便携式3D打印机的制作方法

本发明属于打印技术领域，特别是涉及基于球坐标系原理而设计的小型便携式3D打印机。

背景技术：

3D打印技术，是以计算机三维模型设计为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴灯方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制作出实体产品。在医疗行业、模具制造业、建筑业、影视业、教育业等行业里快速发展。但是目前市面上的3D打印机多基于直角坐标系的建模技术，这就导致了市场上的打印机的体积都比较庞大，不能做到用户便利的携带，因此不能做到现场办公的能力。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种体积小，可以随身携带的便携式3D打印机。

本发明的角控制臂是由两片构成，在两片角控制臂之间通过θ角角度控制轴安装有θ角控制臂，在θ角角度控制轴上安装有θ角角度控制编码器，在θ角角度控制轴一端安装有θ角传动电机；在角控制臂底端固定安装有角控制臂固定转盘，角角度控制编码器通过齿轮与角控制臂固定转盘连接，角控制臂固定转盘固定在角传动电机的电机轴上；打印头传动光杆固定在θ角控制臂内部的光杆架上，打印头传动丝杆通过联轴器与r轴传动电机连接，r轴控制编码器连接在打印头传动丝杆的另外一端，打印头固定滑块啮合在打印头传动丝杆上，并同时套在打印头传动光杆上；在打印头固定滑块上通过轴安装有打印头转动台，在打印头转动台上开有槽，在槽内部轴连接有摆动条，摆动条下端安装有打印头固定框，加速度传感器安装在打印头固定框上平面，打印头垂直角度调整电机安装在打印头转动台，打印头安装在打印头固定框内。

本发明的电路连接部分包括主控芯片、电源保护电路、电源指示电路、5V稳压电路、3.3V稳压电路、电源滤波电路、MCU滤波电路、AD基准电路、MCU复位电路、Boot选择电路、MCU下载电路、MCU晶振电路、SPI FLASH电路、步进电机驱动电路、WIFI电路、打印头温度采集电路、编码器接口电路、电机方向测量电路、SD卡电路、打印头温度控制电路、USB电路、状态指示电路；

主控芯片：采用STM32F103VET6，主控芯片U6的11、28、50、75、100脚与3.3V稳压电路的VCC3.3连接，U6的10、27、49、74、99电源的GND连接；

电源保护电路：电源输入接口P1的2脚与自恢复保险丝F1的左侧引脚连接，F1的右侧引脚与肖特基二极管的D1的左侧引脚连接，D1的右侧引脚与TVS D2的左侧引脚连接为电源VCC-24V输出端，TVS的右侧引脚与GND连接；

电源指示电路：电源保护电路的VCC-24电源输出端与电阻R1的左侧引脚连接，R1的右侧引脚与发光二极管D3的左侧引脚连接，D3的右侧引脚与GND连接；

5V稳压电路：电源保护电路的VCC-24电源输出端与W1稳压芯片LM2576-5V的1脚连接，VCC-24电源输出端与电解电容C6的上侧引脚连接，C6的下侧引脚连接W1的3、5脚连接到电源的GND上，电感L1的左侧引脚与D4的上侧引脚连接后接入W1的2脚上，L1的右侧引脚和电解电容C7的上侧引脚连接后接到W1的4脚上为VCC-5V输出端，D4的下侧引脚与C7的下侧引脚连接后接到GND；

3.3V稳压电路：5V稳压电路的VCC-5V电压输出端与电容C10、C11的上侧引脚连接接入到U7的3脚，C10、C11、C13、C12的下侧引脚与U7的1脚连接后接入GND，C13、C12的上侧引脚连接后为VCC3.3输出端；

电源滤波电路：电源保护电路的VCC-24电源输出端与C2、C4的左侧引脚连接，C2、C4的右侧引脚与GND连接；

MCU滤波电路：3.3V稳压电路的VCC3.3输出端与C20、C21、C22、C23、C24的上侧引脚连接，C20、C21、C22、C23、C24的下侧引脚与GND连接；3.3V稳压电路VCC3.3输出端与电感L2的左侧引脚连接，L2的右侧引脚与C25、C26、C27的上侧引脚连接后，接入到主控芯片中的22脚，电感L3的左侧引脚连接GND，L3的右侧引脚连接C25、C26、C27的下侧引脚，接入到主控芯片中的19脚；

AD基准电路：3.3V稳压电路的VCC3.3输出端与电感L4的左侧引脚连接，L4的右侧引脚与C28、C29、C30的上侧引脚连接后，接入到主控芯片中的21脚，电感L5的左侧引脚连接GND，L5的右侧引脚连接C28、C29、C30的下侧引脚后，接入到主控芯片中的20脚；

MCU复位电路：3.3V稳压电路的VCC3.3输出端与R5的上侧引脚连接，按键K1的右侧引脚、R5的下侧引脚、C19的右侧引脚与主控芯片的14脚连接；C19、K1的左侧引脚接入电源GND；

Boot选择电路：接插件P8的1、2与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P8的3脚连接R6的右侧引脚，R6的左侧引脚连接主控芯片中MCU的94脚，P8的4脚连接R7的左侧引脚，R7的右侧引脚连接到主控芯片中MCU的37脚；P8的5、6脚与GND连接；

