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基于FDM的彩色3D打印机控制系统研究

李世鹏  
【摘要】:当今,我国已成为生产制造业大国,越来越多的产品打上了Made In China的标签。市场需求量不断扩大,随之而来的问题也越来越多,产品质量不高、生产效率低等问题严重影响着我国制造业的发展。所以,必须要打破壁垒改变加工方式,提升产品质量和生产效率是问题的关键。而3D打印机凭借其独特的技术优势迅速在产品制造业占据一席之地,逐渐成为一种主流加工技术,并被称为“第三次工业革命的开始”。3D打印机通过层层叠加的打印方式(逐层打印),使得零件加工不受结构限制,复杂零件也能简单加工。所以,在一定程度上降低了加工难度。使得各行各业的设计师,能够快速获得产品的实物模型,方便其根据需求更改设计方案。由于3D打印技术进入我国较晚,发展前景广阔,但在关键技术和产品推广上仍是刚刚起步,面临着许多问题。特别是在打印成本、打印彩色、打印效率及打印精度上与欧美发达国家之间存在着不小的差距,因此3D打印技术的研究十分具有实际意义。本文针对目前市面上的FDM型3D打印机只能打印单种颜色,打印彩色则需要手动换料等问题,设计了一个由程序控制、可实现打印喷嘴颜色更换的控制系统。论文首先根据3D打印机的结构组成和工作原理给出了控制系统总体设计方案。考虑到微控制器的性能与成本,将Atmel Mega2560作为3D打印机控制系统核心,与传统89系列单片机相比在工作频率、处理性能、内存空间方面有很多优势,使得电路设计更加简便。论文中3D打印机控制系统主要包括硬件系统和软件系统。硬件系统主要包括电机驱动模块,温度控制模块、LCD液晶显示模块和串口通信模块。软件是3D打印机的控制中心,主要包括五大部分:第一部分是步进电机指数型加减速曲线算法,实现了在不失步的情况下提高步进电机速度和控制精确度;第二部分是温度控制程序,实现了对喷头的加热及温度的稳定控制,确保打印机材料均匀挤出,保证打印的连续性和精度;第三部分是串口通信程序,实现了打印状态的反馈和稳定控制;第四部分是LCD液晶驱动程序,用于实现温度、打印路径等状态显示;第五部分是丝料更换程序,通过控制3D打印头的拼接和分离实现不同颜色丝料的更换,进而实现3D彩色打印。最后通过模拟仿真,测试步进电机指数型曲线加减速的合理性和PID温度调节的实用性,以及3D打印机控制系统的整体性能。从测试结果来看,本文设计的基于FDM的彩色3D打印机控制系统工作稳定,可以实现自动换色,系统的硬件和软件达到了设计要求。


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