熔融沉积3D打印机的设计控制部分Word下载.docx
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1.4熔融沉积的优势5
2方案设计6
2.1设计的目的和要求6
2.1.1设计的目的6
2.1.2本设计课题任务的内容和要求6
2.2控制方案6
2.2.1运动控制卡控制6
2.2.2单片机控制6
33D打印机的核心算法8
3.1G代码解释器8
3.2DDA算法8
3.3PID控制器10
3.4自动升降速控制10
4控制系统设计12
4.1Arduino简介12
4.1.1Arduino的起源12
4.2Arduino的开发环境12
4.2.1驱动的安装12
4.2.2软件的开发流程15
4.3运动的控制16
4.4温度的控制18
5上位机软件20
5.1上位机软件的手动控制20
5.2上位机软件参数的调整22
致谢24
1绪论
FDM技术是由Stratasys公司所设计与制造，可应用于一系列的系统中。
这些系统为FDM
Maxum，FDM
Titan，Prodigy
Plus以及Dimension。
FDM技术利用ABS，polycarbonate（PC），polyphenylsulfone
（PPSF）以及其它材料。
这些热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3D
CAD资料直接建构原型。
该技术通常应用于塑型，装配，功能性测试以及概念设计。
此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。
一般而言，FDM技术所提供的准确性通常相等或是优于SLA技术以及PolyJet技术，且确定优于SLS技术。
然而，由于精准性是取决于许多的因素，所以矛盾的结果便会发生在个别的原型上。
FDM技术的精准性受到较少的变量影响。
用SLA，SLS以及PolyJet技术，尺寸精准性会受影响的因素有机器的校正，操作的技巧，工件的成型方向与位置，材料的年限以及收缩率。
尺寸的稳定性是FDM原型的关键优势，如同SLS技术，时间与环境的曝晒都不会改变工件的尺寸或其他的特征。
一但原型从FDM系统分离，当它达到室内温度后，尺寸是固定不变的。
如果温度度数变化，用SLA
或是PolyJet技术则不是这样的情形。
受到使用者与Stratasys公司双方的公认，FDM技术最明显的限制就是表面完工精度。
由于是半熔融状态塑料挤制成型，表面完工精度比SLA与PolyJet还要粗糙，而与SLS不相上下。
当由较小的线材宽度与较薄的层厚来改进表面完工精度时，仍然可以在顶端，底面，以及侧墙看出经过挤压喷嘴的等高线轮廓与建构层厚。
表2所列的为Maxum与Titan的表面完工精度。
为了改善表面完工精度，Maxum与Titan现在都提供0.127
mm层厚。
使用者发现工件的成型方向，可以满足考虑表面完工精度需求。
这些要求较高完工精度的表面通常以垂直方向成型。
较不重要的表面通常以水平方向成型，就像是底端或是顶端的表面。
如同其它技术，二次加工（后处理输出）可以用来使之相同。
然而，ABS与polycarbonate材料的硬度让打磨耗费人力。
使用者通常使用溶剂或用是粘结剂完成或是预备用打磨。
商业上可用的这些介质包含有熔接，ABS快干胶，Acetone
以及two-part
epoxies。
要符合足够的精度，FDM技术与竞争对手的产品都可以提供翻硅胶模用或是喷漆用的表面。
这关键的差异是要花费多少时间才能达到要求的结果。
FDM原型提供的材料性质相似于热塑性材料。
这包含了环境的与化学的曝晒。
对ABS材料而言，使用者可以实验他们的原型在93度的温度下以及包含石油，汽油以及甚至某些酸类等的化学媒介。
一关键的考虑为水气的曝晒，包括浸没与湿气。
SLA技术与PolyJet技术使用的光敏树脂对于潮湿水气敏感且会受到伤害。
暴晒在水中或是湿气中不只会影响原型的机械属性，也会影响尺寸精度。
当光敏树脂的原型吸收了水气之后，他们将会开始软化并且变的有点易于弯曲。
而且，工件会有翘曲或是膨胀的倾向，这会严重影响尺寸的精度。
FDM技术的原型，以及SLS技术的原型，都不受湿气影响，所以他们可以保持原有的机械属性以及尺寸精度。
FDM原型可以进行铣床加工，钻孔，研磨，车床加工等。
为了补偿表面精度不足并加强特征细节，当有特殊的品质需求时，使用者通常会进行二次加工来提升原型的细节。
在FDM技术中，需要支撑结构来形成基底以制作工件并支撑任何超过悬挂的特征。
