摘 要

随着3D打印技术的发展与普及，以及人们对食品质量的要求日趋增高，食品3D打印机已成为食品领域一个重要的研究热点。对食品3D打印机系统进行研究，具有很重要的学术价值和广泛的市场前景。

本文首先在对3D打印技术产品进行分析比较的基础上，选择了熔融沉积成型技术。然后在深入分析食品3D打印机的机械结构、工作流程和工作原理的基础上，提出了食品3D打印机系统总体设计方案。

本文对方案中主控 CPU 及外围基本电路、电机驱动电路、喷头电路、通信电路、电源电路等主要电路，进行了系统硬件设计。在本设计中，食品3D打印机硬件电路主控电路微控制器采用Philips公司生产的87C552单片机，选用L298驱动芯片对步进电机进行驱动，实现对 X、 Y、 Z 三轴的运动控制；在设计的硬件系统配置基础上，设计了相应的运动控制软件系统，最后进行了系统的仿真与调试。

关键词：食品3D打印机；熔融沉积成型技术；硬件系统设计；运动控制

Abstract

With the development of 3D printing technology and the increasingly higher requirement for the quality of food, 3D printing of food has become an important research direction in the field of food. The study of food 3D printing system, not only has important academic value, but also will have a wide range of market.

This dissertation firstly analyzes and compares 3D printing products, finally chooses fused deposition molding technology. And it analyzes food 3D printing machinery structure, working process and working principle. On the basis of it, the scheme of food 3D printing is proposed.

In this dissertation, the solution of the master CPU and peripheral circuit, motor drive circuit, basic nozzle circuit, communication circuit, power circuit have been made the introduction, and designs the hardware of the control system of 3D printing drive system with the related function of chip. In this design, 3D food printing master CPU uses Philips company 87C552 processor, and selects the L298 drive chip for step motor drive, finally realizes the control of X, Y, Z three-axis motion. Based on the design of hardware system, it designs the corresponding motion control software system. Finally it has carried on the simulation and debugging.

Key Words: food 3D printing; fused deposition molding technology; hardware system configuration; motor control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 3

1.3 课题研究内容及论文结构安排 4

1.4 本章小结 5

第2章 食品3D打印机系统分析与设计 6

2.1 FDM技术 6

2.2 系统总体方案设计 7

2.2 X、Y、Z轴方向控制电机选取 8

2.2.1 步进电机介绍 8

2.2.2 X、Y轴方向步进电机选型 9

2.2.3 Z轴方向步进电机选型 10

2.3 食品3D打印机喷头设计 11

2.4本章小结 13

第3章 食品3D打印机控制系统硬件设计 14

3.1 主控模块电路设计 14

3.2 电机驱动设计 16

3.2.1 步进电机驱动方式 16

3.2.2 驱动电路设计 16

3.3 按键电路设计 17

3.4 显示电路设计 18

3.5 通信电路设计 20

3.6 测温及加热电路设计 21

3.7 供电电路设计 22

3.8本章小结 22

第4章 食品3D打印机控制系统软件设计 23

4.1 主程序设计 23

4.2 逐点比较法直线插补程序设计 24

4.3 逐点比较法圆弧插补程序设计 25

4.4 电机驱动程序 27

4.5 PC机与单片机通讯程序 29

4.6 仿真与调试 31

4.7本章小结 32

第5章 全文总结与展望 33

5.1研究工作总结 33

5.2经济性分析 33

5.3研究工作展望 34

参考文献 35

附 录 36

致 谢 48

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

传统的食品一般采用手工加工或模具制作。采用手工加工的食物的图案及花式加工需要制作者技巧熟练、经验丰富。手工加工效率较低，并且食物质量和工艺性一般受制作者的水平影响。当利用模具来印刻表面图案的和固定形状，一般无法保持应有形状，且不适合复杂精致的几何花纹。传统的食品制造加工过程容易造成极大的浪费和污染，这是传统食品行业发展所遇到的困难与挑战。

3D打印技术又称增材制造（Additive Manufacturing，AM），属于快速成型技术^[1]。它根据模型的数字文件，利用粉末状金属或塑料等粘合材料经过逐层堆叠的方法来制造实物。3D打印技术与传统的机械加工技术不同，后者一般采用切削或钻孔技术（即减材工艺）来进行加工。而3D打印一般利用数字技术材料打印机来实现，常用于模型制造，现正用在一些产品的直接制造，比如高价值产品（比如髋关节或飞机零件）。

3D打印过程流程图如图1.1所示。首先利用计算机辅助设计 (CAD）或计算机动画建模软件对物体进行建模，再对建好的三维模型进行“切片”，形成逐层的截面数据。打印机再根据形成的截面数据逐层进行打印。3D打印机读取截面信息，用液体状、粉状或片状的材料逐层堆起这些截面，直到固态物体成型。