便攜式3D打印機的制作方法

本發明屬于打印技術領域，特別是涉及基于球坐標系原理而設計的小型便攜式3D打印機。

背景技術：

3D打印技術，是以計算機三維模型設計為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴燈方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積粘結，最終疊加成型，制作出實體產品。在醫療行業、模具制造業、建筑業、影視業、教育業等行業里快速發展。但是目前市面上的3D打印機多基于直角坐標系的建模技術，這就導致了市場上的打印機的體積都比較龐大，不能做到用戶便利的攜帶，因此不能做到現場辦公的能力。

技術實現要素：

本發明的目的是設計一種體積小，可以隨身攜帶的便攜式3D打印機。

本發明的角控制臂是由兩片構成，在兩片角控制臂之間通過θ角角度控制軸安裝有θ角控制臂，在θ角角度控制軸上安裝有θ角角度控制編碼器，在θ角角度控制軸一端安裝有θ角傳動電機；在角控制臂底端固定安裝有角控制臂固定轉盤，角角度控制編碼器通過齒輪與角控制臂固定轉盤連接，角控制臂固定轉盤固定在角傳動電機的電機軸上；打印頭傳動光桿固定在θ角控制臂內部的光桿架上，打印頭傳動絲桿通過聯軸器與r軸傳動電機連接，r軸控制編碼器連接在打印頭傳動絲桿的另外一端，打印頭固定滑塊嚙合在打印頭傳動絲桿上，并同時套在打印頭傳動光桿上；在打印頭固定滑塊上通過軸安裝有打印頭轉動臺，在打印頭轉動臺上開有槽，在槽內部軸連接有擺動條，擺動條下端安裝有打印頭固定框，加速度傳感器安裝在打印頭固定框上平面，打印頭垂直角度調整電機安裝在打印頭轉動臺，打印頭安裝在打印頭固定框內。

本發明的電路連接部分包括主控芯片、電源保護電路、電源指示電路、5V穩壓電路、3.3V穩壓電路、電源濾波電路、MCU濾波電路、AD基準電路、MCU復位電路、Boot選擇電路、MCU下載電路、MCU晶振電路、SPI FLASH電路、步進電機驅動電路、WIFI電路、打印頭溫度采集電路、編碼器接口電路、電機方向測量電路、SD卡電路、打印頭溫度控制電路、USB電路、狀態指示電路；

主控芯片：采用STM32F103VET6，主控芯片U6的11、28、50、75、100腳與3.3V穩壓電路的VCC3.3連接，U6的10、27、49、74、99電源的GND連接；

電源保護電路：電源輸入接口P1的2腳與自恢復保險絲F1的左側引腳連接，F1的右側引腳與肖特基二極管的D1的左側引腳連接，D1的右側引腳與TVS D2的左側引腳連接為電源VCC-24V輸出端，TVS的右側引腳與GND連接；

電源指示電路：電源保護電路的VCC-24電源輸出端與電阻R1的左側引腳連接，R1的右側引腳與發光二極管D3的左側引腳連接，D3的右側引腳與GND連接；

5V穩壓電路：電源保護電路的VCC-24電源輸出端與W1穩壓芯片LM2576-5V的1腳連接，VCC-24電源輸出端與電解電容C6的上側引腳連接，C6的下側引腳連接W1的3、5腳連接到電源的GND上，電感L1的左側引腳與D4的上側引腳連接后接入W1的2腳上，L1的右側引腳和電解電容C7的上側引腳連接后接到W1的4腳上為VCC-5V輸出端，D4的下側引腳與C7的下側引腳連接后接到GND；

3.3V穩壓電路：5V穩壓電路的VCC-5V電壓輸出端與電容C10、C11的上側引腳連接接入到U7的3腳，C10、C11、C13、C12的下側引腳與U7的1腳連接后接入GND，C13、C12的上側引腳連接后為VCC3.3輸出端；

電源濾波電路：電源保護電路的VCC-24電源輸出端與C2、C4的左側引腳連接，C2、C4的右側引腳與GND連接；

MCU濾波電路：3.3V穩壓電路的VCC3.3輸出端與C20、C21、C22、C23、C24的上側引腳連接，C20、C21、C22、C23、C24的下側引腳與GND連接；3.3V穩壓電路VCC3.3輸出端與電感L2的左側引腳連接，L2的右側引腳與C25、C26、C27的上側引腳連接后，接入到主控芯片中的22腳，電感L3的左側引腳連接GND，L3的右側引腳連接C25、C26、C27的下側引腳，接入到主控芯片中的19腳；

AD基準電路：3.3V穩壓電路的VCC3.3輸出端與電感L4的左側引腳連接，L4的右側引腳與C28、C29、C30的上側引腳連接后，接入到主控芯片中的21腳，電感L5的左側引腳連接GND，L5的右側引腳連接C28、C29、C30的下側引腳后，接入到主控芯片中的20腳；