在工件的接口，支撑材料的坚固堆层已经放下。
在这坚固堆层下，线材为0.5mm且在间隔为3.8mm下沉积。
FDM技术提供两种类型的支撑--易于剥离支撑结构（BASS）以及水溶性支撑结构（WaterWorks）。
BASS支撑是由手工将支撑从工件表面剥离以移除。
当他们不想损坏工件表面，考虑的是必须要容易进入与接近细小特征。
水溶性支撑（WaterWorks）是使用水溶性材料，可分解于碱性水溶剂的解决方案。
不像是易于剥离支撑（BASS），该支撑可以任意坐落于工件深处地嵌壁式的区域，或是接触于细小特征，因为机械式的移除方式是可以不加考虑的。
此外，水溶性支撑可以保护细小特征。
在其它的快速原型技术中，他们要如何移除支撑而不造成特征损坏，是一项极大挑战。
1.1熔融沉积概述
1.1.1熔融沉积技术的发展
快速成型技术是八十年代后期发展起来的一种新的建模技术。
RP是由计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控技术（CNC）、材料学和激光联合起来的造型技术。
RP经过这么多年的发展，现在有几种比较成熟的快速成型工艺:
光固化立体造型（SL—Stereolithography）、分层物体制造（LOM—LaminatedObjectManufacturing）、选择性激光烧结（SLS—SelectedLaserSintering）和熔融沉积造型（FDM—FusedDepositionModeling）等。
四种典型的快数成形技术的基本原理是相同的但各种方法都有自己的特点。
RP技术在九十年代对于世界先进制造技术和新品研发来说是一种手段。
在发达的工业国家，许多企业都利用RP技术确保研发的时间，提高设计的质量。
现如今，在市场竞争越来越激烈的情况下，产品的跟新速度非常的快。
为保持城市的产品在国内市场的竞争力，增加产品开发创新的的能力，必须采用先进的创新技术。
RP技术可以不需要任何模具及工装夹具，可实现许多复杂零件的成型。
快速制造技术的模型和样品可直接用于新产品设计验证，功能验证，外观检验，工程分析，市场的订单，等。
对于产品的设计非常有利，可以很好的提高产品的成功率，提高产品的市场竞争力，减少研发周期，减少研发成本。
RP技术提高了生产力，对于各市企业的研发活动创造的非常有利的条件。
FDM是新展起来的一种技术，ScottCrump创立了Sasys公司。
1992年，Stratasys公司发布了世界上第一台采用FDM技术的快速成型机---“3D造型者（3DModeler）”，这也标志着FDM技术步入商用阶段。
中国的清华大学、北京大学、中国科学院都是相对比较早期的引进FDM技术的单位。
熔融沉积技术不要激光系统的支持，用到的成型材料也比较便宜，总体性价比相对较高，有许多的开源打印机都使用这种方案。
熔融沉积技术工艺因为其设备费用较低、使用的材料利用率较高，因此它在实际生产中被用到的地方非常多。
1.1.2熔融沉积的工艺原理
熔融沉积技术，这种工艺是利用像热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从经过加热的喷嘴挤出，对应零件每一层的预定路线，以一定的相对速率进行熔体沉积。
完成一层，工作台降低一个层厚去迭加沉积新一层，就这样重复最终实现零件的沉积成型。
FDM技术的关键是把温度一直保持在熔点之上。
挤出丝的直径有每一层的厚度决定，通常是0.25~0.50mm。
1.1.3熔融沉积的工艺特点
1、优点：
（1）所在的工作环境都比较干净；
（2）工艺简单、易于操作而且不会产生废弃物；
（3）尺寸精度很高，表面非常光滑，方便装配，可以很快的制作瓶装和内部空的零件；
（4）材料以卷丝的形式存放，方便运输和替换；
（5）材料的价格也比较便宜；
（6）材料的使用率很高；
（7）有许多材料可供选择，如ABS和医用ABD、PC、PPSF、人造橡胶、铸造用蜡。
2、缺点：
（1）精度相对较低，不能形成结构复杂的物体；
（2）与垂直截面的方向强度小；
（3）形成零件的速度比较慢，对于大型的零件不适用。
1.2FDM快速成型技术的应用
对于产品设计的概念建模和功能测试都比较实用。
因为甲基丙烯酸ABS（MOBS）材料都有比较好的化学稳定性，所以利用伽玛射线消毒，非常适合医用。
但是成形精度比较低，对于结构复杂的零件不适用。
1.2.1在产品设计评估与校审方面
熔融沉积技术能够使CAD的构想设计非常快、精确、而又价格低廉地生成可触摸的物理实体，比将三维的几何造型暂展示在二维的图纸上更加直观。
