一种小型FDM三维打印机控制系统研究与实现

发布时间：2017-06-12 21:05

  本文关键词：一种小型FDM三维打印机控制系统研究与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：3D打印技术是一项新兴的制造技术,因具有原料利用率高,可制造复杂结构等优点,在机械、教育、生物医学等领域得到广泛应用。随着3D打印技术进入民用领域,轻量化、低成本的3D打印机的市场需求不断扩大。本文基于ARM技术,并首次将Android应用到3D打印中,开发小型FDM式3D打印机控制系统。首先,本文在功能需求分析的基础上提出PC+Android模块+ARM的控制系统结构,给出控制系统总体框架设计,包括四个部分：温度控制模块、电机驱动模块、人机交互模块和数据读取模块。提出了时间片轮询法和定时器驱动相结合的任务调度方法。其次,阐述四个模块的软件实现方法。(1)温度控制模块,采用PID算法,实现对喷头温度的精确控制。(2)电机驱动模块,设计打印数据处理流程,制定速度曲线优化方法并予以实施,采用Bresenham算法实现多维步进电机协同运动。(3)人机交互模块分两部分。基于LCD+KEY的人机交互中,本文提出按键读取流程和一种面向对象的LCD多级菜单的设计方法;基于Android的人机交互包括本地端和远程端,本文制定微处理器与本地端间、本地端与远程端间两个通信协议并进行实现。(4)数据读取模块包括U盘和SD卡两部分,基于STM32的SDIO硬件接口实现对SD卡的读取,移植文件系统对数据进行管理；基于USB总线接口芯片CH376实现U盘的读取。最后,本文进行步进电机直线运动测试和打印效果试验。电机测试结果表明,电机驱动模块能准确控制多维步进电机,实现直线运动；打印试验显示,本文开发的控制系统能成功的打印三维模型,并具有较好的粗糙度、细节表现能力和尺寸精度。本文在实现基本打印功能的基础上,首次将Android引进到3D打印技术中,丰富3D打印机的功能,满足市场对低成本的小型3D打印机的需求。
【关键词】：3D打印机 FDM 步进电机控制 Android技术
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.73
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题背景与研究意义9
• 1.2 3D打印技术简介9-11
• 1.2.1 3D打印技术的应用9-11
• 1.2.2 FDM式3D打印的流程11
• 1.3 国内外研究现状11-14
• 1.3.1 FDM式3D打印机控制系统的研究现状11-13
• 1.3.2 步进电机控制技术的研究现状13-14
• 1.4 本文主要研究内容和组织结构14-17
• 第二章 控制系统总体方案设计17-31
• 2.1 控制系统需求分析17
• 2.1.1 基本功能需求17
• 2.1.2 高级功能需求17
• 2.2 控制系统总体方案设计17-18
• 2.3 控制系统硬件平台18-20
• 2.3.1 微处理器18-19
• 2.3.2 温度控制模块19
• 2.3.3 电机驱动模块19
• 2.3.4 人机交互模块19-20
• 2.3.5 数据读取模块20
• 2.4 控制系统软件架构设计20-23
• 2.4.1 任务分析20
• 2.4.2 任务调度方式20-22
• 2.4.3 状态机编程22-23
• 2.5 控制系统部分模块软件实现23-29
• 2.5.1 温度控制模块23-25
• 2.5.2 LCD+KEY的人机交互模块25-29
• 2.6 本章小结29-31
• 第三章 电机驱动模块软件设计31-45
• 3.1 步进电机和细分技术31
• 3.2 缓存区的设计31-33
• 3.2.1 模板与泛型编程32
• 3.2.2 循环队列的实现32-33
• 3.3 打印数据的处理33-36
• 3.3.1 指令分类33
• 3.3.2 二级缓存的设计33-35
• 3.3.3 数据处理步骤35-36
• 3.4 速度优化方案及实现36-40
• 3.4.1 加减速速度曲线选择36-38
• 3.4.2 速度优化方法38-40
• 3.5 直线运动原理及实现40-43
• 3.5.1 Bresenham算法40-42
• 3.5.2 软件实现42-43
• 3.6 本章小结43-45
• 第四章 基于Android的人机交互模块软件设计45-57
• 4.1 本地端和远程端软件框架46
• 4.2 本地端和远程端的人机界面46-47
• 4.3 Android平台下的多线程设计47-49
• 4.3.1 Android的线程通信和线程同步47-49
• 4.3.2 本地端和远程端多线程设计49
• 4.4 本地端与微处理器间的通信49-54
• 4.4.1 物理层49-50
• 4.4.2 命令层50-54
• 4.4.3 应用层54
• 4.5 远程端和本地端间的通信54-56
• 4.5.1 Android的网络编程54
• 4.5.2 远程端和本地端间通信实现54-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第五章 数据读取模块软件设计57-64
• 5.1 SD卡模块57-62
• 5.1.1 硬件SDIO57
• 5.1.2 SD协议的实现57-59
• 5.1.3 文件系统的移植59-61
• 5.1.4 应用层61-62
• 5.2 U盘模块62-63
• 5.3 本章小结63-64
• 第六章 功能测试和打印试验64-69
• 6.1 温度控制测试64
• 6.2 电机运动测试64-66
• 6.3 打印试验66-68
• 6.4 本章小结68-69
• 第七章 总结与展望69-71
• 7.1 总结69
• 7.2 展望69-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-75

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