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摘要：3D打印技术被认为是人类继十九世纪的蒸汽时代和二十世纪的电气时代之后的第三次历史性突破。积极研究3D打印技术，努力开发与设计制造可以转化为实际生产力的3D打印机是生产力发展的需要，也是我国科技兴国、技术进步的需要。本文对国内外3D打印技术研究现状进行了归纳，就实现互联网+高精度3D打印机的控制器设计，给出了具体实现原理及程序流程，对电机和主控制器实现了参数优化，提高了打印的精度、速度和质量。
关键词：3D打印；无线打印；互联网+；电机
1.国内外3D打印技术研究现状
1.1国外研究现状
早在1986年，美国得克萨斯州州立大学的学生便发明了世界第一台选择性激光烧结3D打印机。此后的几个世纪，美国在3D打印技术的研究与发展已经比较成熟，相应的科研成果也逐步进入市场化，形成了基本的产业链结构。随后，德国、日本、加拿大等国家也相继开始了3D打印技术的探索并取得了突破性的进步。美国发明了世界第一台3D打印混合动力车，德国将3D打印技术应用到汽车零件设计中，并已投入到实际地批量生产中。
但是3D打印技术在创新理念开发后的更加深入的优化研究领域的发展速度仍然比较缓慢。虽然3D打印技术可以让设计师把更加复杂、天马行空的设计方案得以实现，并能够大大的缩短设计和生产周期，但是相对而已言，3D打印机技术在行业中的造型设计上并没有特别耳目一新的颠覆性突破。3D打印尚处于技术发展探索和完善阶段，大多数的应用都是技术层面上的突破。
1.2国内研究现状
3D打印技术在中国的起步并不是算晚，中国目前对3D打印技术的重视程度已上升至战略性高度，政府出台了一系列相关的发展计划，以支持3D打印技术在各种行业尤其是高精度，尖领域的核心关键技术的研发和推广。与此同时，大中型企业也开始重视3D打印技术，从而提高其在个性化定制服务方面的竞争优势。总之，中国目前大到整个国家的宏观战略布局，抑或地方区域性经济转型发展需求，再到各企业综合实力升级的要求上，都对3D打印行业的重要意义有了明确的认识。
但是，中国制造业主导的特殊经济模式限制了3D打印技术的快速发展。目前国内对3D打印技术的研究多存在于各大高校或科研机构中，我国3D打印技术仍然存在低精度，速度慢的缺陷，其实际应用也处于初级阶段，尚没有形成完整的产业链结构。
2.基于互联网+高精度3D打印机控制器设计
2.1.设计背景
针对目前的3D打印机精度不高、速度慢而且采用有线方式打印，需要电脑设备不方便携带的问题，笔者设计了一种可以利用手机、平板等移动端安装App应用软件实现移动设备WiFi无线控制3D打印机进行打印的控制器。通过移动端App软件进行打印对象的选择、传输及打印控制。有了WiFi操作，3D打印机就不局限于在电脑上操作，方便了用户使用，节省了使用成本。而且通过对3D打印机的参数优化及步进电机的控制改进，不仅提高了3D打印机的精度，也提高了打印速度。
2.2整体设计方案
通过电脑或手机的建模软件生成实体模型，然后生成立体印刷的SLT文件，导入开源软件（如Cura）中生成设备控制器可识别的G代码。然后我们用无线通讯或者是USB接口进行上位机与下位机的连接。采用Arduino作为主控制器，让其驱动加热装置把材料融化同时驱动四个步进电机来控制材料位置的变化，进行打印。如图所示：
控制器的核心是Arduino2560主控制器，控制系统主要完成接收WiFi模块和USB传输的数据；读取移动控制端内存放的3D模型数据文件，完成对步进电机的控制；挤出头和热床的温度控制；挤出头行程控制等。
通过手机上的WiFi将打印数据和命令传输到3D打印机控制器进行打印控制，3D打印机控制器也会将挤出头及热床温度、打印机当前状态等信息传输到手机端进行显示，方便用户查看。3D打印机控制器通过WiFi模块接收数据文件存储到SD卡中，打印数据存储完成后，当控制器接收到打印命令后就可以开始打印了。两路温度传感器经CPU片内A/D转换通道分别检测挤出头和热床的温度；CPU的两路数字信号输出分别控制挤出头和热床加热电路的NMOS功率开关管，结合温度传感器实现挤出头和热床温度的控制；四路步进电机驱动电路分别控制X、Y、Z这3个轴的步进电机以及挤出头的步进电机；三路行程开关定位X、Y、Z轴的原点和运动相对位移量。
3.3D打印机电机与主控制器的选购
3.1电机的选购
通过查阅相关文献和各种电机的步距精度、工作温度、最大负载、最大环境温度等参数，最后综合打印机的精度需要和采购成本，笔者选取了42步进电机作为驱动模块，其基本参数如图所示。
选取42步进电机的理由是：第一，步距值不受各种干扰因素的影响。如电压的大小，电流的数值、波形、温度的变化等。第二，误差不长期积累。步进电机每走一步所转过的角度与理论步距之间总有一定的误差，从某一步到任何一步，也总有一定的累积误差，但是，每转一圈的累积误差为零，所以步距的累积误差不是长期的累积下去。第三，控制性能好，启动、停车、翻转都是在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运动方式都不会丢失一步。
3.2主控制器的选购
本设计要求控制器处理能力强，可以对电机进行高精度控制；搭建系统简单，用户上手开发容易；可扩展性能好，可以外接大部分外围设备；价格低廉，在市场上应用广泛。目前市面上主要用的控制器有单片机、PLC、Arduino等。综合以上的要求，笔者选用Arduino作为主控制器。它是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。
在组装时，先把驱动芯片安装在控制器上，然后用杜邦线把与驱动芯片相对应的步进电机连接起来，最后在把散热风扇安装在开发板的散热片上方，用螺母把热床固定在安装的导轨上，然后把杜邦线插在电源模块中。
4.结语
在设计基于互联网+高精度3D打印机控制器的过程中，笔者努力对现有的3D打印机在使用过程中存在的不足加以改进和补充。随着手机、平板电脑等移动终端的普及，采用移动终端对3D打印机进行控制是未来3D打印机的发展方向。
参考文献
[1]郭日阳.3D打印技术及产业前景[J].自动化仪表，2015（03）：5-8.
[2]吴怀宇.3D打印：改变世界的新机遇新浪潮[M].电子工业出版社，2014.01
论文作者:姜立功
论文发表刊物:《电力技术》2016年第11期
论文发表时间:2017/3/1
标签：打印机论文; 控制器论文; 技术论文; 步进电机论文; 互联网论文; 精度论文; 误差论文; 《电力技术》2016年第11期论文;