基于 Cortex的智能3D打印机设计

北京联合大学城市轨道交通与物流学院 肖鹤鹏 谢鑫龙 孙博辉

北京联合大学工科综合实验教学示范中心 许汇冬

1.总体框架

本设计的目的是研究一个能够链接网络，具备无线传输，可实现人机交互功能的的一款智能3D打印机。以实现自动化智能技术在3D打印机上的应用。该款3D打印机以F103ZET6为核心的的CPU构成主控系统，辅助以X,Y,Z,轴框架系统，电机驱动系统，温度控制系统，转速控制系统，无线网络系统，触摸屏操作系统，供电系统构成分系统。可采用WIFI技术与上位机通信进行数据传输并进行监控，每个分系统之间相互独立，互不干扰。由供电系统为3D打印机各个分系统提供运行所需的能量；电机与驱动电路构成动力系统为3D打印机提供动力，温控器为3D打印机提供温度控制；XYZ轴打印机系统的基本框架；触摸屏可以简单的调试3D打印机各个部分的运动，更好的进行人机交互。由于实验环境所限，本文仅对此系统进行简单说明以及设计，并且给出一个简单模型。其系统整体框架图如图1.1所示。

图1.1 系统整体框架

2.下位机设计

2.1 电机控制

电机驱动的设计方案为多个电机同时工作，用了PID算法对其进行控制。PID调试就是根据给定的偏差值，按照比例函数、积分函数、微分函数关系进行计算,将计算出的成果用来执行控制,将基本PID 算式离散化可得到位置型PID 算法进行控制,对位置型PID 进行调动可获得增量型PID 算法。选择了增量型的算法来解决步进电机的转停和对位置的校正。

电机驱动方面选择7TCSM4210微型步进电机驱模块进行驱动。

通过改变其驱动芯片输入引脚高低电平的状态，对步进电机进行正传，反转以及转速的控制。

2.2 WIFI通信控制

本设计在3D控制上面添加了一个WIFI通信模块，使得无线网络与3D打印件进行了融合，形成一个具有无线操作功能的智能3D打印机统.先要对其进行通信协议的编写。首先要RLC（链路控制）上层主要实现对RLC低层处理数据每个部分的分割和重组、加密和解密、传输差错控制和各种数据逻辑链路的创立、释放、配置等功能。RLC子层由多个RLC实体和控制实体组成。本模块支持通过指定信道号的方式来进行快速联网。无线联网过程中，首先对当前的所有接收到的信号进行一次扫描，搜索准备连接的目的AP创建的无线网络。串口WIFI模块提供了设置工作信道的参数，在已知目的网络所在信道的条件下，直接指定模块的工作信道，从而达到加快联网速度的目的.在已经建立好的局域网中让打印机与PC进行无线连接，完成通信协议的编写以及无线网络的传输。

通过WIFI芯片AR9331装在3D打印机上，使用该芯片的WIFI模块进行数传。该WIFI模块主芯片采取骁龙旗下的Atheros AR9331芯片处理方法，是第一代超小超低功耗依靠802.11n协议的微型单天线芯片，CPU主频达400MHz以上，采用MIPS架构。该模块符合国际标准的802.11 b/g/n协议，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK和QAM基带调制技术，能够试用各种路由器以及无线网络设备的局域网路。最大连接速率可达150Mbps。

2.3 触摸屏设计

本次3D打印机设计引入的是FG结构的4/8线电阻式触摸屏，触摸屏的界面和语言设计，使用了BMPtoBIN软件进行页面设计，以及语言的设定。设定好之后对其进行操作看打印机是否按照指令工作。

3.底层程序设计

基于STM32的控制板对整体的零部件进行控制，3D打印机底层控制程序模采用模块化编程思路，将每个功能独立为单个函数模块，分配给单片机的I/O口后，将每个功能单独编写函数，最后将模块进行组合，完成底层程序的设计。如图3.1所示:

图3.1 底层程序设计图

4.打印机软件

打印程序用STL文件转换成打印机可以读取的gcode.代码文件，并将该程序文件的数据信息通过WIFI网络传输到3D打印机芯片。3D打印机快速固件辨认此3d数据信息，通过芯片控制来进行打印各部分的执行指令做出相应的指令动作。

图5.1 控制流程图

使用一套通用的3D打印机程序与打印机固件实现交互通讯，输入的文件格式现在仅有STL图形文件，绝对多数的3D设计软件文件格式为STL，再将其转换成gcode程序文件做打印文此，因为设计师需要用额外的切片软件来转换gcode输出文件来制作的3D模型。

5.控制流程

首先，将打印的文件格式转换成gcode.格式文件，因为打印机无法识别图片只能识别程序文件。其次3D打印机终端对WIFI、步进电机及加热头等模块初始化完成后，开始等待PC端发出的打印命令。一旦PC端发出打印命令，3D打印机信号端接收到命令后，开始识别并且数据，为节约时间，在识别打印数据的同时，对挤压头及热床准备预热。当检测到数据接收完成，热度等达到预设值后，启动打印，并将打印速率、挤压头及热床热度值等信息实时回传到无线终端的应用软件上呈现出来，直到打印完成。控制流程图如图5.1所示。

6.调试结果

本设计将3D打印机与WIFI通信，触摸屏，进行了融合，形成了一套可以实现网络传输，监测3D打印机打印的情况，还可以直接通过触摸屏对打印机进行操作，是之前复杂操作变得更加便捷。在主板上扩展了SD卡存储模块，可以将想打印的文件存储到SD卡中，可以省去PC端的有线连接，也省去随时带着电脑去进行复杂操作。插好SD卡后，用触摸屏对卡内的文件进行选择操作开始打印。触摸屏的增加使得这些操作更加的便捷省去了一些物理按键的繁琐控制，让打印机的操作更加便捷，工作原理更加的智能化.经过这些对原有的打印机升级改造，让其更加智能化。经过城市间的调试和改造，打印机可以按照自己想要的打印速度去工作，而且做到共享打印的效果。

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