MCU復位電路：3.3V穩壓電路的VCC3.3輸出端與R5的上側引腳連接，按鍵K1的右側引腳、R5的下側引腳、C19的右側引腳與主控芯片的14腳連接；C19、K1的左側引腳接入電源GND；

Boot選擇電路：接插件P8的1、2與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P8的3腳連接R6的右側引腳，R6的左側引腳連接主控芯片中MCU的94腳，P8的4腳連接R7的左側引腳，R7的右側引腳連接到主控芯片中MCU的37腳；P8的5、6腳與GND連接；

MCU下載電路：插件P4的1腳與主控芯片的72腳連接，P4的2腳與GND連接，P4的3腳與主控芯片的76腳連接；

MCU晶振電路：晶體振蕩器Y1的1腳、C3的右側引腳與主控芯片的9腳連接，晶體振蕩器Y1的2腳、C1的右側引腳與主控芯片的8腳連接，C1、C3的左側與GND連接；晶體振蕩器Y2的1腳、R2的下側引腳、C8的右側引腳與主控芯片的12腳連接，晶體振蕩器Y2的2腳、R2的上側引腳與C5的右側引腳與主控芯片的13腳連接，C5、C8的左側引腳與GND連接；

SPI FLASH電路：芯片P7的1、2、5、6腳分別與主控芯片的29、31、32、30腳連接，P7的3、7、8腳與3.3V穩壓電路的VCC3.3連接，P7的4腳與GND連接；

步進電機驅動電路：包括角傳動步進電機驅動電路、θ角傳動步進電機驅動電路、r軸傳動步進電機驅動電路、打印頭控制步進電機驅動電路；

角傳動步進電機驅動電路：U2為電機驅動芯片DRV8825，U2的1、7、8腳分別接入主控芯片中的97、59、15腳相連，U2的11、12、13、14分別與步進電機接口M3的1、2、3、4腳相連，U2的2-6腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；U2的16腳與電源保護電路中的P2的2腳連接，U2的15、9腳與GND相連；

θ角傳動步進電機驅動電路：U3為電機驅動芯片DRV8825，U3的1、7、8腳分別接入主控芯片中的98、60、16腳相連，U3的11、12、13、14分別與步進電機接口M4的1、2、3、4腳相連，U3的2-6腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；U3的16腳與電源保護電路中的P2的2腳連接，U3的15、9腳與GND相連；

r軸傳動步進電機驅動電路：U4為電機驅動芯片DRV8825，U4的1、7、8腳分別接入主控中的1、61、17腳相連，U4的11、12、13、14分別與步進電機接口M1的1、2、3、4腳相連，U4的2-6腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；U4的16腳與電源保護電路中的P2的2腳連接，U4的15、9腳與GND相連；

打印頭控制步進電機驅動電路：U1為電機驅動芯片DRV8825，U1的1、7、8腳分別接入主控中的2、62、18腳相連，U1的11、12、13、14分別與步進電機接口M2的1、2、3、4腳相連，U1的2-6腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；U1的16腳與電源保護電路中的P2的2腳連接，U1的15、9腳與GND相連；

WIFI電路：插件P10的1、2與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P10的3、4腳與主控芯片中的69、68連接，P10的5、6腳與GND連接；

打印頭溫度采集電路：接插件P11的2腳、R19的下側引腳與主控芯片中U6的34腳連接，R19的上側引腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P11的1腳與GND連接；

編碼器接口電路：包括角編碼器接口電路、θ角編碼器接口電路、r軸編碼器接口電路、編碼器備用接口電路；

角編碼器接口電路：P3的1腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P3的2、3腳分別與電機方向測量電路中U5的3、5腳連接，P3的4腳與GND連接；

θ角編碼器接口電路：P2的1腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P2的2、3腳分別與電機方向測量電路中U5的11、9腳連接，P2的4腳與GND連接；

r軸編碼器接口電路：P5的1腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P5的2、3腳分別與電機方向測量電路中U8的3、5腳連接，P5的4腳與GND連接；

編碼器備用接口電路：P6的1腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P6的2、3腳分別與電機方向測量電路中U8的11、9腳連接，P6的4腳與GND連接；

電機方向測量電路：包括角與θ角控制臂電機方向測量電路、r軸控制臂與備用電機方向測量電路；

角與θ角控制臂電機方向測量電路：U5的1、13腳與主控芯片中U6的83、84腳連接，U5的3、5腳與角編碼器接口電路中P3的2、3腳連接，U5的11、9腳與θ角編碼器接口電路中P2的2、3腳連接，U5的4、6、7、8、10、C9的下側引腳與GND連接，U5的14腳、C9的上側引腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；

r軸控制臂與備用電機方向測量電路：U8的1、13腳與主控芯片中U6的85、86腳連接，U8的3、5腳與r軸編碼器接口電路中P5的2、3腳連接，U8的11、9腳與編碼器備用接口電路中P6的2、3腳連接，U8的4、6、7、8、10、C15的下側引腳與GND連接，U8的14腳、C15的上側引腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；

