摘 要

针对多喷头3D打印装备对运动控制系统多电机的扩展及运动协调性的需求，研究能够支持多材料3D打印的多打印喷头、多进料装置协调运动控制的硬件电路及固件设计方法，完成控制系统软硬件设计，并集成测试。主要完成工作如下：

（1）多喷头3D打印控制系统的分层结构模型研究。分析3D打印机控制系统普适性与扩展性的基本要求，基于RepRap框架，设计底层无关的功能封装分层结构模型，；基于3D打印的Gcode文件，描述在结构模型中的执行过程；在此基础上，提出多喷头3D打印多运动机构的控制系统扩展方法。

（2）多喷头3D打印控制系统硬件设计。基于分层结构模型，分析多喷头3D打印装备对硬件扩展的需求，对控制系统进行分模块电路设计与硬件集成，完成控制系统的硬件电路板设计与加工。

（3）多喷头3D打印机运动控制方法的研究。基于分层结构模型，针对多喷头3D打印装备的运动控制需求，研究支持不同运动扩展的电机识别、速度运动控制、关联扩展方法，完成控制系统的固件设计与实现。

（4）多喷头3D打印控制系统的测试与应用。基于上述硬件与固件设计，对运动扩展指令进行测试，并在碳纤维复合材料3D打印机和水泥3D打印机上进行应用，验证系统的可行性。

通过以上研究，为多喷头多运动机构的3D打印装备实现奠定基础。

关键字：3D打印；多喷头；分层结构；运动控制；多运动扩展

Abstract

Aiming at the requirement of multi-nozzle 3D printing equipment for the expansion and motion coordination of multi-motors in motion control system, research on multi-printing nozzles capable of supporting multi-material 3D printing, hardware circuit and firmware design method for multi-feed device coordinated motion control, complete control System software and hardware design, and integration testing, the main work is as follows:

(1) Research on hierarchical structure model of multi-nozzle 3D printing control system. Analyze the basic requirements of universality and extensibility of 3D printer control system, design the underlying unrelated function packaging layered model based on RepRap framework, and describe the execution process in structural model based on 3D printing Gcode file; In the above, a control system expansion method for a multi-nozzle 3D printing multi-motion mechanism is proposed.

(2) Multi-nozzle 3D printing control system hardware design. Based on the hierarchical structure model, the requirements of multi-nozzle 3D printing equipment for hardware expansion are analyzed. The sub-module circuit design and hardware integration of the control system are completed, and the hardware circuit board design and processing of the control system is completed.

(3) Research on motion control methods for multi-nozzle 3D printers. Based on the hierarchical structure model, the motor identification, speed motion control and associated expansion methods supporting different motion extensions are studied for the motion control requirements of multi-nozzle 3D printing equipment, and the firmware design and implementation of the control system is completed.

(3) Testing and application of multi-nozzle 3D printing control system. Based on the above hardware and firmware design, the motion extension instructions were tested and applied on carbon fiber composite 3D printers and cement 3D printers to verify the feasibility of the system.

Through the above research, lay the foundation for the realization of 3D printing equipment for multi-nozzle and multi-motion mechanism

Key Words：3D printing;multi-nozzle; hierarchical structure;motion control; Multiple motion extension

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1多喷头3D打印机研究目的及意义 1

1.2相关领域国内外研究现状 1

1.3论文组织结构与主要研究内容 3

1.3.1论文组织结构 3

1.3.2论文主要研究内容 4

第2章 3D打印机控制系统的框架模型 5

2.1多喷头3D打印机控制系统的基本要求 5

2.2控制系统分层结构框架模型 6

2.3控制系统类模块分析与设计 7

2.4 3D打印机的运动控制流程 9

第三章 多喷头3D打印机的控制系统硬件电路设计 12

3.1MCU核心电路单元 12

3.2电机驱动电路单元 13

3.3温度控制电路单元 15

3.3.1 PID温度加热 16

3.3.2 过采样温度数据的抽取采集 17

3.4网络通信单元电路 18

3.5硬件控制电路集成 19

第四章 多喷头3D打印机的运动控制方法研究 20

4.1 3D打印机的运动控制与速度控制算法 20

4.1.1基于Bresenham的运动控制算法 20

4.1.2基于梯形曲线的速度控制算法 21

4.2多喷头3D打印机的不同功能电机支持与扩展方法 24

4.2.1轴电机支持与扩展方法 25

4.2.2挤出电机支持与扩展方法 26

4.3多喷头3D打印机的指令及文件识别响应方法 27

4.3.1指令识别响应方法 27

4.3.2轴电机回零响应方法 28

4.4多喷头3D打印机的多运动形式扩展方法 29

4.4.1运动关联扩展方法 29

4.4.2非运动关联扩展方法 30

第五章 多喷头3D打印机运动控制测试与应用 32

5.1实验准备 32

5.2实验现象及效果 32

5.2.1扩展运动的指令及驱动测试 32

5.2.2多喷头运动控制在水泥打3D印机上的应用 35

5.2.3多喷头运动控制在碳纤维3D打印机上的应用 36

第六章 总结与展望 38

6.1本文工作总结 38

6.2后续工作展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1多喷头3D打印机研究目的及意义

3D打印本质是增材制造(Additive Manufacturing,AM)，也被称作层式制造(Layered Manufacturing,LM)或快速成型(Rapid Prototyping,RP)技术，通过液体、固体粉末、记忆合金等材料逐层累积构造三维模型^[1] ，与传统的减材加工”技术（如车床加工）相比，3D打印采用“增材加工”后，能够生成复杂模型，会有效避免材料浪费，将大大缩短研发周期，提高生产效率，降低生产成本^[6] 。因此，3D打印技术受到各个行业的广泛关注。

随着3D打印技术的发展，单一喷头单一材料的打印已经难以满足需求；多材料3D打印能够综合利用多种材料的优势，进行更丰富的产品制造甚至性能梯度制造，是目前的研究热点。而多喷头的运动控制是支持多材料3D打印的基础。3D打印控制系统包括进料控制、工艺条件控制、位移控制、传感检测等，其中进料、位移都属于运动控制，进料控制决定着材料种类与进料速度，位移控制决定着成型路径与成型精度。运动控制需要协调多个运动机构、以及运动机构与其它系统的关系，同时能够保证运动系统的维度、容量，在整个控制系统中起到核心作用。因此，需要设计具有扩展性与运动协调性的控制系统，才能支持多喷头多材料3D打印装备的使用需求。