MCU下载电路：插件P4的1脚与主控芯片的72脚连接，P4的2脚与GND连接，P4的3脚与主控芯片的76脚连接；

MCU晶振电路：晶体振荡器Y1的1脚、C3的右侧引脚与主控芯片的9脚连接，晶体振荡器Y1的2脚、C1的右侧引脚与主控芯片的8脚连接，C1、C3的左侧与GND连接；晶体振荡器Y2的1脚、R2的下侧引脚、C8的右侧引脚与主控芯片的12脚连接，晶体振荡器Y2的2脚、R2的上侧引脚与C5的右侧引脚与主控芯片的13脚连接，C5、C8的左侧引脚与GND连接；

SPI FLASH电路：芯片P7的1、2、5、6脚分别与主控芯片的29、31、32、30脚连接，P7的3、7、8脚与3.3V稳压电路的VCC3.3连接，P7的4脚与GND连接；

步进电机驱动电路：包括角传动步进电机驱动电路、θ角传动步进电机驱动电路、r轴传动步进电机驱动电路、打印头控制步进电机驱动电路；

角传动步进电机驱动电路：U2为电机驱动芯片DRV8825，U2的1、7、8脚分别接入主控芯片中的97、59、15脚相连，U2的11、12、13、14分别与步进电机接口M3的1、2、3、4脚相连，U2的2-6脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；U2的16脚与电源保护电路中的P2的2脚连接，U2的15、9脚与GND相连；

θ角传动步进电机驱动电路：U3为电机驱动芯片DRV8825，U3的1、7、8脚分别接入主控芯片中的98、60、16脚相连，U3的11、12、13、14分别与步进电机接口M4的1、2、3、4脚相连，U3的2-6脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；U3的16脚与电源保护电路中的P2的2脚连接，U3的15、9脚与GND相连；

r轴传动步进电机驱动电路：U4为电机驱动芯片DRV8825，U4的1、7、8脚分别接入主控中的1、61、17脚相连，U4的11、12、13、14分别与步进电机接口M1的1、2、3、4脚相连，U4的2-6脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；U4的16脚与电源保护电路中的P2的2脚连接，U4的15、9脚与GND相连；

打印头控制步进电机驱动电路：U1为电机驱动芯片DRV8825，U1的1、7、8脚分别接入主控中的2、62、18脚相连，U1的11、12、13、14分别与步进电机接口M2的1、2、3、4脚相连，U1的2-6脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；U1的16脚与电源保护电路中的P2的2脚连接，U1的15、9脚与GND相连；

WIFI电路：插件P10的1、2与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P10的3、4脚与主控芯片中的69、68连接，P10的5、6脚与GND连接；

打印头温度采集电路：接插件P11的2脚、R19的下侧引脚与主控芯片中U6的34脚连接，R19的上侧引脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P11的1脚与GND连接；

编码器接口电路：包括角编码器接口电路、θ角编码器接口电路、r轴编码器接口电路、编码器备用接口电路；

角编码器接口电路：P3的1脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P3的2、3脚分别与电机方向测量电路中U5的3、5脚连接，P3的4脚与GND连接；

θ角编码器接口电路：P2的1脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P2的2、3脚分别与电机方向测量电路中U5的11、9脚连接，P2的4脚与GND连接；

r轴编码器接口电路：P5的1脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P5的2、3脚分别与电机方向测量电路中U8的3、5脚连接，P5的4脚与GND连接；

编码器备用接口电路：P6的1脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P6的2、3脚分别与电机方向测量电路中U8的11、9脚连接，P6的4脚与GND连接；

电机方向测量电路：包括角与θ角控制臂电机方向测量电路、r轴控制臂与备用电机方向测量电路；

角与θ角控制臂电机方向测量电路：U5的1、13脚与主控芯片中U6的83、84脚连接，U5的3、5脚与角编码器接口电路中P3的2、3脚连接，U5的11、9脚与θ角编码器接口电路中P2的2、3脚连接，U5的4、6、7、8、10、C9的下侧引脚与GND连接，U5的14脚、C9的上侧引脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；

r轴控制臂与备用电机方向测量电路：U8的1、13脚与主控芯片中U6的85、86脚连接，U8的3、5脚与r轴编码器接口电路中P5的2、3脚连接，U8的11、9脚与编码器备用接口电路中P6的2、3脚连接，U8的4、6、7、8、10、C15的下侧引脚与GND连接，U8的14脚、C15的上侧引脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；

SD卡电路：U10的7脚、R14的下侧引脚与主控芯片的U6的65脚连接，U10的8脚、R15的下侧引脚与主控芯片的U6的66脚连接，U10的1脚、R16的下侧引脚与主控芯片中U6的78脚连接，U10的2脚、R17的下侧引脚与主控芯片中U6的79脚连接，U10的5脚与主控芯片中U6的80脚连接，U10的3脚、R18的下侧引脚与主控芯片中U6的83脚连接，R14、R15、R16、R17、R18的上侧引脚、U10的4脚、C31的右侧引脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；C31的左侧引脚、U10的6、9、10、11、12、13脚与GND连接；