SD卡電路：U10的7腳、R14的下側引腳與主控芯片的U6的65腳連接，U10的8腳、R15的下側引腳與主控芯片的U6的66腳連接，U10的1腳、R16的下側引腳與主控芯片中U6的78腳連接，U10的2腳、R17的下側引腳與主控芯片中U6的79腳連接，U10的5腳與主控芯片中U6的80腳連接，U10的3腳、R18的下側引腳與主控芯片中U6的83腳連接，R14、R15、R16、R17、R18的上側引腳、U10的4腳、C31的右側引腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；C31的左側引腳、U10的6、9、10、11、12、13腳與GND連接；

打印頭溫度控制電路：R13的右側引腳與Q2的2腳連接，R13的左側引腳與主控芯片中U6的33腳連接，Q2的3腳、R10的下側引腳、R11的左側引腳相連，R10的上側引腳與R8的右側引腳、R9的左側引腳相連，R8的左側引腳和P9的1腳與電源保護電路的VCC-24電源輸出端連接，R9的右側引腳、Q2的1腳、R12的下側引腳、Q1的3腳與GND連接，R11的右側引腳、R12的上側引腳與Q1的1腳連接，Q1的2腳與P9的2腳連接；

USB電路：USB1的1腳懸空，不供電，USB1的2腳、U9的6腳、C16的上側引腳、R3的左側引腳連接，USB1的3腳、U9的4腳、C16的下側引腳、R4的左側引腳相連，USB1的4、5腳、C17的上側引腳連接，R3的右側引腳、C14的下側引腳與主控芯片中U6的70腳連接，R4的右側引腳、C18的上側引腳與主控芯片中U6的71腳連接，C17的下側引腳、U9的1、2、3、5、C14的上側引腳、C18的下側引腳與GND連接；

狀態指示電路：電阻R20、R21、R22的左側引腳與電源保護電路中的VCC3.3輸出端連接，右側引腳分別與D5、D6、D7的左側引腳連接，D5、D6、D7的右側引腳與主控芯片中U1的3、4、5引腳連接。

