摘 要

3D打印技术也被称为增材制造（AM）技术，是最近三十年来发展起来的先进制造技术之一。熔融沉积（FDM）技术是3D打印技术中发展最快的技术种类之一，基于FDM技术开发的3D打印机具有成本低、设备轻便、工作环境要求低等特点，但是也存在着系统工作稳定性差、打印精度低以及支撑后处理困难等不足之处，严重影响了基于FDM技术的3D打印机市场发展与推广。

本文对基于FDM技术的3D打印设备进行了研究，设计了一款基于FDM技术的龙门式3D打印机。我们的3D打印机主要包括机械系统和控制系统两个部分，本文主要研究工作针对3D打印设备的喷头位置实时显示展开，具体完成工作如下：

(1)根据龙门式3D打印机所需要的控制单元，设计了基于ARM的嵌入式控制系统方案。基于控制单元对系统的硬件电路进行了模块化单元电路的设计，为了实现喷头的协调规划与控制进行了底层控制系统的顺序设计,并且详细说明了控制底层关系与各个控制功能的具体实现，完成了3D打印控制系统的设计与研究。

(2)编写3D打印机的上位机显示与控制，让外部指令能够执行。编写代码实现了串口通讯，验证了串口通讯的稳定性与可行性。

(3)在完成实验准备和喷头参数设置后，进行了3D打印机的精度测试、XYZ三轴的移动测试、上位机显示功能的测试。验证了3D打印机结构与系统工作的稳定性。

通过对基于FDM技术的3D打印机的研究，改善了系统工作的稳定性与打印精度，解决了支撑后处理困难等问题，达到了项目的设计要求，为开发高稳定性、高精度、低成本的龙门式3D打印机提供了依据与参考。

关键词：FDM,3D打印机，上位机，串口通讯，仿真分析，位置显示

Abstract

3D printing technology is also known as the material manufacturing (AM) technology, is the last three decades to develop one of the advanced manufacturing technology. FDM technology is one of the fastest growing technology types in 3D printing technology. The 3D printer based on FDM technology has the characteristics of low cost, light equipment and low working environment, but there are also poor system working stability, Low print precision and difficult to support post-processing and other deficiencies, seriously affected the FDM technology based on the development and promotion of 3D printer market.

This paper studies the 3D printing equipment based on FDM technology, and designs a gantry type 3D printer based on FDM technology. Our 3D printer mainly includes two parts: mechanical system and control system. The main work of this paper is to start real-time display of the nozzle position of 3D printing equipment. The concrete work is as follows:

（1）According to the control unit of the gantry type 3D printer, the embedded control system based on ARM is designed. Based on the control unit, the design of the modular circuit of the hardware circuit of the system is carried out. In order to realize the coordinated planning and control of the nozzle, the sequential design of the bottom control system is carried out, and the concrete realization of the control relation and the control function is described in detail. The 3D print control system design and research.

（2）Write the host computer display and control, so that external instructions can be executed. Write code to achieve a serial communication, verify the stability of the serial communication and feasibility.

（3）After the completion of the preparation of the experiment and the nozzle parameters set, the 3D printer precision test, XYZ three-axis mobile test, the host computer display function test. Verifies the stability of the 3D printer structure and system work.

Through the research of 3D printer based on FDM technology, the stability and printing precision of the system work are improved, and the problems such as the difficulty of post-processing are solved.

Key words: FDM, 3D printer, host computer, serial communication, simulation analysis，Position display

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究的目的与意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 3D打印技术现状 2

1.2.2 STM32的国内外研究现状 3

1.2.3 伺服闭环步进电机驱动器的国内外研究现状 3

1.3本论文的主要研究内容和结构 4

1.3.1 主要研究内容 4

1.3.2论文结构 5

第2章3D打印设备位置实时采集系统设计方案选择 6

2.1 方案一 6

2.2 方案二 6

2.3 方案分析比较 6

第3章 三坐标位置实时采集系统硬件设计 7

3.1 3D打印机整体结构 7

3.2 伺服闭环步进电机驱动器的应用 8

3.2.1 伺服闭环步进电机驱动器的原理 8

3.2.2 伺服闭环步进电机驱动器的应用 10

3.3 基于STM32的硬件设计 10

3.3.1 STM32的原理 10

3.3.2 位置检测系统的实现 10

第4章 三坐标位置实时采集系统软件设计 12

4.1 上位机软件设计 12

4.1.1 软件的选择 12

4.1.2 功能模块设计 12

4.1.3 代码的编写 13

4.2 固件代码设计 16

4.2.1 软件的选择 16

4.2.2 功能模块设计 16

4.2.3 代码的编写 17

4.3 串口通讯 21

第5章 系统调试 24

5.1 检测过程与结果 24

5.1.1 检测过程 24

5.1.2 检测结果 25

第6章 总结与展望 30

6.1 全文总结 30

6.2 展望 31

致谢 32

参考文献 33

附录一 原理图

附录二 代码附录

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.1.1 研究背景

3D打印技术是自人类研究出互联网之后技术层次上的最大进步之一^[1]。那么什么是3D打印技术呢？我们为什么要研究这种东西？它可以用来做什么，比较其他的设备又具有什么优势呢？

3D打印机是一种机器，可以将人们自己设计的物品从图像转换成一个物理对象。我们可以给3D打印机设计一种模式，按照这个模式，我们可以批量生产一种物件。比如用3D扫描仪扫描一个榔头，那么，在芯片上就会出现这个榔头的3D成像，就可以将文件传输至打印机，从而将物品给复制出来。通过这种模式，我们可以复制成千上万的相同的物件。当然，我们也可以从内部创建对象，可以完成一个物品而不需要通过零件拼接。