打印头温度控制电路：R13的右侧引脚与Q2的2脚连接，R13的左侧引脚与主控芯片中U6的33脚连接，Q2的3脚、R10的下侧引脚、R11的左侧引脚相连，R10的上侧引脚与R8的右侧引脚、R9的左侧引脚相连，R8的左侧引脚和P9的1脚与电源保护电路的VCC-24电源输出端连接，R9的右侧引脚、Q2的1脚、R12的下侧引脚、Q1的3脚与GND连接，R11的右侧引脚、R12的上侧引脚与Q1的1脚连接，Q1的2脚与P9的2脚连接；

USB电路：USB1的1脚悬空，不供电，USB1的2脚、U9的6脚、C16的上侧引脚、R3的左侧引脚连接，USB1的3脚、U9的4脚、C16的下侧引脚、R4的左侧引脚相连，USB1的4、5脚、C17的上侧引脚连接，R3的右侧引脚、C14的下侧引脚与主控芯片中U6的70脚连接，R4的右侧引脚、C18的上侧引脚与主控芯片中U6的71脚连接，C17的下侧引脚、U9的1、2、3、5、C14的上侧引脚、C18的下侧引脚与GND连接；

状态指示电路：电阻R20、R21、R22的左侧引脚与电源保护电路中的VCC3.3输出端连接，右侧引脚分别与D5、D6、D7的左侧引脚连接，D5、D6、D7的右侧引脚与主控芯片中U1的3、4、5引脚连接。

本发明是基于球面坐标系的既小型便携，又不损失有效打印体积的口袋式3D打印机。优点是：

1、相比于市面上基于直角坐标系的3D打印机，本发明的体积更小，结构更简单，安装更方便。

2、本发明在减小体积机械体积的同时，不损失打印的有效体积，虽然打印机的体积很小，但是打印3D模型的体积可以做到很大。

3、真正的做到便携式，可随身携带，能实现快速成型，在户外工作缺少部件，可以直接一体成型，节省时间，效率更高。

4、基于球坐标系的3D打印机打印的速度会更快，精度更高。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明图1的左视图，并且θ角控制臂收入角控制臂示意图；

图3是本发明主控芯片电路图；

图4是本发明电源保护电路图；

图5是本发明电源指示电路图；

图6是本发明5V稳压电路图；

图7是本发明3.3V稳压电路图；

图8是本发明电源滤波电路图；

图9是本发明MCU滤波电路第一部分图；

图10是本发明MCU滤波电路第二部分图；

图11是本发明AD基准电路图；

图12是本发明MCU复位电路图；

图13是本发明Boot选择电路图；

图14是本发明MCU下载电路图；

图15是本发明MCU晶振电路第一部分图；

图16是本发明MCU晶振电路第二部分图；

图17是本发明SPI FLASH电路图；

图18a是本发明角传动步进电机驱动电路图；

图18b是本发明θ角传动步进电机驱动电路图；

图18c是本发明r轴传动步进电机驱动电路图；

图18d是本发明打印头控制步进电机驱动电路；

图19是本发明WIFI电路图；

图20是本发明打印头温度采集电路图；

图21a是本发明角编码器接口电路图；

图21b是本发明θ角编码器接口电路图；

图21c是本发明r轴编码器接口电路图；

图21d是本发明编码器备用接口电路图；

图22a是本发明角与θ角控制臂电机方向测量电路图；

图22b是本发明r轴控制臂与备用电机方向测量电路图；

图23是本发明SD卡电路图；

图24是本发明打印头温度控制电路图；

图25是本发明USB电路图；

图26是本发明状态指示电路图；

图27是本发明系统整体框图；

图28是本发明系统工作的整体流程图；

图29是本发明打印过程流程图；

图30是本发明打印头恒温控制流程图；

图31是本发明文件接收流程图；

图32是本发明参数设定流程图；

图33是本发明3D打印机坐标系图。

具体实施方式

本发明的角控制臂4是由两片构成，在两片角控制臂4之间通过θ角角度控制轴5安装有θ角控制臂6，在θ角角度控制轴5上安装有θ角角度控制编码器，在θ角角度控制轴5一端安装有θ角传动电机15；在角控制臂4底端固定安装有角控制臂固定转盘2，角角度控制编码器3通过齿轮与角控制臂固定转盘2连接，角控制臂固定转盘2固定在角传动电机1的电机轴上；打印头传动光杆12固定在θ角控制臂6内部的光杆架上，打印头传动丝杆17通过联轴器与r轴传动电机16连接，r轴控制编码器13连接在打印头传动丝杆17的另外一端，打印头固定滑块7啮合在打印头传动丝杆17上，并同时套在打印头传动光杆12上；在打印头固定滑块7上通过轴安装有打印头转动台8，在打印头转动台8上开有槽20，在槽20内部轴连接有摆动条19，摆动条19下端安装有打印头固定框9，加速度传感器10安装在打印头固定框9上平面，打印头垂直角度调整电机18安装在打印头转动台8，打印头11安装在打印头固定框9内。