本發明是基于球面坐標系的既小型便攜，又不損失有效打印體積的口袋式3D打印機。優點是：

1、相比于市面上基于直角坐標系的3D打印機，本發明的體積更小，結構更簡單，安裝更方便。

2、本發明在減小體積機械體積的同時，不損失打印的有效體積，雖然打印機的體積很小，但是打印3D模型的體積可以做到很大。

3、真正的做到便攜式，可隨身攜帶，能實現快速成型，在戶外工作缺少部件，可以直接一體成型，節省時間，效率更高。

4、基于球坐標系的3D打印機打印的速度會更快，精度更高。

附圖說明

圖1是本發明結構示意圖；

圖2是本發明圖1的左視圖，并且θ角控制臂收入角控制臂示意圖；

圖3是本發明主控芯片電路圖；

圖4是本發明電源保護電路圖；

圖5是本發明電源指示電路圖；

圖6是本發明5V穩壓電路圖；

圖7是本發明3.3V穩壓電路圖；

圖8是本發明電源濾波電路圖；

圖9是本發明MCU濾波電路第一部分圖；

圖10是本發明MCU濾波電路第二部分圖；

圖11是本發明AD基準電路圖；

圖12是本發明MCU復位電路圖；

圖13是本發明Boot選擇電路圖；

圖14是本發明MCU下載電路圖；

圖15是本發明MCU晶振電路第一部分圖；

圖16是本發明MCU晶振電路第二部分圖；

圖17是本發明SPI FLASH電路圖；

圖18a是本發明角傳動步進電機驅動電路圖；

圖18b是本發明θ角傳動步進電機驅動電路圖；

圖18c是本發明r軸傳動步進電機驅動電路圖；

圖18d是本發明打印頭控制步進電機驅動電路；

圖19是本發明WIFI電路圖；

圖20是本發明打印頭溫度采集電路圖；

圖21a是本發明角編碼器接口電路圖；

圖21b是本發明θ角編碼器接口電路圖；

圖21c是本發明r軸編碼器接口電路圖；

圖21d是本發明編碼器備用接口電路圖；

圖22a是本發明角與θ角控制臂電機方向測量電路圖；

圖22b是本發明r軸控制臂與備用電機方向測量電路圖；

圖23是本發明SD卡電路圖；

圖24是本發明打印頭溫度控制電路圖；

圖25是本發明USB電路圖；

圖26是本發明狀態指示電路圖；

圖27是本發明系統整體框圖；

圖28是本發明系統工作的整體流程圖；

圖29是本發明打印過程流程圖；

圖30是本發明打印頭恒溫控制流程圖；

圖31是本發明文件接收流程圖；

圖32是本發明參數設定流程圖；

圖33是本發明3D打印機坐標系圖。

具體實施方式

本發明的角控制臂4是由兩片構成，在兩片角控制臂4之間通過θ角角度控制軸5安裝有θ角控制臂6，在θ角角度控制軸5上安裝有θ角角度控制編碼器，在θ角角度控制軸5一端安裝有θ角傳動電機15；在角控制臂4底端固定安裝有角控制臂固定轉盤2，角角度控制編碼器3通過齒輪與角控制臂固定轉盤2連接，角控制臂固定轉盤2固定在角傳動電機1的電機軸上；打印頭傳動光桿12固定在θ角控制臂6內部的光桿架上，打印頭傳動絲桿17通過聯軸器與r軸傳動電機16連接，r軸控制編碼器13連接在打印頭傳動絲桿17的另外一端，打印頭固定滑塊7嚙合在打印頭傳動絲桿17上，并同時套在打印頭傳動光桿12上；在打印頭固定滑塊7上通過軸安裝有打印頭轉動臺8，在打印頭轉動臺8上開有槽20，在槽20內部軸連接有擺動條19，擺動條19下端安裝有打印頭固定框9，加速度傳感器10安裝在打印頭固定框9上平面，打印頭垂直角度調整電機18安裝在打印頭轉動臺8，打印頭11安裝在打印頭固定框9內。

本發明機械機構部分包括機架、打印臺、打印頭、傳動機構構成。角控制臂4通過角控制臂固定轉盤2與角傳動電機1連接，構成角傳動機構，角角度控制編碼器3通過齒輪與角控制臂固定轉盤4連接，通過角傳動電機1的轉動帶動角控制臂4轉動，角角度控制編碼器3反饋轉動的角度來實現角角度的精準控制。θ角控制臂6通過θ角控制臂固定轉盤與θ角傳動電機15連接，構成θ角傳動機構，θ角角度控制編碼器5與轉軸連接在一起，通過θ角傳動電機15的轉動帶動θ角控制臂與θ角角度控制編碼器5轉動，θ角角度控制編碼器5反饋轉動的角度來實現θ角角度的精準控制。打印頭傳動光桿12固定在光桿架上，打印頭傳動絲桿17通過聯軸器與r軸傳動電機16連接，r軸控制編碼器13連接在打印頭傳動絲桿17的另外一頭，通過r軸傳動電機16的轉動帶動打印頭固定滑塊7的移動與r軸控制編碼器13的移動，從而帶動打印頭的移動。r軸控制編碼器13反饋r軸傳動電機16轉動的的距離，來實現r軸移動距離的精確控制。加速度傳感器10固定在打印頭固定框9上平面，用以返回打印頭的角度，打印頭垂直角度調整電機18固定在打印頭轉動臺8，通過打印頭垂直角度調整電機18調整打印頭的方位，無論θ角控制臂與角控制臂如何轉動，其始終垂直于打印臺14。打印頭11固定在打印頭固定框9內，用于出料。

機械的工作過程：角傳動電機1的轉動控制水平角度角的大小，角的控制范圍為(0，π)，角角度控制編碼器3反饋角的轉動角度，進行限位以及精確控制，保證打印的精度。θ角傳動電機1的轉動，帶動θ角控制臂6在垂直方向以(0，π/2)之間轉動，從而實現θ角控制，θ角角度控制編碼器5反饋θ角的轉動角度，進行限位以及精確控制，保證θ軸打印的精度。r軸傳動電機16帶動打印頭固定滑塊7在絲桿上來回滑動，實現r軸的變動，這樣空間任意一點的的直角坐標系都可以轉成(r,θ,)，通過電機的移動就可以實現打印頭到達空間中的任何一點。

基于球坐標系原理的小型便攜式3D打印機坐標系建立如圖33所示。原點0為角控制臂4中心線與θ角控制臂中心線的交點，角為θ角控制臂中心線投影到角傳動電機1上表面與其中心線的夾角，θ角為角控制臂4中心線與θ角控制臂中心線的夾角。

本發明電路連接部分包括主控芯片、電源保護電路、電源指示電路、5V穩壓電路、3.3V穩壓電路、電源濾波電路、MCU濾波電路、AD基準電路、MCU復位電路、Boot選擇電路、MCU下載電路、MCU晶振電路、SPI FLASH電路、步進電機驅動電路、WIFI電路、打印頭溫度采集電路、編碼器接口電路、電機方向測量電路、SD卡電路、打印頭溫度控制電路、USB電路、狀態指示電路；

主控芯片：所有控制由意法半導體生產的STM32F103VET6完成(圖3)，主控芯片U6的11、28、50、75、100腳與3.3V穩壓電路(圖7)的VCC3.3連接，U6的10、27、49、74、99電源的GND連接。

