一种简易3D打印机控制系统的设计的制作方法

本申请涉及一种3D打印技术应用领域，尤其涉及3D打印机控制系统的设计。

背景技术：

目前存在的3D打印机大多数存在价格高、功耗高等的问题，并且打印头进入恒温状态的时间较长，使打印过程中容易出现打印材料断丝、粗细不均匀等现象，所以，设计一种低成本、低功耗、打印质量高、能够快速实现打印头温度控制的3D打印机是很有必要的。

技术实现要素：

本申请的主要目的在于提供一种低成本、低功耗、温控快速稳定的简易3D打印机控制系统。

为达上述目的，控制系统包括：主控制器最小系统模块、USB接口模块、步进电机驱动模块，

主控制器最小系统模块，与USB接口模块、步进电机驱动模块相连接，采用ATmega2560作为主控制器，ATmega2560最小系统包含ATmega2560芯片、复位电路、通信接口和晶振。用于控制系统各模块协调工作，控制3D打印的时间和打印头的温度；

USB接口模块，与主控制器模块相连接，采用ATmega16U2作为USB接口电路芯片，ATmega16是基于增强型AVR RISC结构的CMOS微控制器。拥有指令集丰富、运行速度快和吞吐率高等优点，因此在降低功耗和处理速度方面有很大的优势。由于ATmega2560的标准工作电压为5V，所以使用该模块给主控制器供电。

步进电机驱动模块，与主控制器模块相连接，采用A4988芯片作为步进电机驱动芯片，A4988是一种带转换器和过流保护的DMOS 微步驱动器，电机驱动器连接到ATmega2560主控器，主控制器将指令发送给A4988芯片，在其内部有一个转换器，只要输入一个脉冲就可以让电机转动，从而控制挤出机和三个方向电机的运动。

与现有技术相比，根据申请的技术方案，可以实现一种低功耗、低价格的LED驱动控制器，采用模糊PID算法后，挤出头温度控制在245℃，控制精度为1℃，将原来的250s左右进入恒温状态提高到70s左右达到恒温状态，提高了三维打印恒温控制的性能，减少了打印过程中打印材料断丝、粗细不均匀等现象，满足了对打印质量的要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是简易3D打印机控制系统设计图；

图2是未加入模糊PID算法时打印头模拟的加热过程曲线；

图3模糊PID控制系统设计图；

图4是加入模糊PID算法后打印头模拟的加热过程曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

如图1所示：

本系统将计算机切片产生的G代码上传发送给ATmega2560主控制器（3），使用者通过LCD人机接口（2）来设置打印参数，主控制器（3）控制挤出机内的加热棒（4）将打印材料加热并从打印头（5）的喷嘴挤出，同时可以通过热敏电阻（6）实时的将打印材料的温度反馈给主控制器。在打印头下面的打印平台上有加热床（7）来控制打印平台温度，也可以通过热敏电阻（8）反馈给主控板。同时主控制器（3）与电机驱动芯片（10）相连接，主控制器（3）分析机械指令后，驱动电机将G代码的机械指令转换为XYZ三轴电机（9）和挤出机电机（11）的运动，逐层完成模型的实体打印。由于选用的主控制芯片为ATmega2560，USB接口电路芯片为ATmega16，与传统3D打印机相比具有低成本，低功耗的特点。

如图2所示：

本设计选用的3D打印材料为ABS，熔点在215℃到250℃之间，所以3D打印机的挤出头在工作中需要将温度控制在230℃至250℃之间。挤出头温度过低会导致打印失败或换料时预热达不到耗材的熔点，换不了料；挤出头温度过高，则会严重影响其使用寿命，所以需要实时的监测并控制挤出头的温度。知加热升温的传递函数为一阶惯性环节公式 ，其中k为放大系数，T为时间常数，在不加入模糊PID算法控制前，设目标温度为245℃，加热电阻丝功率为55W。微处理ATmega2560的采样周期T是恒定的，值为40左右，通过飞升曲线法实验计算得其K值约等于1，因此得到其传递函数

为。用MATLAB中的Simulink模块对加热升温的传递函数进行了模拟，如图2所示，其稳定时间为250s左右。

如图3所示：

本设计的温度控制采用模糊PID算法，模糊PID控制算法具有简化系统设计的复杂性，不依赖于被控对象的精确数学模型等优点。常规 PID 控制器对于精确的数学模型依赖性较强,而模糊控制器没有积分的作用,所以不能消除静差。为更好的改善系统在控制方面的特性,可以将控制方面发挥的不同作用常规PID控制与模糊控制相结合,采用模糊逻辑来适时调整PID控制中的三个参数。因此,模糊PID线性控制系统是在常规PID控制的基础上建立起来的。模糊PID控制系统的划分按照其功能组成包含两部分,常规的PID控制功能和模糊推理的综合应用,如图3所示。在整个控制系统中，k_P为比例系数；k_I为积分系数；k_D为微分系数；r为设定值；e和ec代表的分别是偏差和偏差微分信号，把e和ec输入模糊控制器，可以随时满足e和ec对PID参数自整定的要求。采用模糊PID控制算法控制打印头温度后，通过检测温度绘制出实际温度曲线，实时观察挤出头和加热床的温度变化，若温度过高则会反馈给主控板，使挤出量无效。若挤出头温度低于挤出温度，即使有挤出指令，也会停止挤出工作，从而保护了挤出头。

如图4所示：

采用模糊PID算法后测得喷头达到设定恒温245℃时平均最大超调温度为251.6℃，稳定时间为70.4s，与不加PID算法时的250s相比较，有大幅减小。在此状态下，最大超调量为4.3%，其最大超调温度对三维打印材料性质影响不大因此满足3D打印头恒温控制的要求。打印机具有了温度控制精度高，稳定后温差小，温度波动小，温度达到稳定所用时间短的特点。