本发明机械机构部分包括机架、打印台、打印头、传动机构构成。角控制臂4通过角控制臂固定转盘2与角传动电机1连接，构成角传动机构，角角度控制编码器3通过齿轮与角控制臂固定转盘4连接，通过角传动电机1的转动带动角控制臂4转动，角角度控制编码器3反馈转动的角度来实现角角度的精准控制。θ角控制臂6通过θ角控制臂固定转盘与θ角传动电机15连接，构成θ角传动机构，θ角角度控制编码器5与转轴连接在一起，通过θ角传动电机15的转动带动θ角控制臂与θ角角度控制编码器5转动，θ角角度控制编码器5反馈转动的角度来实现θ角角度的精准控制。打印头传动光杆12固定在光杆架上，打印头传动丝杆17通过联轴器与r轴传动电机16连接，r轴控制编码器13连接在打印头传动丝杆17的另外一头，通过r轴传动电机16的转动带动打印头固定滑块7的移动与r轴控制编码器13的移动，从而带动打印头的移动。r轴控制编码器13反馈r轴传动电机16转动的的距离，来实现r轴移动距离的精确控制。加速度传感器10固定在打印头固定框9上平面，用以返回打印头的角度，打印头垂直角度调整电机18固定在打印头转动台8，通过打印头垂直角度调整电机18调整打印头的方位，无论θ角控制臂与角控制臂如何转动，其始终垂直于打印台14。打印头11固定在打印头固定框9内，用于出料。

机械的工作过程：角传动电机1的转动控制水平角度角的大小，角的控制范围为(0，π)，角角度控制编码器3反馈角的转动角度，进行限位以及精确控制，保证打印的精度。θ角传动电机1的转动，带动θ角控制臂6在垂直方向以(0，π/2)之间转动，从而实现θ角控制，θ角角度控制编码器5反馈θ角的转动角度，进行限位以及精确控制，保证θ轴打印的精度。r轴传动电机16带动打印头固定滑块7在丝杆上来回滑动，实现r轴的变动，这样空间任意一点的的直角坐标系都可以转成(r,θ,)，通过电机的移动就可以实现打印头到达空间中的任何一点。

基于球坐标系原理的小型便携式3D打印机坐标系建立如图33所示。原点0为角控制臂4中心线与θ角控制臂中心线的交点，角为θ角控制臂中心线投影到角传动电机1上表面与其中心线的夹角，θ角为角控制臂4中心线与θ角控制臂中心线的夹角。

本发明电路连接部分包括主控芯片、电源保护电路、电源指示电路、5V稳压电路、3.3V稳压电路、电源滤波电路、MCU滤波电路、AD基准电路、MCU复位电路、Boot选择电路、MCU下载电路、MCU晶振电路、SPI FLASH电路、步进电机驱动电路、WIFI电路、打印头温度采集电路、编码器接口电路、电机方向测量电路、SD卡电路、打印头温度控制电路、USB电路、状态指示电路；

主控芯片：所有控制由意法半导体生产的STM32F103VET6完成(图3)，主控芯片U6的11、28、50、75、100脚与3.3V稳压电路(图7)的VCC3.3连接，U6的10、27、49、74、99电源的GND连接。

电源保护电路(图4)：电源输入接口P1的2脚与自恢复保险丝F1的左侧引脚连接，F1的右侧引脚与肖特基二极管的D1的左侧引脚连接，D1的右侧引脚与TVS D2的左侧引脚连接为电源VCC-24V输出端，TVS的右侧引脚与GND连接；实现了短路保护，电源防范接，以及抑制瞬间电涌的功能。

电源指示电路(图5)：电源保护电路的VCC-24电源输出端与电阻R1的左侧引脚连接，R1的右侧引脚与发光二极管D3的左侧引脚连接，D3的右侧引脚与GND连接；实现了系统一旦插入电源就会有灯光提示。

5V稳压电路(图6)：电源保护电路的VCC-24电源输出端与W1稳压芯片LM2576-5V的1脚连接，VCC-24电源输出端与电解电容C6的上侧引脚连接，C6的下侧引脚连接W1的3、5脚连接到电源的GND上，电感L1的左侧引脚与D4的上侧引脚连接后接入W1的2脚上，L1的右侧引脚和电解电容C7的上侧引脚连接后接到W1的4脚上为VCC-5V输出端，D4的下侧引脚与C7的下侧引脚连接后接到GND；实现了为系统提供稳定的5V电压。

3.3V稳压电路(图7)：5V稳压电路的VCC-5V电压输出端与电容C10、C11的上侧引脚连接接入到U7的3脚，C10、C11、C13、C12的下侧引脚与U7的1脚连接后接入GND，C13、C12的上侧引脚连接后为VCC3.3输出端；实现了为系统提供稳定的3.3V电压。

电源滤波电路(图8)：电源保护电路的VCC-24电源输出端与C2、C4的左侧引脚连接，C2、C4的右侧引脚与GND连接；实现了整个电路电源的滤波功能。

MCU滤波电路(图9和图10)：3.3V稳压电路的VCC3.3输出端与C20、C21、C22、C23、C24的上侧引脚连接，C20、C21、C22、C23、C24的下侧引脚与GND连接；3.3V稳压电路VCC3.3输出端与电感L2的左侧引脚连接，L2的右侧引脚与C25、C26、C27的上侧引脚连接后，接入到主控芯片中的22脚，电感L3的左侧引脚连接GND，L3的右侧引脚连接C25、C26、C27的下侧引脚，接入到主控芯片中的19脚；图9和图10一起构成了MCU的滤波电路。

