arduino的3d打印控制系统的研究
摘 要Arduino的3D打印控制系统的研究是这次毕业设计的课题。本次论文分为绪论、硬件系统设计、软件系统设计、调试及使用四个章节。在绪论部分，概括总结3D打印及相关技术的国内外现状和发展，包括研究的热点、重点、难点，典型的国内外研究机构和生产企业在3D打印技术方面的现状进展、典型产品及特点等。第二章为硬件系统设计，本章节将从两个方面介绍3D打印机的机械结构组成以及基于Arduino平台和其外围电路组成的硬件控制系统。通过本章的介绍读者可以对眼前的3D打印机有个整体的认识。而在硬件控制系统中，将向大家展示Arduino作为控制核心的优势。第三章为软件系统设计，软件的核心在于单片机对电机在打印坐标中位置的判定，以及对G代码的识别。在本章中还会对各模块的软件编程进行介绍。第四章是向读者展示调试和打印的过程。调试阶段主要分为机械结构的调试以及上位机参数的设置。
目 录
第一章 绪论 1
1.1国内外现状及发展方向 1
1.2Arduino控制平台的优势 1
1.3研究的重点及解决思路 2
第二章 硬件系统设计 3
2.1.1结构设计 3
2.1.1动力及动力传输设计 4
2.1.2挤出机构设计及打印材料选择 6
2.2电路设计 9
2.2.1硬件电路整体架构 9
2.2.1单片机主控模块设计 9
2.2.2 A4988步进电机驱动及限位电路 10
2.2.3温度模块 12
2.2.4显示模块 14
2.2.5 电源模块 15
2.2. 6 SD卡模块 16
第三章 系统软件设计 17
3.1主程序流程图 17
3.2电机控制子程序 17
3.2.1步进电机脉冲程序 17
3.2.2G代码参数及空间坐标确定 18
3.3温度控制子程序 19
3.4液晶显示子程序 20
3.4.1初始化程序 20
3.4.2液晶显示菜单 21
3.5 SD卡读写子程序 22
第四章 调试及使用 25 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.1打印前调试事项 25
4.2Arduino编译下载环境 29
4.3打印成果展示 31
结束语 32
致 谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1国内外现状及发展方向
从1990年开始，3D打印技术成为国内各大学研究的重要课题。每个大学研究的侧重点略有不同，也各有优势。华中科技大学在对于打印材料的研究上很有心得， HRP系列的制造材料就是华中科技大学研制出来的； 西安交通大学推出了自己研究的三维打印机喷头，以及精密度可以直逼40.2mm的材料。北京航天航空大学、湖南大学等高校已经将制造出来的3D打印机应用在金属制品上。总的来说，国外的3D打印技术还是领先国内一大截。目前，由于精度，体积，效率等方面的限制，商户在国产机型中很难找到适合的机型。在服务领域，在沿海相对发达而城市已经有企业通过引进国外成平打印机的方式来促进3D打印设备在国内的普及化，进口3D打印机在我国的很多方面有很高的应用价值，诸如：开模，复制古董，帮助设计等。
目前，全球 3D 打 印机行业，抢占了最大业务的是美3DSystems 和 Stratasys 这两家美国的公司。除此之外，Fab@Home（美国）和 Shapeways（美国）、Reprap（英国）等公司在打印技术的研究和成果都有自己的特长。3D Systems在收购了3D打印技术专利拥有公司Z Corporatio后一跃成为3D打印业内的霸主，成为了全球最强的3D设备快速制造公司。2维打印的龙头企业HP由于转型的需要在2010年与Stratasys 公司签署了 OEM 合作协议。从此以后Solidscape 公司就开启了他在全球的收购合并之路。目前，合并是整个3D打印制造业发展的趋势。
由于制造的智能化，控制的简单化，材料的多样化，信息的透明化等等方面越来越受人们的重视，所以拥有这些种种优势 的3D打印技术将会拥有更好的发展空间。在以后，3D打印技术将会向一下几个方向发展： 1.智能化和便捷化：目前，3D打印软件可以进一步更新，升级。尤其是在打印物品处理，批量生产控制上要向便捷化发展。比如，打印中是否需要用来固定的结构，打印中是否需要材料相互切换，打印结束后如何去除粉末等。除此之外，由于3D打印技术在生生产生活中越来越普及。用户想使用的将是容易使用，体验感好的产品。2：通用化：3D打印不仅仅局限用于生产生活的制造设备，其在产品灵感，工业设计思想革新，科学教育平台等方面也有很高的的应用价值与前景。这就决定了其要向多元化，通用化方向发展，针对不同的应用环境下，发挥出他特定的功能，造福更多的人群。