技术人员能非常快，且非常容易的发现其中的错误。
最重要的是，对于产品来说，技术人员能及时观察出新设计产品的使用性能和美观性。
熔融沉积形成的样品对于非技术部门与设计部门的交流也非常有利。
1.2.2适用于三维打印
1）不用激光，维修简单，成本低廉：
价格对于成型工艺来说是一个非常重要的因素。
概念设计的打印机对于原型的精度和化学特点要求不是很高，它的决定性因素是在于其低廉的价格。
2）丝材清洁，更换的话非常方便：
与另外的一些粉末和液态材料对比看，丝材更干净，更便于更换、保存，在设备中或者附近不会形成液态污染。
3）后处理简单：
只需要几分钟的时间，支撑剥离后原型就能够使用。
现在使用比较多的SL、SLS、3DP等工艺都需要清理残余液体和粉末的步骤，而且都需要进行后固化处理，必须配备其他的辅助设备。
这些工序一是容易造成粉末或液体污染，二是多增加了时间，在成型完成后不能马上使用。
4）成型时间短：
FDM工艺和SL、SLS、3DP工艺相比速度是慢的，但对于三维打印应用，它有许多的优点。
第一，SL、SLS、3DP都有层间这一过程，因此它们一次成型多个原型的速度是很快，例如：
3DP成型25mm左右高度的零件只需一小时。
一般的打印机成型结构都比较小，最多一次做1至2个原型，这样看来，他们的速度有点就不是很明显了。
第二，三维打印机对于原型的强度要求不是很高。
所以熔融沉积能够通过减小原型密实程度来提高成型速度。
实验证明，对于具有有一些结构特点的模型来说，最高成型速度甚至可以达到60立方厘米/小时，通过软件优化及技术进步，我们预计可以到达2000立方厘米/小时的高度。
1.2.3快速塑料零件制造
FDM工艺最主要的优点就是材料性能，它的ABS原型强度能够达到注塑零件的三分之一。
最近几年发展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，强度甚至可以超过普通注塑零件，但是在某些特定场合下不能直接使用。
尽管相对来说直接金属零件成型的材料性能更好，但在塑料零件方面，熔融沉积工艺是一种非常合适的快速成型方式。
由于材料性能和工艺水平的不断提高，我们相信，一定会有更多的FDM原型在各种情况下直接使用。
1.2.4熔融挤出成型（FDM）--高性能的快速成型工艺
熔融挤出成型工艺的材料比较通用的是热塑性材料，例如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。
材料经过喷头内加热被熔化。
喷头的运动轨迹是零件截面轮廓，同时将熔化的材料挤出，材料很快凝固，并且与周围的材料在一起。
一层一层堆积在一起，上一层对当前层能够起到支撑和定位的作用。
伴随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都在发生着改变，由于形状发生很大的变化时，上层就不会给当前层提供足够的定位和支撑作用，这时候就得设计一些辅助结构－“支撑”，对下一层提供定位和支撑，来保证成形过程的顺利实现。
正是因为这种工艺的一些特点，其发展非常快，当今FDM系统占全球已安装快速成形系统中的比例大概在30％。
1.3国内外现状快速成型技术的现状
1.3.1国内的发展现状
随着快速成型的高速发展,对于材料及工艺的要求也逐渐提高,其目前还处在幼生阶段,与外国还有很大的距离。
熔融沉积的工艺和快速成型理论是清华大学的主要研究方向;
西安交通大学开发了一系列的和系统相应的光固化树脂。
此外,两个国内知名的专门机构研发并投入实用的并且比较新的技术到市场。
据悉,与快速成型技术相关的机构和活动也大量出现。
总而言之,我国的快速成型技术正在与国际的先进技术相接轨,并迅猛发展。
1.3.2国外RP技术的最新发展
20世纪80年代末、90年代初发展起来的快速成型技术，与传统的加工方式相比，快速成型技术对制造领域产生了巨大的影响。
它结合了科学可视化和虚拟现实技术，对设计师，制造商和用户提供了一种新的测量手段，你可以近距离的去接触它。
1.4熔融沉积的优势
在过去的几年中，对于快速成型技术出现了一些怀疑态度，特别是在全球经济衰退的环境下，行业出现增长缓慢，甚至一些地方出现负增长。
在这方面，权威人士指出，行业将在未来几年出现显著变化，主要方向是在技术、工艺和信息网络化等。
因为其低廉的成本、非常容易维护、对材料的要求不高、所用的材料无污染、结构简单等特点，现在已经很大程度的被应用到了现实生活中。
电气部分是整个成型机的核心，相当于人的神经中枢。
电气部分的设计也相当的重要，所用到的主要是单片机。
2方案设计