AD基准电路(图11)：3.3V稳压电路的VCC3.3输出端与电感L4的左侧引脚连接，L4的右侧引脚与C28、C29、C30的上侧引脚连接后，接入到主控芯片中的21脚，电感L5的左侧引脚连接GND，L5的右侧引脚连接C28、C29、C30的下侧引脚后，接入到主控芯片中的20脚；给MCU的内部AD提供电压基准，以供使用。

MCU复位电路(图12)：3.3V稳压电路的VCC3.3输出端与R5的上侧引脚连接，按键K1的右侧引脚、R5的下侧引脚、C19的右侧引脚与主控芯片的14脚连接；C19、K1的左侧引脚接入电源GND；实现K1按下MCU复位的功能。

Boot选择电路(图13)：接插件P8的1、2与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P8的3脚连接R6的右侧引脚，R6的左侧引脚连接主控芯片中MCU的94脚，P8的4脚连接R7的左侧引脚，R7的右侧引脚连接到主控芯片中MCU的37脚；P8的5、6脚与GND连接；实现系统的启动选择功能。

MCU下载电路(图14)：插件P4的1脚与主控芯片的72脚连接，P4的2脚与GND连接，P4的3脚与主控芯片的76脚连接；实现系统的下载程序功能。

MCU晶振电路(图15和图16)：晶体振荡器Y1的1脚、C3的右侧引脚与主控芯片的9脚连接，晶体振荡器Y1的2脚、C1的右侧引脚与主控芯片的8脚连接，C1、C3的左侧与GND连接；晶体振荡器Y2的1脚、R2的下侧引脚、C8的右侧引脚与主控芯片的12脚连接，晶体振荡器Y2的2脚、R2的上侧引脚与C5的右侧引脚与主控芯片的13脚连接，C5、C8的左侧引脚与GND连接；该电路为整个MCU的外部时钟输入。

SPI FLASH电路(图17)：芯片P7的1、2、5、6脚分别与主控芯片的29、31、32、30脚连接，P7的3、7、8脚与3.3V稳压电路的VCC3.3连接，P7的4脚与GND连接；实现外挂FLASH的功能，用于存储打印文件以及日志文件。

步进电机驱动电路：包括角传动步进电机驱动电路(图18a)、θ角传动步进电机驱动电路(图18b)、r轴传动步进电机驱动电路(图18c)、打印头控制步进电机驱动电路(图18d)；实现了步进电机的硬件驱动。

角传动步进电机驱动电路：U2为电机驱动芯片DRV8825，U2的1、7、8脚分别接入主控芯片中的97、59、15脚相连，U2的11、12、13、14分别与步进电机接口M3的1、2、3、4脚相连，U2的2-6脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；U2的16脚与电源保护电路中的P2的2脚连接，U2的15、9脚与GND相连；

θ角传动步进电机驱动电路：U3为电机驱动芯片DRV8825，U3的1、7、8脚分别接入主控芯片中的98、60、16脚相连，U3的11、12、13、14分别与步进电机接口M4的1、2、3、4脚相连，U3的2-6脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；U3的16脚与电源保护电路中的P2的2脚连接，U3的15、9脚与GND相连；

r轴传动步进电机驱动电路：U4为电机驱动芯片DRV8825，U4的1、7、8脚分别接入主控中的1、61、17脚相连，U4的11、12、13、14分别与步进电机接口M1的1、2、3、4脚相连，U4的2-6脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；U4的16脚与电源保护电路中的P2的2脚连接，U4的15、9脚与GND相连；

打印头控制步进电机驱动电路：U1为电机驱动芯片DRV8825，U1的1、7、8脚分别接入主控中的2、62、18脚相连，U1的11、12、13、14分别与步进电机接口M2的1、2、3、4脚相连，U1的2-6脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；U1的16脚与电源保护电路中的P2的2脚连接，U1的15、9脚与GND相连。

WIFI电路(图19)：插件P10的1、2与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P10的3、4脚与主控芯片中的69、68连接，P10的5、6脚与GND连接；实现系统的wifi扩展，能实现无线连接局域网进行相应的操作。

打印头温度采集电路(图20)：接插件P11的2脚、R19的下侧引脚与主控芯片中U6的34脚连接，R19的上侧引脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P11的1脚与GND连接；实现打印头温度的采集功能。

编码器接口电路：包括角编码器接口电路(图21a)、θ角编码器接口电路(图21b)、r轴编码器接口电路(图21c)、编码器备用接口电路(图21d)；

角编码器接口电路：P3的1脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P3的2、3脚分别与电机方向测量电路中U5的3、5脚连接，P3的4脚与GND连接；

θ角编码器接口电路：P2的1脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P2的2、3脚分别与电机方向测量电路中U5的11、9脚连接，P2的4脚与GND连接；

r轴编码器接口电路：P5的1脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P5的2、3脚分别与电机方向测量电路中U8的3、5脚连接，P5的4脚与GND连接；

