摘 要

3D打印技术是快速成型技术的一种，此技术起源于上个世纪80年代，最近几年发展迅速，在医学、电子、机械等领域应用广泛。国外起步早，技术成熟；国内则比较落后，采用国外开源的系统作为控制系统，其在控制精度、效率、功能拓展方面有所欠缺。

本论文主要从3D打印机控制系统方面进行了研究。其控制系统是采用Atmel公司的ATMEGA2560作为3D打印机的控制芯片，采用Arduino作为平台进行程序设计。针对于实际的Delta型3D打印机进行系统设计，运动控制方面，根据实际打印机的型号，选用了42步进电机作为动力来源，在步进电机驱动方面研究了步进电机细分控制方法，对提高运动控制的精度有一定的效果，从而可以提高打印机打印质量；在温度模块对温度控制和温度检测方法进行了阐述，并对其电路进行了设计同时也对控制方法进行了程序设计，对温度控制程序中PID理论进行了说明。在显示方面，对中文操作界面的设计进行了尝试，简述了汉字显示的程序设计方法，并将其移植到Marlin固件中，最终实现中文界面的显示。最后对控制系统进行调试，对加热过程和限位开关进行了实际的检测。

关键词：3D打印；Arduino；步进电机；运动控制；温度控制；显示设计；

ABSTRACT

3D printing technology is a rapid prototyping technology, originated in the 1980s, and has developed rapidly in recent years, which has a wide application in the medical, electronic, mechanical and other fields. Foreign countries have relatively mature technology due to early starting, however, China is relatively backward, adopting foreign source as a control system, which has been lacking in the aspects of control precision, efficiency and function extension.

This paper mainly studied from the 3D printer control system aspect. Its control system is the use of Atmel company's ATMEGA2560 as the 3D printer control chip, using Arduino as a platform for programming. Aiming at actual 3D type Delta printer to design. Motion control, according to the actual printer model, choosing the 42 type step motor as the motion source, in the stepper motor drive, this paper studied subdivision control method, which have certain effect to improve the precision of motion control, and it can improve the printing quality. In the temperature module, the temperature control and temperature detection methods are described, and designed its circuit, at the same time, the control method of the program was designed too, the temperature control program PID theory was described. In the display, the design of the Chinese operation interface has been attempted, and the program design method of Chinese character display is described in this paper, Then transplanted it into Marlin firmware, achieving the display of Chinese operation interface. Finally, the control system is debugged, the heating process and the limit switch are detected.

Key words: 3D printing; Arduino; step motor; motion control; temperature control; display design;

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本设计的主要工作 2

第2章 Arduino应用开发方法分析 5

2.1 Arduino介绍 5

2.2 Arduino IDE 6

2.3 本章小结 8

第3章 3D打印机系统硬件设计 9

3.1 设计对象 9

3.2 主控模块设计 10

3.2.1 控制板选择 10

3.2.2 微处理器 11

3.3 电机模块设计 12

3.3.1 步进电机的选型 13

3.3.2 步进电机驱动 14

3.4 通信模块设计 15

3.5 温度模块设计 16

3.5.1 加热控制 16

3.5.2 温度检测 17

3.6 限位开关设计 19

3.7 本章小结 20

第4章 系统软件设计 21

4.1 Marlin固件程序流程图 21

4.1.1 主程序介绍 21

4.1.2 程序工作原理 21

4.1.3 主程序控制部分 22

4.2 步进电机控制程序设计 23

4.2.1 步进电机控制程序 23

4.2.2 速度控制 25

4.2.3 Delta机型控制程序 27

4.3 温度控制程序设计 29

4.3.1 PID控制原理 29

4.3.2 程序控制 31

4.4 显示模块程序设计 34

4.4.1 显示设备 34

4.4.2 中文显示程序设计 35

4.5 本章总结 38

第5章 3D打印机控制系统调试 39

5.1 控制系统硬件测试 39

5.2 控制系统软件调试 39

5.2.1 温度控制检测 40

5.2.2 限位开关检测 41

5.3 本章小结 42

第6章 总结与展望 43

6.1 总结 43

6.2 经济性分析 43

6.3 展望 43

参考文献 45

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

“3D打印”，学术上称为“快速原型制造”或“增材制造”，是20世纪90年代由美国研发出来的一项新型制造技术，是在现代CAD/CAM技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术、激光技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的，采用材料熔化层积的新成型原理，直接通过CAD数据控制机床打印而获得三维实体模型^[1]。

随着人们对3D打印研究的不断深入，该项技术不断突破，同时由于材料方面的多样化发展，使得3D打印技术在军事领域、工业领域、医学领域和消费领域的应用变得广泛^[2]。

细分3D打印技术的应用场合，简直无处不在。在工业制造领域，我们可以利其实现样机的制造，对概念设计的产品进行实体打印，对一些产品的功能进行验证等；文艺创意和数码娱乐领域，对于结构复杂的艺术样式，3D打印则可以轻松的制作出来，然后通过艺术创作者的再加工使其展现出艺术气息；在航空航天、国防军工方面，高精度的打印机则可以实现对尺寸微小、功能特殊的结构进行打印，从而减少用其它方法制造对时间和金钱的耗费；消费品领域，可以利用尼龙材料设计出具有别样风格的服装、鞋子等，也可以打印出各种各样的玩具；教育领域更是发挥着重要作用：打印出物理模型，实时地对设定的理论进行验证；实践教学中，学生根据主题设计对象，并可及时利用打印机打印出来，使得学习的乐趣不断提高。