2.1设计的目的和要求
2.1.1设计的目的
（1）.熔融沉积3D打印机，结构紧凑，运行成本低廉，适合用于3D打印技术的普及，前景广阔。
（2）.在不解的将来一定会对教育事业产生巨大的影响。
2.1.2本设计课题任务的内容和要求
（1）熔融沉积3D打印机的总体设计，其中有机械和控制部分；
（2）控制系统分析设计；
2.2控制方案
2.2.1运动控制卡控制
运动控制卡是一种基于PC机及工业PC机、用于各种运动控制场合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制单元。
运动控制卡的出现主要是因为：
（1）为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；
（2）在各种工业设备（如包装机械、印刷机械等）、国防装备（如跟踪定位系统等）、智能医疗装置等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；
（3）PC机在各种工业现场的广泛应用，也促使配备相应的控制卡以充分发挥PC机的强大功能。
2.2.2单片机控制
单片机虽然有一个所有功能集于一身的微计算机，但由于本身无自开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件，以及对硬件系统进行诊断。
另外，单片机内的ROM比较小，所以在设计中系统必须在外面配置EPROM电路和扩展电路。
依据单片机目前的发展状况，该方案的优点是：
（1）成本较低。
由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。
（2）可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。
（3）由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。
通过一系列的分析比较，使用单片机进行控制成本更低，更适合于教学。
如果使用控制卡控制的话，成本相对较高，内部电路也相对较为复杂。
在设计过程中我主要是针对3D打印机系统的软件及它的源代码进行分析，在硬件部分的基础上，通过软件编程来完成3D打印机的总体设计。
软件的编程可以通过Arduino平台来实现。
33D打印机的核心算法
Arduino核心算法如图3.1所示,从图3.1大致了解了其核心部分的构成，下面简单介绍一下各个组成部分。
图3.1系统总体设计框图
3.1G代码解释器
在现代制造业中，CAM软件将CAD软件生成的图形转换成G代码，方便后续到加工设备，极大的提高了产品的均一性，保证了产品的质量。
本设计中，上位机软件将CAD软件生成到图形信息转换成G代码，因此，打印机要先将G代码解释成步进电机要走的脉冲数。
完成这一功能的软件代码称之为G代码解释器。
这也是现代NC技术的关键工具。
NC程序的解释思路是建立一个与数控代码程序相对应的类对象，把该对象作为一个临时的数据缓冲区，然后依次读出程序段数控加工的程序，经过解释变换以后写入类对象数组，因此所有的NC信息文件就全部保存在类对象数组中。
NC信息的结构如图3.2：
其主要工作过程，将结构体数据解析，分别查找功能代码、坐标轴后面到数据，并将其发送到步进电机的驱动函数中去。
3.2DDA算法
各轴电机得到脉冲数后要按时间划分，依次发出发出脉冲，从而确保运动轨迹正确。
本设计中运用数字微分分析仪（digitaldifferentialanalyzer,DDA）。
数字微分分析仪方法是一种线段扫描转换算法，为了确定另一个坐标轴最靠近线路径的对应数值，我们应该在一个坐标轴上，以单位间隔对线段进行取样。
我们通
图3.2NC信息结构图
过DDA算法来计算X轴、Y轴、Z轴的走向以及挤出机的走向。
DDA算法代码如图3.3所示：
图3.3DDA算法代码
DDA方法计算像素位置要比使用直线方程计算的速度更快。
它为了沿线路逐步得到各像素的位置，利用光栅特性，来消除直线方程中的乘法，在
或
方向使用合适的
。
我们可以通过将增量分离成整数和小数部分，从而使所有的计算都简化为整数操作，来改善DDA算法的性能。
3.3PID控制器
本设计中，成型材料经喂丝机不断供料再通过加热头融化后挤出，成型材料对温度有严格的工艺要求，如PLA材料应将融化温度控制在175℃-200℃区间（abs）。
本设计中通过PID算法控制温度，即主要应用对热头温度的控制。