编码器备用接口电路：P6的1脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接，P6的2、3脚分别与电机方向测量电路中U8的11、9脚连接，P6的4脚与GND连接。

电机方向测量电路：包括角与θ角控制臂电机方向测量电路(图22a)、r轴控制臂与备用电机方向测量电路(图22b)；实现测量步进电机运行的方向的功能；

角与θ角控制臂电机方向测量电路：U5的1、13脚与主控芯片中U6的83、84脚连接，U5的3、5脚与角编码器接口电路中P3的2、3脚连接，U5的11、9脚与θ角编码器接口电路中P2的2、3脚连接，U5的4、6、7、8、10、C9的下侧引脚与GND连接，U5的14脚、C9的上侧引脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；

r轴控制臂与备用电机方向测量电路：U8的1、13脚与主控芯片中U6的85、86脚连接，U8的3、5脚与r轴编码器接口电路中P5的2、3脚连接，U8的11、9脚与编码器备用接口电路中P6的2、3脚连接，U8的4、6、7、8、10、C15的下侧引脚与GND连接，U8的14脚、C15的上侧引脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；

SD卡电路(图23)：U10的7脚、R14的下侧引脚与主控芯片的U6的65脚连接，U10的8脚、R15的下侧引脚与主控芯片的U6的66脚连接，U10的1脚、R16的下侧引脚与主控芯片中U6的78脚连接，U10的2脚、R17的下侧引脚与主控芯片中U6的79脚连接，U10的5脚与主控芯片中U6的80脚连接，U10的3脚、R18的下侧引脚与主控芯片中U6的83脚连接，R14、R15、R16、R17、R18的上侧引脚、U10的4脚、C31的右侧引脚与3.3V稳压电路中的VCC3.3输出端连接；C31的左侧引脚、U10的6、9、10、11、12、13脚与GND连接；实现通过SD卡存储打印文件的功能。

打印头温度控制电路(图24)：R13的右侧引脚与Q2的2脚连接，R13的左侧引脚与主控芯片中U6的33脚连接，Q2的3脚、R10的下侧引脚、R11的左侧引脚相连，R10的上侧引脚与R8的右侧引脚、R9的左侧引脚相连，R8的左侧引脚和P9的1脚与电源保护电路的VCC-24电源输出端连接，R9的右侧引脚、Q2的1脚、R12的下侧引脚、Q1的3脚与GND连接，R11的右侧引脚、R12的上侧引脚与Q1的1脚连接，Q1的2脚与P9的2脚连接；实现打印头的温度控制功能。

USB电路(图25)：USB1的1脚悬空，不供电，USB1的2脚、U9的6脚、C16的上侧引脚、R3的左侧引脚连接，USB1的3脚、U9的4脚、C16的下侧引脚、R4的左侧引脚相连，USB1的4、5脚、C17的上侧引脚连接，R3的右侧引脚、C14的下侧引脚与主控芯片中U6的70脚连接，R4的右侧引脚、C18的上侧引脚与主控芯片中U6的71脚连接，C17的下侧引脚、U9的1、2、3、5、C14的上侧引脚、C18的下侧引脚与GND连接；实现了通过USB接口与上位机进行通讯，传输文件的功能。

状态指示电路(图26)：电阻R20、R21、R22的左侧引脚与电源保护电路中的VCC3.3输出端连接，右侧引脚分别与D5、D6、D7的左侧引脚连接，D5、D6、D7的右侧引脚与主控芯片中U1的3、4、5引脚连接。实现了系统运行状态的指示功能。

系统的整体框图如图27所示，系统的总供电由外部24V电源开关电源提供，外部电源输入经过图4电源保护电路转换为VCC-24供给图24打印头温度控制电路，步进电机的供电直接为外部电源输入的24V，经过图4转换的VCC-24经过图6的5V稳压电路转换为VCC-5，VCC-5通过图7的3.3V稳压电路转换为3.3V给WIFI、SD卡、MCU核心电路、打印头温度采集、电机数据采集、电机控制、FLASH供电。打印头的温度控制由图24打印头温度控制电路实现。打印头温度采集由图20打印头温度采集电路实现，电机数据采集由图21(a、b、c、d)编码器接口电路和图22(a、b)电机方向测量电路实现。WIFI功能由图19WIFI电路实现，SD卡功能由图23SD卡电路实现，MCU核心电路由图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、以及图16共同组成。电机控制功能由图18(a、b、c、d)步进电机驱动电路实现，FLASH功能由图17SPI FLASH电路实现，USB功能没有供电，由图25USB电路实现。

机械电路配合：

结构示意图1中的角传动电机与电路图18(a)步进电机驱动电路配合实现角传动电机的转动控制，其中图18(a)中U2的1脚为使能端控制，能控制步进电机的开启与关闭，U2的7脚为步进电机的步数控制，每给其输入一个脉冲，步进电机就会行进1.8°。由此可以根据下列公式算出角控制臂的转动角度，