電源保護電路(圖4)：電源輸入接口P1的2腳與自恢復保險絲F1的左側引腳連接，F1的右側引腳與肖特基二極管的D1的左側引腳連接，D1的右側引腳與TVS D2的左側引腳連接為電源VCC-24V輸出端，TVS的右側引腳與GND連接；實現了短路保護，電源防范接，以及抑制瞬間電涌的功能。

電源指示電路(圖5)：電源保護電路的VCC-24電源輸出端與電阻R1的左側引腳連接，R1的右側引腳與發光二極管D3的左側引腳連接，D3的右側引腳與GND連接；實現了系統一旦插入電源就會有燈光提示。

5V穩壓電路(圖6)：電源保護電路的VCC-24電源輸出端與W1穩壓芯片LM2576-5V的1腳連接，VCC-24電源輸出端與電解電容C6的上側引腳連接，C6的下側引腳連接W1的3、5腳連接到電源的GND上，電感L1的左側引腳與D4的上側引腳連接后接入W1的2腳上，L1的右側引腳和電解電容C7的上側引腳連接后接到W1的4腳上為VCC-5V輸出端，D4的下側引腳與C7的下側引腳連接后接到GND；實現了為系統提供穩定的5V電壓。

3.3V穩壓電路(圖7)：5V穩壓電路的VCC-5V電壓輸出端與電容C10、C11的上側引腳連接接入到U7的3腳，C10、C11、C13、C12的下側引腳與U7的1腳連接后接入GND，C13、C12的上側引腳連接后為VCC3.3輸出端；實現了為系統提供穩定的3.3V電壓。

電源濾波電路(圖8)：電源保護電路的VCC-24電源輸出端與C2、C4的左側引腳連接，C2、C4的右側引腳與GND連接；實現了整個電路電源的濾波功能。

MCU濾波電路(圖9和圖10)：3.3V穩壓電路的VCC3.3輸出端與C20、C21、C22、C23、C24的上側引腳連接，C20、C21、C22、C23、C24的下側引腳與GND連接；3.3V穩壓電路VCC3.3輸出端與電感L2的左側引腳連接，L2的右側引腳與C25、C26、C27的上側引腳連接后，接入到主控芯片中的22腳，電感L3的左側引腳連接GND，L3的右側引腳連接C25、C26、C27的下側引腳，接入到主控芯片中的19腳；圖9和圖10一起構成了MCU的濾波電路。

AD基準電路(圖11)：3.3V穩壓電路的VCC3.3輸出端與電感L4的左側引腳連接，L4的右側引腳與C28、C29、C30的上側引腳連接后，接入到主控芯片中的21腳，電感L5的左側引腳連接GND，L5的右側引腳連接C28、C29、C30的下側引腳后，接入到主控芯片中的20腳；給MCU的內部AD提供電壓基準，以供使用。

MCU復位電路(圖12)：3.3V穩壓電路的VCC3.3輸出端與R5的上側引腳連接，按鍵K1的右側引腳、R5的下側引腳、C19的右側引腳與主控芯片的14腳連接；C19、K1的左側引腳接入電源GND；實現K1按下MCU復位的功能。

Boot選擇電路(圖13)：接插件P8的1、2與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P8的3腳連接R6的右側引腳，R6的左側引腳連接主控芯片中MCU的94腳，P8的4腳連接R7的左側引腳，R7的右側引腳連接到主控芯片中MCU的37腳；P8的5、6腳與GND連接；實現系統的啟動選擇功能。

MCU下載電路(圖14)：插件P4的1腳與主控芯片的72腳連接，P4的2腳與GND連接，P4的3腳與主控芯片的76腳連接；實現系統的下載程序功能。

MCU晶振電路(圖15和圖16)：晶體振蕩器Y1的1腳、C3的右側引腳與主控芯片的9腳連接，晶體振蕩器Y1的2腳、C1的右側引腳與主控芯片的8腳連接，C1、C3的左側與GND連接；晶體振蕩器Y2的1腳、R2的下側引腳、C8的右側引腳與主控芯片的12腳連接，晶體振蕩器Y2的2腳、R2的上側引腳與C5的右側引腳與主控芯片的13腳連接，C5、C8的左側引腳與GND連接；該電路為整個MCU的外部時鐘輸入。

SPI FLASH電路(圖17)：芯片P7的1、2、5、6腳分別與主控芯片的29、31、32、30腳連接，P7的3、7、8腳與3.3V穩壓電路的VCC3.3連接，P7的4腳與GND連接；實現外掛FLASH的功能，用于存儲打印文件以及日志文件。

步進電機驅動電路：包括角傳動步進電機驅動電路(圖18a)、θ角傳動步進電機驅動電路(圖18b)、r軸傳動步進電機驅動電路(圖18c)、打印頭控制步進電機驅動電路(圖18d)；實現了步進電機的硬件驅動。

