摘 要

我国3D打印机市场虽日渐繁荣，但完全自主研发并进行量产的3D打印机品牌几乎没有，且在速度、精度和尺寸等方面还未能令人满意。同时作为一个开源电子原型平台，Arduino由于其编写简单，灵活易携等特点，正逐步成为3D打印机的主流开发环境。

首先，对3D的打印技术的成形历程与技术手段有了相当的了解，在综合考虑不同的打印技术的前提下，选用了典型的FDM的打印方式来结合臂式机器人结构进行开发。然后对臂式3D打印机的硬件结构进行设计，包括各个结构的基本组成和传动系统。同时也对打印机的软件平台——Arduino开源平台做了简要介绍，在选取了 Arduino开源平台作为开发环境后，对Arduino开源平台进行了深入的学习。

其次，结合已有的臂式3D打印机控制系统硬件设计以及运动学分析成果，为了设计合理的打印机系统，在臂式结构的约束下设计了符合其特征的3D打印进给系统、进丝系统和加热系统硬件结构。完成硬件结构设计后分别对主板控制器的主程序、机械臂进给系统、进丝系统和加热系统等的软件实现进行了程序设计。

最后，在整机装配完成后，通过温度测试和打印调试对本论文研究设计的硬件结构和程序设计有了更深的认识。同时，根据测试结果对整个论文设计进行总结与展望，并做了经济性和可行性分析。

关键词：臂式机器人；Arduino；3D打印；控制系统

Abstract

Although the 3D printer market in our country is prospering day by day, there is almost no 3D printer brand that has been independently developed and mass-produced, and its speed, accuracy, and dimensions is not satisfactory. At the same time as an open source electronic prototyping platform, Arduino is gradually becoming the mainstream development environment of 3D printers because of its simplicity of writing, flexibility and portability.

First of all, there is a considerable understanding of the forming process and technical means of 3D printing technology. Under the premise of comprehensive consideration of different printing technologies, a typical FDM printing method is selected to combine the arm robot structure for development. Then the hardware structure of the arm type 3D printer is designed, including the basic composition and transmission system of each structure. At the same time, it also briefly introduced the Arduino open source platform for the printer's software platform. After selecting the Arduino open source platform as the development environment, I studied the Arduino open source platform in depth.

Secondly, combined with the existing arm 3D printer control system hardware design and kinematics analysis results, in order to design a reasonable printer system, a 3D print feed system, a wire feed system and heating system hardware structure are designed under the constraints of the arm structure. After completing the hardware structure design, the software design of the main program of the mainboard controller, the robot arm feeding system, the feeding system, and the heating system was performed.

Finally, after the complete machine assembly is completed, I achieved a deeper understanding of the hardware structure and program design of this thesis's research and design through temperature testing and print debugging. At the same time, according to the test results, the thesis's design is summarized and prospected, and economic and feasibility analysis is done.

Key words：Arm-type robot; Arduino; 3D printing; Control system

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2 本论文研究内容 3

第2章 Arduino应用开发方法分析 5

2.1 Arduino的基本原理 5

2.2 Arduino开源平台的特点 6

2.3 Arduino开源平台用于3D打印控制的开发分析 7

第3章 机械臂3D打印机控制系统的硬件设计 8

3.1 机械臂3D打印基本工作原理及硬件结构 8

3.1.1基本工作原理 8

3.1.2硬件结构 8

3.2 机械臂3D打印机进给系统 9

3.3 机械臂3D打印机进丝系统 10

3.4 机械臂3D打印机加热系统 11

3.5 机械臂结构及运动学分析 12

3.5.1机械臂结构分析 12

3.5.2机械臂运动学分析 13

3.5.3运动轨迹规划 14

第4章 机械臂3D打印机控制系统软件设计与实现 15

4.1 控制器结构设计 15

4.2机械臂3D打印机控制系统程序设计 16

4.2.1机械臂3D打印机控制系统主程序设计 16

4.2.2机械臂3D打印机进给控制系统程序设计 17

4.2.3机械臂3D打印机进丝控制系统程序设计 17

4.2.4机械臂3D打印机加热控制系统程序设计 18

4.3 实验调试及结果分析 20

4.3.1整机装配 20

4.3.2参数预设 20

4.3.3电机运行及加热头温度测试 22

4.4 结果分析 23

第5章 总结与展望 25

5.1 全文设计总结 25

5.2 经济性与环保性分析 25

5.2 展望 26

参考文献 27

附录 28

代码块1 28

代码块2 29

代码块3 31

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

制造技术多元发展地如今，企业在开拓市场中认识到良品率的同时也逐步认识到成品速率和新产品研发的重要性，能够先人一步投放新产品并立下良好的口碑可以很好巩固企业的优势。在追求这个理念基础上，人们试图开辟一种新的所见即所得的制造技术，将设计到生产的时间最大限度缩小并获得良好的产品，这就是增材制造技术，俗称3D打印。从这一技术概念的提出，人们对其的探索与改造就从未停止过。目前能够符合人们预期要求的3D打印技术有很多，如SLA立体平版印刷^[1]、SLS选择性激光烧结^[2]和LOM叠层制造法^[3]等。此外，3D打印的生产过程也值得称道，一个成熟的3D打印系统具有成型速度快、成型件的精度高及过程无污染、方便在室内使用等优点。得益于此，3D打印技术在成品速率、设备优化、机体维护等方面既有显著的优势也有深远的进化空间^[4]。

第二次世界大战末期，人们尝试研究某种机械结构以取代人力操作，机器人的概念就此产生，从假想到实现再到进化，经过研究者数十载的努力，机器人学已俨然进化为一门盘根错节联系广泛的学说，而不仅是某种工业生产手段。可以说，当今及以后的世界必将是一个大大依赖于机器人智能生产的世界，就目前看来它就已经充分应用在机械制造业、农业生产、医疗卫生、航天工程等行业。在这些成果的基础上，可以概括出其主要发展空间：机器人动力学和运动学、传感器技术、轨迹规划、智能控制等。机器人可总结为具有一定智力的自动化特殊设备，能完成如协同合作、项目规划和动作执行等操作，所以，机器人是具有前沿高科技的多学科发展成果^[5]。