U2的8脚为角传动电机的方向角控制，控制步进电机的转动方向。U2的11、12、13、14分别与角传动电机的四根线连接。

结构示意图1中的角角度控制编码器与电路图21(a)和图22(a)电机方向测量电路配合实现角的实时角度以及转动方向采集。在本发明中，采用的是500线的编码器，也就是说编码器每转动一圈会输出500个脉冲信号，当前角转动的角度可以通过如下公式计算，

式中M为采集的角度数、n₁为角控制臂固定转盘的齿数、n₂为角角度控制编码器连接齿轮的齿轮数。图21(a)的P3的2脚与图3U6的23脚相连，可以实时采集到编码器输出的脉冲数M,从而可以计算实时的角。图21(a)中P3的2、3脚是编码器输出的两路正交的方波信号。图22(a)中的U5可以通过输入的信号来判断当前电机的转动方向。

结构示意图2中的15-θ角传动电机与电路图18(b)步进电机驱动电路配合实现θ角传动电机的转动控制，其中图18(b)中U3的1脚为使能端控制，能控制步进电机的开启与关闭，U3的7脚为步进电机的步数控制，每给其输入一个脉冲，步进电机就会行进1.8°。由此可以根据下列公式算出θ角控制臂的转动角度，

θ＝步进数*1.8(3)

U3的8脚为θ角传动电机的方向角控制，控制步进电机的转动方向。U3的11、12、13、14分别与15-θ角传动电机的四根线连接。

结构示意图1中的5-θ角角度控制编码器与电路图21(b)和图22(a)电机方向测量电路配合实现θ角的实时角度以及转动方向采集。在本发明中，采用的是500线的编码器，也就是说编码器每转动一圈会输出500个脉冲信号，当前θ角转动的角度可以通过如下公式计算，

式中M为采集的角度数、n₁为θ角控制臂固定转盘的齿数、n₂为θ角角度控制编码器连接齿轮的齿轮数。图21(b)的P2的2脚与图3U6的24脚相连，可以实时采集到编码器输出的脉冲数M,从而可以计算实时的θ角。图21(b)中P2的2、3脚是编码器输出的两路正交的方波信号。图22(a)中的U5可以通过输入的信号来判断当前电机的转动方向。

结构示意图2中的16-r轴传动电机与电路图18(c)步进电机驱动电路配合实现r轴传动电机的转动控制，其中图18(c)中U4的1脚为使能端控制，能控制步进电机的开启与关闭，U4的7脚为步进电机的步数控制，每给其输入一个脉冲，步进电机就会行进1步，行进1步的距离由传动比决定。由此可以根据下列公式算出r轴的行进距离，

U4的8脚r轴为传动电机的方向角控制，控制步进电机的转动方向。U4的11、12、13、14分别与r轴传动电机的四根线连接。

结构示意图1中的13-r轴控制编码器与电路图21(c)和图22(b)电机方向测量电路配合实现r轴的实时角度以及转动方向采集。在本发明中，采用的是500线的编码器，也就是说编码器每转动一圈会输出500个脉冲信号，当前r轴行进的距离可以通过如下公式计算，

r＝D×M (6)

式中M为采集的角度数、D为传动比。图21(c)的P5的2脚与图3U6的25脚相连，可以实时采集到编码器输出的脉冲数M,从而可以计算实时的r轴行进的距离。图21(b)中P5的2、3脚是编码器输出的两路正交的方波信号。图22(b)中的U8可以通过输入的信号来判断当前电机的转动方向。

结构示意图2中18-打印头垂直角度调整电机和10-加速度传感器与电路图18(d)步进电机驱动电路配合，可以调整打印头的位置，使其总是能垂直于打印台。

其中图18(d)中U1的1脚为使能端控制，能控制步进电机的开启与关闭，U1的7脚为步进电机的步数控制，每给其输入一个脉冲，步进电机就会行进1步。U1的8脚打印头垂直角度调整电机的方向角控制，控制步进电机的转动方向。U1的11、12、13、14分别与打印头垂直角度调整电机的四根线连接。步进电机输出的脉冲数M可以根据下面的经验公式得到，

M＝A(ζ₁-90)+B(δ₁-δ₂) (7)

时钟M为打印头垂直角度调整电机输出的脉冲数，ζ₁为当前采集的打印头的角度。δ₁为上一周期采集的角度与理想角度的差值，δ₂为当前周期采集的角度与理想角度的差值，A、B为比例系数，由实验结果获得。

如图28所示，为系统工作的整体流程图，(1)系统上电后会首先进行硬件初始化，初始化的部分有WiFi、SD卡、FLASH、USB、温度采集端、电机数据采集端、电机控制端、打印头温度控制端。检测各硬件设备是否正常工作，初始化失败返回错误代码，并且根据错误类型通过电路图26让不同LED组合发光，给出相应的提示，指示用户初始化中的什么硬件出错，以利于用户检查。(2)初始化成功后，图19WIFI电路的监听程序会被注册到电路图3主控MCU U6的中断当中，一旦有设备连接或者连上其他无线设备就会产生中断，设置状态为接受操作指定状态。主函数会循环调用电路图25USB电路的控制程序，一旦检测设备接入PC，设置状态为接受操作指令状态，假如以上两种情况没有任何一种发生，设备将一直重复上述操作直到切开外部电源。如果上述情况有任何一种发生则进入接收操作指令状态。整个系统的指令共分为三大部分，分别为打印指令，接收文件指令，设置参数指令。其中打印指令是用来控制整个系统打印相关的操作的包括开始打印、暂停打印、终止打印、选择打印的文件。接收文件指令用于从其他设备通过USB或者WIFI的方式下载已经建好模型的3D文件，设置参数指令，用于设定整个设备运行的参数其中包括：打印轴精度设定、打印温度设定、电机行进速度设定、衬底参数设定、支撑物参数设定、填充设定、打印外壳层数设定几大部分。