PID控制器兼有P、I、D这三种控制作用的特点，PID控制器可以看成是在PI控制器中加入了微分作用，用以克服对象的容积迟缓和惯性，减少过程的动态偏差，加快响应过程。
根据对象的特性和控制质量要求，选择PID控制，当三种控制作用配合得当，就可得令人满意的控制效果，因而在工业生产过程的自动控制系统中，PID控制器被广泛的应用。
其具有PID控制的恒温系统结构如图3.4所示。
图3.4具有PID控制的恒温系统结构图
PID控制器结合了PI控制器和PD控制器的优点，因而在改善系统的动态性能方面更具有优越性。
3.4自动升降速控制
由于驱动系统、控制系统以及被控对象的电气和机械惯性特征，要求被控对象的速度不能突变。
若不加以控制进给速度，必然会产生冲击、振荡或超程、失步等动态误差。
因此，不论是从系统的精度还是从系统的质量指标出发，都要求必须有升降速控制。
因此避免3D打印机由于机械传动部分质量大，驱动电机速度快，又没有刹车措施，而造成步进电机失步，产生误差，必须有自动升降速功能。
该设计采用了线性升速规律。
如图3.5所示：
图3.5线性生速规律
线性升速规律函数表达式为：
式中
——升速时间；
——减速点时间；
——目标速度（给定速度）
3D打印机的喷头即具有匀速运动过程，又有升速和降速过程。
升、降速过程是变速运动过程，二者的本质是相同的，只不过升速时加速度为正值，降速时加速度为负值。
4控制系统设计
把源代码下载到单片机内部需要通过软件才能实现。
可以通过Arduino平台实现这一过程。
4.1Arduino简介
Arduino是一块带有用来连接电脑USB接口的小型单片机电路板，上面有很多的接口用来与外部设备相连。
电路板是开源的，这就将导致任何人都可以使用它，用其可以使造价变得更低。
其核心就是一块单片机，板子上的其他东西都是用于供电或者和电脑连接的。
单片机实际上是集成在一块芯片上的微型电脑，它具有第一台家用电脑所具有的任何东西，甚至更多。
输入可以是数字信号或模拟信号，输出也可以是数字或模拟信号。
Arduino最大的好处就是通过一个单片机的标准化把这些选择减少、简单化。
这将意味着，当我们开始一个新项目时，不需要权衡众多单片机的利弊去做选择。
4.1.1Arduino的起源
Arduino最初是为了教学而开发的，再随着科技的发展，逐渐因为其简单易学和耐久性在人们的日常生活及研究中被广泛应用。
尤其是在制造商、学生和艺术家当中。
还有一个使它成功的关键因素是，在知识共享许可下Arduino所有的设计都是可以免费获得的。
Arduino并不只是单片机，还可以和其他的扩展板相兼容使用。
4.2Arduino的开发环境
想把一个新的Sketch上传到Arduino，首先得通过USB使其供电，其次得安装Arduino软件。
4.2.1驱动的安装
最新版的ArduinoUNO、ArduinoMEGA、ArduinoLeonardo等控制器及各厂家的兼容控制器，在MACOS和Linux系统下，均是不要驱动程序的，你只需直接插上，即可使用。
但在Windows系统中，你需要为Arduino安装驱动配置文件，才可正常驱动Arduino，具体方法如下：
1插上你的Arduino
2在“我的电脑”点右键属性，进入设备管理器，会看到如下的设备如图4-1所示：
图4-1
3.双击该设备，并选择“更新驱动程序”如图4-2所示：
图4-2
4选择第二项如图4-3所示：
图4-3
5输入你的驱动地址如图4-4所示：
图4-4
6系统会提示你已经成功安装驱动如图4-5所示：
图4-5
8.在设备管理器中，你可以看到arduino的COM口了如图4-6所示：
图4-6
4.2.2软件的开发流程
其步骤如图4-7到图4-10所示：
图4-7
图4-8选串口号
图4-9选板子类型
图4-10点击upload,出现doneuploading表示成功
4.3运动的控制
将下述源代码下载到实际所用的板子上，观察其是否能驱动电机使X、Y、Z三轴运动,其中程序所对应的引脚号见下：
#defineX_STEP_PIN15
#defineX_DIR_PIN21
#defineX_MIN_PIN18
#defineY_STEP_PIN22
#defineY_DIR_PIN23
#defineY_MIN_PIN19
#defineZ_STEP_PIN3
#defineZ_DIR_PIN2
#defineZ_MIN_PIN20
#defineE0_STEP_PIN1
#defineE0_DIR_PIN0
#defineLE
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