角傳動步進電機驅動電路：U2為電機驅動芯片DRV8825，U2的1、7、8腳分別接入主控芯片中的97、59、15腳相連，U2的11、12、13、14分別與步進電機接口M3的1、2、3、4腳相連，U2的2-6腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；U2的16腳與電源保護電路中的P2的2腳連接，U2的15、9腳與GND相連；

θ角傳動步進電機驅動電路：U3為電機驅動芯片DRV8825，U3的1、7、8腳分別接入主控芯片中的98、60、16腳相連，U3的11、12、13、14分別與步進電機接口M4的1、2、3、4腳相連，U3的2-6腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；U3的16腳與電源保護電路中的P2的2腳連接，U3的15、9腳與GND相連；

r軸傳動步進電機驅動電路：U4為電機驅動芯片DRV8825，U4的1、7、8腳分別接入主控中的1、61、17腳相連，U4的11、12、13、14分別與步進電機接口M1的1、2、3、4腳相連，U4的2-6腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；U4的16腳與電源保護電路中的P2的2腳連接，U4的15、9腳與GND相連；

打印頭控制步進電機驅動電路：U1為電機驅動芯片DRV8825，U1的1、7、8腳分別接入主控中的2、62、18腳相連，U1的11、12、13、14分別與步進電機接口M2的1、2、3、4腳相連，U1的2-6腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；U1的16腳與電源保護電路中的P2的2腳連接，U1的15、9腳與GND相連。

WIFI電路(圖19)：插件P10的1、2與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P10的3、4腳與主控芯片中的69、68連接，P10的5、6腳與GND連接；實現系統的wifi擴展，能實現無線連接局域網進行相應的操作。

打印頭溫度采集電路(圖20)：接插件P11的2腳、R19的下側引腳與主控芯片中U6的34腳連接，R19的上側引腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P11的1腳與GND連接；實現打印頭溫度的采集功能。

編碼器接口電路：包括角編碼器接口電路(圖21a)、θ角編碼器接口電路(圖21b)、r軸編碼器接口電路(圖21c)、編碼器備用接口電路(圖21d)；

角編碼器接口電路：P3的1腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P3的2、3腳分別與電機方向測量電路中U5的3、5腳連接，P3的4腳與GND連接；

θ角編碼器接口電路：P2的1腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P2的2、3腳分別與電機方向測量電路中U5的11、9腳連接，P2的4腳與GND連接；

r軸編碼器接口電路：P5的1腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P5的2、3腳分別與電機方向測量電路中U8的3、5腳連接，P5的4腳與GND連接；

編碼器備用接口電路：P6的1腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接，P6的2、3腳分別與電機方向測量電路中U8的11、9腳連接，P6的4腳與GND連接。

電機方向測量電路：包括角與θ角控制臂電機方向測量電路(圖22a)、r軸控制臂與備用電機方向測量電路(圖22b)；實現測量步進電機運行的方向的功能；

角與θ角控制臂電機方向測量電路：U5的1、13腳與主控芯片中U6的83、84腳連接，U5的3、5腳與角編碼器接口電路中P3的2、3腳連接，U5的11、9腳與θ角編碼器接口電路中P2的2、3腳連接，U5的4、6、7、8、10、C9的下側引腳與GND連接，U5的14腳、C9的上側引腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；

r軸控制臂與備用電機方向測量電路：U8的1、13腳與主控芯片中U6的85、86腳連接，U8的3、5腳與r軸編碼器接口電路中P5的2、3腳連接，U8的11、9腳與編碼器備用接口電路中P6的2、3腳連接，U8的4、6、7、8、10、C15的下側引腳與GND連接，U8的14腳、C15的上側引腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；

SD卡電路(圖23)：U10的7腳、R14的下側引腳與主控芯片的U6的65腳連接，U10的8腳、R15的下側引腳與主控芯片的U6的66腳連接，U10的1腳、R16的下側引腳與主控芯片中U6的78腳連接，U10的2腳、R17的下側引腳與主控芯片中U6的79腳連接，U10的5腳與主控芯片中U6的80腳連接，U10的3腳、R18的下側引腳與主控芯片中U6的83腳連接，R14、R15、R16、R17、R18的上側引腳、U10的4腳、C31的右側引腳與3.3V穩壓電路中的VCC3.3輸出端連接；C31的左側引腳、U10的6、9、10、11、12、13腳與GND連接；實現通過SD卡存儲打印文件的功能。

打印頭溫度控制電路(圖24)：R13的右側引腳與Q2的2腳連接，R13的左側引腳與主控芯片中U6的33腳連接，Q2的3腳、R10的下側引腳、R11的左側引腳相連，R10的上側引腳與R8的右側引腳、R9的左側引腳相連，R8的左側引腳和P9的1腳與電源保護電路的VCC-24電源輸出端連接，R9的右側引腳、Q2的1腳、R12的下側引腳、Q1的3腳與GND連接，R11的右側引腳、R12的上側引腳與Q1的1腳連接，Q1的2腳與P9的2腳連接；實現打印頭的溫度控制功能。

