摘 要

针对3D打印设备对切片控制功能一体化以及系统的便捷及友好性需求，基于树莓派的raspbian系统研究B/S架构Web系统开发原理、切片控制一体化集成方法及切片控制算法数据的前后台交互机制，完成切片控制一体化系统软硬件设计，并集成测试。主要完成工作如下：

1. 切片控制一体化需求的分析。分析切片控制一体化的需求，在此基础上确定切片控制一体化系统的设计目标，并从系统功能需求和性能需求两方面完成对系统整体需求的分析。
2. 切片控制一体化系统关键技术的研究。研究切片的实现原理，将引擎工作流程分为五个环节，并对这些环节的实现过程进行具体分析；基于RepRap固件系统，研究底层固件的控制原理，将固件的控制分为四个环节并分别介绍这四个环节在固件系统内部的实现方法；基于切片控制一体化总体流程，分析一体化流程中的数据传输与交互，完成从模型输入到设备驱动的一体化流程说明。
3. 切片控制一体化系统的设计与实现。基于raspberry pi 3b 和Web系统开发原理，进行系统软硬件总体框架设计。基于bootstrap前端开发框架，研究dialogs模块的隐藏与触发机制，分析前端触发原理；基于flask框架，分析前后台数据交互原理。在此基础上，设计并实现各个功能模块的前端触发和前后台交互算法并解析相关后台逻辑。
4. 切片控制一体化系统的测试与结果分析。基于上述关键技术与系统分模块设计的实现，明确测试环境结构，介绍树莓派软件系统的接口组成；对切片控制一体化系统进行分模块测试，并基于cura和simplify3D软件对测试结果进行详细分析，测试结果证明了系统的可行性。

关键字：3D打印；B/S架构；切片控制一体化；数据交互；分模块；

Abstract

In order to meet the requirements of desktop 3D printing equipment for the convenience and hospitality in slicing control function integration system, based on the raspberry pie raspbian system B/S architecture Web system development principle, design method of the human-computer interaction interface and data section control algorithm of Taiwan before and after interaction mechanism, integration of chip control system hardware and software design, and integration tests. The main tasks are as follows:

1. Design the overall scheme of the system of slice and regulate The design objective of integrated control system for slicing was clarified. Analyze the system requirements from features and performance. Based on the design objectives analysis and design system structure and describe the system workflow; On this basis, analyze and select the system development scheme.
2. Research on the key technologies of the integrated system of slice control. The realization principle of slicing is studied, the working process of engine is divided into five parts, and the realization process of these parts is analyzed concretely. Based on the RepRap firmware system, the control principle of the underlying firmware is studied. The control of the firmware is divided into four parts and the implementation methods of these four parts in the firmware system are introduced respectively. Based on the integrated overall process of slice control, the data transmission and interaction in the integrated process were analyzed, and the integrated process description from model input to device driver was completed.
3. Design and implementation of integrated control system for slice. Based on Raspberry Pi 3B and Web system development principle, the system software and hardware framework is designed. Based on bootstrap front-end development framework, the hiding and triggering mechanism of Dialogs module was studied, and the principle of front-end triggering was analyzed. Analyze the principle of front and background data exchange based on flask framework. On this basis, the front-end triggering and front-end and back-end interaction algorithms of each functional module are designed and implemented, and the relevant back-end logic is analyzed.
4. Detect and result analysis of the system of slice and regulate. Based on the above key technologies and sub-module design, the interface composition of raspberry PI software system is introduced. The chip control integration system was tested in modules, and the test results were analyzed in detail based on Cura and simplify3D software to verify the feasibility of the system

Key Words：3D printing; B/S architecture; Slice and control integration; Data interaction; Divided module;

目录

第1章 绪论 8

1.1研究背景及意义 8

1.2相关领域国内外发展现状 8

1.3论文组织结构与主要研究内容 10

1.3.1主要研究内容 10

1.3.2本文组织结构 11

第2章 3D打印切片控制一体化需求分析 12

2.1 3D打印切片控制一体化需求 12

2.2 3D打印切片控制一体化系统需求 12

2.2.1系统设计目标 12

2.2.2系统功能需求 12

2.2.3系统性能需求 14

2.3本章小结 15

第3章 关键技术分析 16

3.1 3D打印切片引擎工作流程 16

3.2 3D打印固件控制 17

3.3 3D打印切片控制一体化集成 18

3.4本章小结 20

第4章 3D打印切片控制一体化系统设计与实现 21

4.1系统总体框架设计 21

4.1.1系统硬件 21

4.1.2系统软件总体框架 22

4.1.2.1系统网络结构模式 22

4.1.2.2系统前端开发框架 23

4.1.2.3系统前后端交互框架 24

4.2系统功能模块 26

4.2.1 3D模型切片模块 26

4.2.2 3D打印控制模块 28

4.2.3 3D打印切片控制交互模块 31

4.3本章小结 32

第5章 系统测试与结果分析 33

5.1测试平台搭建 33

5.2系统功能测试 34

5.2.1 3D模型切片模块测试 34

5.2.2打印控制功能测试 36

5.2.3 3D打印切片控制交互测试 37

5.3本章小结 38

第6章 总结与展望 39

6.1全文总结 39

6.2后续工作展望 40

参考文献 41

附录 44

致谢 47

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

根据加工需求的不同，目前3D 打印机大体有工业级和桌面级两类^[1]，工业级 3D 打印机主要用于大型零件的加工，由于其加工调试的复杂性，一般不会用于个性化定制而主要应用于工厂的大批量生产以及快速制造^[2]。桌面级 3D 打印机在结构上较工业级打印机简单，适合个性定制，其主要对象为个人消费者^[3]，传统的桌面 3D 打印机系统虽然可以实现基本的打印控制功能，但是并不能离开电脑独立运行，它的切片处理过程必须在电脑上进行^[4]，利用PC引擎对3D模型进行路径规划同时将gcode数据流通过串口发送至打印机主板，这种切片流程依赖电脑的局限，一方面会造成使用者一定程度的操作不便，另一方面其复杂的交互流程对于非专业的用户并不友善。

考虑到传统桌面3D打印中存在的问题，本文提出研发一种桌面 3D 打印机系统，该系统基于树莓派的raspbian系统实现并将切片控制算法进行一体化集成，无需外接计算机，系统界面用LCD屏显示，用户可直接对屏进行操作完成切片过程并控制打印机。系统不仅支持打印机的步进控制、回零控制以及温度控制，其友好的交互界面设计对于非专业人士也较为友好。换句话说，3D打印作为一种可以自由成形的新型增材制造技术，可以结合平板或手机等移动设备便携易操作的特点并将其用于3D打印，提高用户打印乐趣，增强了3D打印对于普通用户的可操作性，提高了用户的体验。因此，集成切片控制功能的桌面级3D打印机系统的设计可以满足公众需求，并极大地影响3D打印技术的普及，具有重要的研究价值。