1.2Arduino控制平台的优势
1.跨平台
Windows、Macintosh OSX、Linux三大操作系统目前的主流操作系统，与大多数控制其不同的是，在这三种操作系统上，其皆可以运行。而大部分MCU只能在特定的环境下运行，而且可能是定制的平台。
2.简单清晰的开发
wiring语言是Arduino的开发语言，但是Arduino编程环境里提供了诸多的使用库供新手使用。初学者并不要太多的单程语言基础和开发经验，只要通过相对细致的学习，就可以快速入门，完成自己的编译与开发。
3.开放性
全球范围内有无数Arduino平台的开发者和使用者，加之互联网目前的公开性，可以在诸多的贴吧，论坛上找到基于Arduino控制平台有完全开放的硬件软件方案，原理图，PCB文件，程序源代码，核心器件库。在设计的道路上需要的元素和资源应有尽有，在合理的范围内，均可以使用。
4. 硬件开发的趋势
Arduino不仅仅是目前最普遍，最优秀，最简单的开发平台。针对这一平台的硬件模块也在不停的开发制作。诸如很多传感器模块，驱动模块等，可以完成与Arduino最小核心板的无缝对接。而且，Arduino的开发者还在不断的关注使用者在未来所需要的硬件模块，力争为所有的开发者扫清障碍。就如基于Arduino3D打印系统来说，以Arduino为核心的各种服务3D打印机的模块在不断的制作出来。开发者可以通过购买这些模块很大程度的降低自己的开发时间，节约自己的开发成本。当然，开发者要是想自己制作这样的模块，也有详细的资料供参考。大学里，自动化、软件，甚至艺术专业，也纷纷开展了Arduino相关课程。
1.3研究的重点及解决思路
本课题旨在对基于Arduino这一开源平台的基础上对3D打印系统进行研究探讨。在研究中将着重对3D打印机的整体结构特别是动力及动力传输方面、电路中电机的控制、软件中电机参数的设定，G代码的识别，以及温度PID的控制等方面进行研究探讨。同时这些方面也是整个设计的难点所在。对这些难点的研究将采用借鉴同原理的知识，再针对3D打印做相关的结合的方法。如通过研究激光雕刻机对X,Y,Z三轴的空间结构有所了解。如通过研究基于51单片机的相关温度PID程序，再基于Arduino做相关移植等。相信采用这种举一反三的方法能够做到事半功倍，再加上结合其他资料以及通过老师，同学，各论文的支持，最终一定能解决在设计终于到的难题。
目 录
第一章 绪论 1
1.1国内外现状及发展方向 1
1.2Arduino控制平台的优势 1
1.3研究的重点及解决思路 2
第二章 硬件系统设计 3
2.1.1结构设计 3
2.1.1动力及动力传输设计 4
2.1.2挤出机构设计及打印材料选择 6
2.2电路设计 9
2.2.1硬件电路整体架构 9
2.2.1单片机主控模块设计 9
2.2.2 A4988步进电机驱动及限位电路 10
2.2.3温度模块 12
2.2.4显示模块 14
2.2.5 电源模块 15
2.2. 6 SD卡模块 16
第三章 系统软件设计 17
3.1主程序流程图 17
3.2电机控制子程序 17
3.2.1步进电机脉冲程序 17
3.2.2G代码参数及空间坐标确定 18
3.3温度控制子程序 19
3.4液晶显示子程序 20
3.4.1初始化程序 20
3.4.2液晶显示菜单 21
3.5 SD卡读写子程序 22
第四章 调试及使用 25 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.1打印前调试事项 25
4.2Arduino编译下载环境 29
4.3打印成果展示 31
结束语 32
致 谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1国内外现状及发展方向
从1990年开始，3D打印技术成为国内各大学研究的重要课题。每个大学研究的侧重点略有不同，也各有优势。华中科技大学在对于打印材料的研究上很有心得， HRP系列的制造材料就是华中科技大学研制出来的； 西安交通大学推出了自己研究的三维打印机喷头，以及精密度可以直逼40.2mm的材料。北京航天航空大学、湖南大学等高校已经将制造出来的3D打印机应用在金属制品上。总的来说，国外的3D打印技术还是领先国内一大截。目前，由于精度，体积，效率等方面的限制，商户在国产机型中很难找到适合的机型。在服务领域，在沿海相对发达而城市已经有企业通过引进国外成平打印机的方式来促进3D打印设备在国内的普及化，进口3D打印机在我国的很多方面有很高的应用价值，诸如：开模，复制古董，帮助设计等。
