块对G-code指令进行解析生成打印控制指令实现对3D打印设备的各个部件的联合控制。

主要功能包括：

（1）G-code译码模块实现了对G-code指令的解析，并将解析出的控制指令发送给对应控制模块进行处理。

（2）温度控制功能主要负责对打印喷头温度进行控制，其温度的稳定性直接影响打印喷头是否能正常吐丝，为了防止因为温度不稳定出现断丝情况，系统采用PID（ProportionIntegrationDifferentiation，比例积分微分）控制算法实现温度的自动控制。

（3）XYZ运动控制功能是3D模型打印成型的关键，根据当前坐标和目标坐标，计算出运动轨迹，并对运动轨迹进行修正，使运动轨迹尽可能接近直线，提高打印精度。

（4）速度控制功能实现对步进电机的转动速度的调控，在打印过程中速度随时可能在变化，为了解决步进电机在高速运转过程中容易造成失步或过冲的问题，系统中采用直线升降速曲线算法，实现速度的平滑过度。

（5）送料机控制功能主要控制打印喷头吐丝，在打印过程中，通过送料机的挤压将熔融的打印材料从喷嘴中挤出形成细丝状。

4.硬件设备驱动

硬件设备驱动负责对3D打印机设备以及外围硬件模块的驱动工作，并为上层应用提供API（ApplicationProgrammingInterface，应用程序编程）接口。

桌面3D打印机所涉及的主要驱动程序包括步进电机驱动、温度传感器驱动、加热模块驱动以及散热风扇驱动等。

2.3.3工作流程设计

根据系统总体结构的设计，对桌面3D打印机工作流程进行设计，本系统采用的是FDM成型技术，系统的工作原理是：

以CAD三维模型文件为基础，通过数字切片处理将要打印的三维模型进行等层厚切片生成切片数据，每一层的切片数据构成一个轮廓截面，然后再将切片数据转换为G-code指令并以文件形式保存，最后将生成的G-code文件发送给G-code解码模块进行解析，生成打印控制指令，3D打印设备会依照一系列打印控制指令将三维模型一层层打印出来，即采用堆叠沉积的方式来完成三维模型的立体打印。

工作流程如图2.4所示。

图2.4系统工作链框图

根据图2.4所示的工作链框图，系统具体工作过程描述如下：

1.首先在电脑端通过CAD三维建模软件建立3D模型，并生成3D模型文件，目前较为流行的3D建模软件有Blender、SolidWorks、AutoCAD以及3DsMax等[16]。

2.将生成的3D模型文件导入到桌面3D打印机系统中，系统对文件格式进行检测，并将其他格式的3D模型转换为STL文件格式。

3.对STL模型进行完整性检测，由于模型不完整会导致切片失败，因此对于模型中出现的孔洞进行一般性修复，保证模型的封闭性。

4.设置切片参数，根据切片规则对STL模型进行切片处理，将生成的切片数据封装成G-code格式，并保存为G-code文件。

5.通过G-code解码模块对G-code文件里的数据进行解码，生成打印控制指令，打印机会按照指令要求将3D模型一层层打印出来。

在打印过程中，喷嘴会随着打印喷头的移动进行连续吐丝，喷头的移动轨迹即会被丝状材料所覆盖，通