USB電路(圖25)：USB1的1腳懸空，不供電，USB1的2腳、U9的6腳、C16的上側引腳、R3的左側引腳連接，USB1的3腳、U9的4腳、C16的下側引腳、R4的左側引腳相連，USB1的4、5腳、C17的上側引腳連接，R3的右側引腳、C14的下側引腳與主控芯片中U6的70腳連接，R4的右側引腳、C18的上側引腳與主控芯片中U6的71腳連接，C17的下側引腳、U9的1、2、3、5、C14的上側引腳、C18的下側引腳與GND連接；實現了通過USB接口與上位機進行通訊，傳輸文件的功能。

狀態指示電路(圖26)：電阻R20、R21、R22的左側引腳與電源保護電路中的VCC3.3輸出端連接，右側引腳分別與D5、D6、D7的左側引腳連接，D5、D6、D7的右側引腳與主控芯片中U1的3、4、5引腳連接。實現了系統運行狀態的指示功能。

系統的整體框圖如圖27所示，系統的總供電由外部24V電源開關電源提供，外部電源輸入經過圖4電源保護電路轉換為VCC-24供給圖24打印頭溫度控制電路，步進電機的供電直接為外部電源輸入的24V，經過圖4轉換的VCC-24經過圖6的5V穩壓電路轉換為VCC-5，VCC-5通過圖7的3.3V穩壓電路轉換為3.3V給WIFI、SD卡、MCU核心電路、打印頭溫度采集、電機數據采集、電機控制、FLASH供電。打印頭的溫度控制由圖24打印頭溫度控制電路實現。打印頭溫度采集由圖20打印頭溫度采集電路實現，電機數據采集由圖21(a、b、c、d)編碼器接口電路和圖22(a、b)電機方向測量電路實現。WIFI功能由圖19WIFI電路實現，SD卡功能由圖23SD卡電路實現，MCU核心電路由圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、以及圖16共同組成。電機控制功能由圖18(a、b、c、d)步進電機驅動電路實現，FLASH功能由圖17SPI FLASH電路實現，USB功能沒有供電，由圖25USB電路實現。

機械電路配合：

結構示意圖1中的角傳動電機與電路圖18(a)步進電機驅動電路配合實現角傳動電機的轉動控制，其中圖18(a)中U2的1腳為使能端控制，能控制步進電機的開啟與關閉，U2的7腳為步進電機的步數控制，每給其輸入一個脈沖，步進電機就會行進1.8°。由此可以根據下列公式算出角控制臂的轉動角度，

U2的8腳為角傳動電機的方向角控制，控制步進電機的轉動方向。U2的11、12、13、14分別與角傳動電機的四根線連接。

結構示意圖1中的角角度控制編碼器與電路圖21(a)和圖22(a)電機方向測量電路配合實現角的實時角度以及轉動方向采集。在本發明中，采用的是500線的編碼器，也就是說編碼器每轉動一圈會輸出500個脈沖信號，當前角轉動的角度可以通過如下公式計算，

式中M為采集的角度數、n₁為角控制臂固定轉盤的齒數、n₂為角角度控制編碼器連接齒輪的齒輪數。圖21(a)的P3的2腳與圖3U6的23腳相連，可以實時采集到編碼器輸出的脈沖數M,從而可以計算實時的角。圖21(a)中P3的2、3腳是編碼器輸出的兩路正交的方波信號。圖22(a)中的U5可以通過輸入的信號來判斷當前電機的轉動方向。

結構示意圖2中的15-θ角傳動電機與電路圖18(b)步進電機驅動電路配合實現θ角傳動電機的轉動控制，其中圖18(b)中U3的1腳為使能端控制，能控制步進電機的開啟與關閉，U3的7腳為步進電機的步數控制，每給其輸入一個脈沖，步進電機就會行進1.8°。由此可以根據下列公式算出θ角控制臂的轉動角度，

θ＝步進數*1.8(3)

U3的8腳為θ角傳動電機的方向角控制，控制步進電機的轉動方向。U3的11、12、13、14分別與15-θ角傳動電機的四根線連接。

結構示意圖1中的5-θ角角度控制編碼器與電路圖21(b)和圖22(a)電機方向測量電路配合實現θ角的實時角度以及轉動方向采集。在本發明中，采用的是500線的編碼器，也就是說編碼器每轉動一圈會輸出500個脈沖信號，當前θ角轉動的角度可以通過如下公式計算，

式中M為采集的角度數、n₁為θ角控制臂固定轉盤的齒數、n₂為θ角角度控制編碼器連接齒輪的齒輪數。圖21(b)的P2的2腳與圖3U6的24腳相連，可以實時采集到編碼器輸出的脈沖數M,從而可以計算實時的θ角。圖21(b)中P2的2、3腳是編碼器輸出的兩路正交的方波信號。圖22(a)中的U5可以通過輸入的信號來判斷當前電機的轉動方向。

