3D打印控制方案设计与实现

发布时间：2017-04-25 04:17

  本文关键词：3D打印控制方案设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：3D打印的英文全称是Three Dimensional Printing,本文主要论述基于熔融沉积成型(FDM)的3D打印技术,相比其他的几种原理的成型技术,FDM优势在于成本最低,但是缺点也很明显,成型速度慢,精度低。本文着手于3D打印的控制系统,主要以设计最优温控模型和直线插补算法等方面作为突破口,为提高打印的精度和效率进行研究。本文首先对3D打印系统做了整体的概述,介绍了控制系统的软硬件构成,对主控平台Arduino2560做了详细的介绍,并描述了其部分内部资源在3D打印机中的具体应用,介绍了3D打印机的工作过程、控制原理和软件系统工作流程。然后针对打印机喷头的温度控制算法进行了研究,传统的PID控制算法稳定性差且调节时间长,本文将模糊控制和PID控制进行结合,通过simulink仿真证明模糊PID算法控制效果更优,温度上升更快,达到指定的打印温度的时间缩短了30秒,系统的抗干扰能力更强,达到稳定工作状态的时间缩短了约130秒。随后介绍了由数字三维模型到控制打印机运作的过程中最关键的两环,切片算法和译码模块,研究了其中的关键坐标值X、Y、Z和E的生成原理和计算方法,并根据GCode的程序规律确定了译码模块的整体思路,详细阐述了译码模块中的核心代码。最后为提高3D打印的效率,本文从提高GCode中的直线插补指令的效率着手,将计算机图形学中用于描绘直线的Bresenham算法加以改进,应用到3D打印控制系统中用于实现直线插补。通过译码部分的GCode实验表明,本文设计的译码模块能够正确的解释由STL文件生成的GCode,同时本文设计的直线Bresenham插补算法较传统的逐点比较法插补次数更少、效率更高、更易于硬件实现。
【关键词】：3D打印 模糊PID控制 GCode 直线Bresenham算法
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.73
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 引言8-14
• 1.1 课题的来源、目的和意义8-11
• 1.1.1 课题来源8
• 1.1.2 选题依据和背景8-9
• 1.1.3 课题研究目的9
• 1.1.4 理论意义和实际应用价值9-11
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势11-12
• 1.2.1 3D 打印技术在国内外的研究现状11-12
• 1.2.2 3D 打印技术发展趋势12
• 1.3 文中主要研究的内容和技术方法12-14
• 第2章 3D 打印系统14-22
• 2.1 3D 打印系统的构成14-18
• 2.1.1 系统整体构成14
• 2.1.2 硬件平台 Arduino 板14-16
• 2.1.3 软件平台 Arduino IDE16-18
• 2.2 3D 打印的工作过程及相关原理18-21
• 2.2.1 3D 打印的工作过程18-19
• 2.2.2 3D 打印控制原理19-20
• 2.2.3 软件系统工作流程20-21
• 2.2.4 软件结构21
• 2.3 本章小结21-22
• 第3章 传动系统和温控算法的设计22-37
• 3.1 3D 打印的机械传动结构22-25
• 3.1.1 整体机械传动结构22-23
• 3.1.2 喷头机械传动结构23-25
• 3.2 控制与驱动系统25-28
• 3.2.1 电机驱动模块25-27
• 3.2.2 Arduino 主控板和A4988连接设计27-28
• 3.3 模糊 PID 温度控制算法28-36
• 3.3.1 关于 3D 打印系统中温度的控制28-29
• 3.3.2 PID 控制算法29-33
• 3.3.3 模糊 PID 控制算法33-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第4章 切片原理及 GCode 译码模块设计37-47
• 4.1 切片原理37-41
• 4.1.1 STL 文件分析37-38
• 4.1.2 GCode 中位置坐标的计算38-40
• 4.1.3 GCode 中耗材挤出量(E)的计算40-41
• 4.2 GCode 译码模块设计41-46
• 4.2.1 译码模块整体设计思路41-43
• 4.2.2 GCode 译码模块的算法设计43-44
• 4.2.3 GCode 的译码过程44-46
• 4.3 本章小结46-47
• 第5章 3D 打印中的直线插补算法47-54
• 5.1 基准脉冲插补47
• 5.2 逐点比较法和 Bresenham 算法的对比47-51
• 5.2.1 逐点比较法47-48
• 5.2.2 直线 Bresenham 算法48-50
• 5.2.3 改进的直线 Bresenham 算法50-51
• 5.3 实验验证51-53
• 5.4 本章小结53-54
• 第6章 结论及展望54-56
• 6.1 全文结论54-55
• 6.2 工作展望55-56
• 参考文献56-59
• 致谢59-60
• 附录：硕士学位期间发表的学术论文和获得的专利60

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