基于PCIE总线3D打印机运动控制系统设计
黄文柯+王凌增+崔家园+路璐
【摘要】 针对当前3D打印机打印控制为通讯电缆有线方式的情况，本文基于3D打印机与移动终端设备无线连接的技术方案，通过在3D打印机搭载WiFi模块后，使手机APP具有控制3D打印机的打印功能。通过对基于APP的3D打印机控制系统设计与实现，改善了3D打印机打印方式；通过合理选择3D打印机组成器件，降低了3D打印机的制造成本，为3D打印机的广泛应用奠定了基础。
【关键词】 3D打印机 无线打印 APP WiFi
一、研究背景
目前，市场上主流的3D打印机性能不错，打印精度高——产品达到预期效果。但在使用和应用上仍存在一些问题，首先是使用不方便，每次打印都要使用通讯电缆连接，如果要实现无线打印，则要付出更为昂贵的代价；其次3D打印机价格昂贵，不利于廣泛应用。因而自制一台价格低廉的具有APP功能的3D打印机就有着重要的应用价值。为此我们重点从以下方面开展工作：
（1）成本因素：对于普通个体用户来说，3D打印机的使用成本仍然很高。因为市场上的3D打印机的价格不菲，而自制一台价格相对来说会便宜一些且具有较高实用性的3D打印机会显得非常有价值。
（2）设计自由：3D打印能给人们巨大的生产自由度。人们可以高度自由地想象物品的外形，然后通过STL数据文件格式通过3D打印生成。
（3）打印灵活：在实际生活中，人们会更想把一个过程变得趋于简单化。因此，从有线网络的基础上衍生出了无线网络。打印机也是如此，数据线的连接显得繁杂琐碎，抛开有线的连接，采用基于APP的WiFi连接方式会显得更加便利一些。
综上所述，我们自制一台价格低廉的具有APP功能的3D打印机就有着重要的应用价值。
二、3D打印机原理说明
3D打印技术是指在实际打印过程中，以STL文件为代表的数据文件为基础，通过X.Y.Z轴的移动并同时挤出熔化的可粘合材料来逐层打印粘合物来制造三维产品。熔化的可粘合材料由挤出头管道送出，其打印过程在加热床上完成，挤出头和加热床需保持一定温度，以保证材料不会瞬间凝固其上，导致堵塞和影响打印精度，其中温控系统负责控制温度恒定。
三、3D打印机硬件设计
3D打印机主要由外形体、驱动系统、WiFi模块、加热系统、温控系统等五个主要部分组成。
（1）外形体采用龙门式，利于加工各种形状器件；
（2）驱动系统采用两相四线42系列步进电机和A4988驱动芯片ramps1.4+mega2560电机控制驱动板；
（3）APP功能中WiFi模块则采用Rm04作为主控芯片；
（4）加热系统中加热元件主要为加热棒和加热床；
（5）温控系统主要分为温度控制器和温度检测元件两部分。
3.1外形体支架的形体选择
在设计固定支架过程中，我们考虑了市场上多种固定支架形式，其中主流有长方体、三角洲结构、龙门式等。由于我们是手工制作，更注重打印时候的整体稳定性，因此我们采用了龙门式支架，而且更加节省材料。
3.2驱动系统步进电机及其芯片、控制驱动板的选择
3D打印机是通过步进电机驱动电路控制X.Y.Z这三个轴的原点和运动相对位移量来实现三维打印。所以，我们在这三个轴上安装了步进电机及其驱动电路和履带。至于步进电机，选择两相四线42系列；驱动芯片：最大有16细分的A4988，其最大输出电流为2A。至于电机控制驱动板，则是采用ramps1.4+Arduino mega2560来进行驱动，电路图如图1、图2所示。
3.3 APP功能中WiFi模块选择
通过搭载以Rm04为主控芯片的WiFi模块，将移动端的数据文件存储到SD卡中，打印数据存储完之后，控制器接收到打印命令后开始打印，主控芯片电路图如图3所示。
3.4加热系统中加热元件及其工作原理
（1）加热棒
加热棒中的螺旋电热丝与引出棒位于金属护套管的中央，螺旋电热丝穿在无缝金属管内，间隙处均匀填充着导热且绝缘的氧化介质，经过压缩使氧化物介质密实后，空气与之隔绝，而且中心位置不会偏移碰到管壁。这样，发热量就大幅增加，并延长了使用寿命。
（2）加热床
加热床是不可或缺的部分，实际工作时，要维持一定温度以免挤出的材料与工作台接触时因温差太大，材料发生形变影响产品质量。因此，在工作前要先对加热床进行适当加热保证材料成型的稳定性。
3.5 温控系统及其工作原理
温度控制器和温度检测元件所构成了3D打印机的温控系统。两路温度传感器通过CPU片内A/D转换通道分别检测挤出头和热床温度，CPU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，结合温度传感器来控制挤出头和热床温度。在实际打印过程中，要维持挤出头和热床温度基本不变。打印材料不同，保持的温度值也大不相同。在电路中温度检测这一步骤，MAX6675数字温度转换芯片先读取热敏电阻的温度再转换为十进制量，最后由Mega2560读出。挤出头和热床温度可根据具体使用环境确定实际温度值[1]。图34所示为测温电路图。
四、3D打印机、手机、平板端APP软件设计
移动终端的APP应用程序主要实现以下功能：选择并确认3D打印数据文件、3D打印机的工作状态显示以及打印机是否已连接WiFi等。APP通过WiFi读取终端STL格式文件，显示并设置设备的挤出头/接收头温度、热床温度、所用材料类型及使用量。图5为基于APP的3D打印控制方案。
4.1 3D打印机软件设计
3D打印机软件工作流程如图6所示。
4.2 手机、平板端APP软件设计
图7为手机、平板端APP软件设计页面。
五、 结语
手机、平板电脑等移动设备终端已经成为了日常必备品，这些产品都带有WiFi无线传输功能。本文分析基于APP的3D打印机利用移动端APP来实现通过WiFi控制3D打印机，进行打印对象的选择、传输及打印控制。有了WiFi操作，3D打印机就不再局限于电脑操作，使用更方便灵活；通过节省了成本。在今天，3D打印被越来越多的人所认识所接受，它颠覆了传统，释放了人们超凡想象力，重新定义了“制造”和“智造”概念。未来人们可以随心所欲地在家打印出自己想要的东西。在消费电子、航空和汽车制造等行业，3D打印可以较低的成本和较高效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型；在医疗领域，3D打印被用于制作人体器官的替换材料等。精密化、智能化、通用化以及便捷化是3D打印机的未来发展方向。
参 考 文 献
[1]袁夫全，杨立宏. 基于wifi的无线3D打印机控制器设计[J]. 电子技术.2015（12）：79-81
[2]张自强.基于FDM技术3D打印机的设计与研究[D].长春：长春工业大学.2015.
[3]彭波，郑海忠，李淑贤，梁龙，韩宇，詹福南.浅析3D打印机常见问题[J]. 黑龙江科技信息.2015（16）：153-154
[4]赵峙岳，朱宁西，贺翔.基于WiFi无线网络的嵌入式打印终端的设计[J].电子产品世界.2010（11）：37-39
[5]陈剑，陈华政.基于Android平台的无线打印模块设计[J].单片机与嵌入式系统应用.2013（08）：67-69