目前，全球 3D 打 印机行业，抢占了最大业务的是美3DSystems 和 Stratasys 这两家美国的公司。除此之外，Fab@Home（美国）和 Shapeways（美国）、Reprap（英国）等公司在打印技术的研究和成果都有自己的特长。3D Systems在收购了3D打印技术专利拥有公司Z Corporatio后一跃成为3D打印业内的霸主，成为了全球最强的3D设备快速制造公司。2维打印的龙头企业HP由于转型的需要在2010年与Stratasys 公司签署了 OEM 合作协议。从此以后Solidscape 公司就开启了他在全球的收购合并之路。目前，合并是整个3D打印制造业发展的趋势。
由于制造的智能化，控制的简单化，材料的多样化，信息的透明化等等方面越来越受人们的重视，所以拥有这些种种优势 的3D打印技术将会拥有更好的发展空间。在以后，3D打印技术将会向一下几个方向发展： 1.智能化和便捷化：目前，3D打印软件可以进一步更新，升级。尤其是在打印物品处理，批量生产控制上要向便捷化发展。比如，打印中是否需要用来固定的结构，打印中是否需要材料相互切换，打印结束后如何去除粉末等。除此之外，由于3D打印技术在生生产生活中越来越普及。用户想使用的将是容易使用，体验感好的产品。2：通用化：3D打印不仅仅局限用于生产生活的制造设备，其在产品灵感，工业设计思想革新，科学教育平台等方面也有很高的的应用价值与前景。这就决定了其要向多元化，通用化方向发展，针对不同的应用环境下，发挥出他特定的功能，造福更多的人群。
1.2Arduino控制平台的优势
1.跨平台
Windows、Macintosh OSX、Linux三大操作系统目前的主流操作系统，与大多数控制其不同的是，在这三种操作系统上，其皆可以运行。而大部分MCU只能在特定的环境下运行，而且可能是定制的平台。
2.简单清晰的开发
wiring语言是Arduino的开发语言，但是Arduino编程环境里提供了诸多的使用库供新手使用。初学者并不要太多的单程语言基础和开发经验，只要通过相对细致的学习，就可以快速入门，完成自己的编译与开发。
3.开放性
全球范围内有无数Arduino平台的开发者和使用者，加之互联网目前的公开性，可以在诸多的贴吧，论坛上找到基于Arduino控制平台有完全开放的硬件软件方案，原理图，PCB文件，程序源代码，核心器件库。在设计的道路上需要的元素和资源应有尽有，在合理的范围内，均可以使用。
4. 硬件开发的趋势
Arduino不仅仅是目前最普遍，最优秀，最简单的开发平台。针对这一平台的硬件模块也在不停的开发制作。诸如很多传感器模块，驱动模块等，可以完成与Arduino最小核心板的无缝对接。而且，Arduino的开发者还在不断的关注使用者在未来所需要的硬件模块，力争为所有的开发者扫清障碍。就如基于Arduino3D打印系统来说，以Arduino为核心的各种服务3D打印机的模块在不断的制作出来。开发者可以通过购买这些模块很大程度的降低自己的开发时间，节约自己的开发成本。当然，开发者要是想自己制作这样的模块，也有详细的资料供参考。大学里，自动化、软件，甚至艺术专业，也纷纷开展了Arduino相关课程。
1.3研究的重点及解决思路
本课题旨在对基于Arduino这一开源平台的基础上对3D打印系统进行研究探讨。在研究中将着重对3D打印机的整体结构特别是动力及动力传输方面、电路中电机的控制、软件中电机参数的设定，G代码的识别，以及温度PID的控制等方面进行研究探讨。同时这些方面也是整个设计的难点所在。对这些难点的研究将采用借鉴同原理的知识，再针对3D打印做相关的结合的方法。如通过研究激光雕刻机对X,Y,Z三轴的空间结构有所了解。如通过研究基于51单片机的相关温度PID程序，再基于Arduino做相关移植等。相信采用这种举一反三的方法能够做到事半功倍，再加上结合其他资料以及通过老师，同学，各论文的支持，最终一定能解决在设计终于到的难题。
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