当接收指令后，判断是否为打印相关指令，如果是则进入打印状态，执行相关打印指令，如果不是，则判断是否为接收文件指令，如果是则进入接收文件状态，执行相关的接收文件操作，如果不是，则判断是否为设置参数指令，如果是则进入参数设定状态，如果不是就判断是否断开连接。没有断开连接就会继续等待指令的到来，循环下去直到断电。

如图29所示为打印过程流程图，接收到打印指令后，首先会判断是否为选择文件指令，如果是就保存选择的文件名，然后返回到接收打印指令状态。如果不是就会判断是否为开始打印指令。

如果是开始打印指令就会设打印状态为开始打印状态，判断上一状态是否为暂停状态，如果为暂停状态，就会获取上一次暂停时的打印位置，进入打印头恒温控制，提取文件中由(x,y,z)坐标转换来的坐标，通过获取到的坐标值计算以及参数设定的值设置步进电机转动的速度以及圈数，移动对应的步进电机，通过对应的编码器反馈移动的距离和角度，对比计算出来的角度和距离，如果有差距就进行补偿，如果打印到文件中最后一个位置，则打印完成，否则重复打印的过程，直到打印完成，如果上一次的打印状态不为暂停状态，根据选择的文件名从相应的存储空间获取打印文件，然后移动r轴，角，θ角，控制电机，使其移动到限制位置，然后回到初始位置，用来校准限制和初始位置。然后进入烙铁头恒温控制状态，重复上述的打印过程，直到打印完成。如果不是开始打印指令就会判断是否为暂停打印指令。

如果是暂停打印指令就会设置当前状态为暂停状态，然后把当前打印的所有信息保存到电路图17SPI FLASH电路的固定扇区，以备下一次重新打印使用，然后返回到指令接收状态准备接收新的指令。如过不是暂停打印指令就会判断是否为终止打印指令。

如果是终止打印指令，就会设置当前的打印状态为终止状态，清除存储的所有打印的信息，结束打印状态。如果不是终止打印，就会返回到打印指令接收状态，等待新的指令到来。

如图30所示为在打印的过程中打印头恒温控制的流程图(图29打印过程流程图中的打印头恒温控制),进入打印头恒温控制程序后，设置恒温控制标志位，恒温控制程序会在后台执行，不影响整个系统的控制逻辑。

首先会每3ms使用电路图3中U6自带的12位ADC功能采集图20打印头温度连续采集电路中Temp中的电压值100次，使用平均值滤波算法算出100次的平均值电压滤除噪声造成的影响，然后根据铂电阻的电压电阻特性曲线计算出当前的温度，放入滑窗为20的队列中，每100ms进行一次平滑滤波得到一次温度的真实值，然后根据采集到的真实值和设置的控制温度利用PID算法计算图24打印头温度控制电路的工作时间，工作时间越长电路24所示电路的做的功就越大，产生的热量就越多，工作时间越短做的功就越小，产生的热量就越少，每隔100ms计算一次加热时，在加热时间没有用尽的时候，电路图24打印头驱动电路给打印头提供电能供其加热，如果时间用尽或者到达了设定的控制周期100ms，重新计算一次加热时间，如果打印头的温度没有达到设定的要求就一直重复下去，如果到达了设定的温度范围内则恒温过程完成，维持温度。

如图31为文件接收流程图，当接收到文件接收指令后，系统进入文件接收状态，首先判断是否为USB发送，如果是，则接收文件到已经初始化完成并且运行了Fat32文件系统的SPI FLASH上，如果不是，则判断是否为WIFI发送，如果是则利用电路图17WIFI电路把打印文件数据传送到SPI FLASH上，如果不是就判断是否文件存储在SD卡内，如果在SD卡上就把SD卡上指定的文件拷贝到FLASH上，如果不在，就返回到到接收文件指令，等待下一个指令的到来，无论以何种方式接收文件，最后都要对文件进行校验，判断文件是否接收完成，如果没有接收完成，返回到接收文件指令状态，等待下一个指令的到来。

如下图32所示为参数设定流程图，当接收到参数设定指令后，系统进入参数设定状态，首先会校验参数设定所有字段的校验和，如果校验和成功则把预先定义好的各个字段分别赋值给相应的变量，然后把它们统一的存入FLASH中，可以保证数据在下次开机的时候仍是设定的值。如果校验和不通过，返回到接收参数设定指令状态，并向上位机发送接收失败指令，然后等待下一条指令的到来，直到接收成功，退出参数设定状态。