結構示意圖2中的16-r軸傳動電機與電路圖18(c)步進電機驅動電路配合實現r軸傳動電機的轉動控制，其中圖18(c)中U4的1腳為使能端控制，能控制步進電機的開啟與關閉，U4的7腳為步進電機的步數控制，每給其輸入一個脈沖，步進電機就會行進1步，行進1步的距離由傳動比決定。由此可以根據下列公式算出r軸的行進距離，

U4的8腳r軸為傳動電機的方向角控制，控制步進電機的轉動方向。U4的11、12、13、14分別與r軸傳動電機的四根線連接。

結構示意圖1中的13-r軸控制編碼器與電路圖21(c)和圖22(b)電機方向測量電路配合實現r軸的實時角度以及轉動方向采集。在本發明中，采用的是500線的編碼器，也就是說編碼器每轉動一圈會輸出500個脈沖信號，當前r軸行進的距離可以通過如下公式計算，

r＝D×M (6)

式中M為采集的角度數、D為傳動比。圖21(c)的P5的2腳與圖3U6的25腳相連，可以實時采集到編碼器輸出的脈沖數M,從而可以計算實時的r軸行進的距離。圖21(b)中P5的2、3腳是編碼器輸出的兩路正交的方波信號。圖22(b)中的U8可以通過輸入的信號來判斷當前電機的轉動方向。

結構示意圖2中18-打印頭垂直角度調整電機和10-加速度傳感器與電路圖18(d)步進電機驅動電路配合，可以調整打印頭的位置，使其總是能垂直于打印臺。

其中圖18(d)中U1的1腳為使能端控制，能控制步進電機的開啟與關閉，U1的7腳為步進電機的步數控制，每給其輸入一個脈沖，步進電機就會行進1步。U1的8腳打印頭垂直角度調整電機的方向角控制，控制步進電機的轉動方向。U1的11、12、13、14分別與打印頭垂直角度調整電機的四根線連接。步進電機輸出的脈沖數M可以根據下面的經驗公式得到，

M＝A(ζ₁-90)+B(δ₁-δ₂) (7)

時鐘M為打印頭垂直角度調整電機輸出的脈沖數，ζ₁為當前采集的打印頭的角度。δ₁為上一周期采集的角度與理想角度的差值，δ₂為當前周期采集的角度與理想角度的差值，A、B為比例系數，由實驗結果獲得。

如圖28所示，為系統工作的整體流程圖，(1)系統上電后會首先進行硬件初始化，初始化的部分有WiFi、SD卡、FLASH、USB、溫度采集端、電機數據采集端、電機控制端、打印頭溫度控制端。檢測各硬件設備是否正常工作，初始化失敗返回錯誤代碼，并且根據錯誤類型通過電路圖26讓不同LED組合發光，給出相應的提示，指示用戶初始化中的什么硬件出錯，以利于用戶檢查。(2)初始化成功后，圖19WIFI電路的監聽程序會被注冊到電路圖3主控MCU U6的中斷當中，一旦有設備連接或者連上其他無線設備就會產生中斷，設置狀態為接受操作指定狀態。主函數會循環調用電路圖25USB電路的控制程序，一旦檢測設備接入PC，設置狀態為接受操作指令狀態，假如以上兩種情況沒有任何一種發生，設備將一直重復上述操作直到切開外部電源。如果上述情況有任何一種發生則進入接收操作指令狀態。整個系統的指令共分為三大部分，分別為打印指令，接收文件指令，設置參數指令。其中打印指令是用來控制整個系統打印相關的操作的包括開始打印、暫停打印、終止打印、選擇打印的文件。接收文件指令用于從其他設備通過USB或者WIFI的方式下載已經建好模型的3D文件，設置參數指令，用于設定整個設備運行的參數其中包括：打印軸精度設定、打印溫度設定、電機行進速度設定、襯底參數設定、支撐物參數設定、填充設定、打印外殼層數設定幾大部分。

當接收指令后，判斷是否為打印相關指令，如果是則進入打印狀態，執行相關打印指令，如果不是，則判斷是否為接收文件指令，如果是則進入接收文件狀態，執行相關的接收文件操作，如果不是，則判斷是否為設置參數指令，如果是則進入參數設定狀態，如果不是就判斷是否斷開連接。沒有斷開連接就會繼續等待指令的到來，循環下去直到斷電。

如圖29所示為打印過程流程圖，接收到打印指令后，首先會判斷是否為選擇文件指令，如果是就保存選擇的文件名，然后返回到接收打印指令狀態。如果不是就會判斷是否為開始打印指令。

如果是開始打印指令就會設打印狀態為開始打印狀態，判斷上一狀態是否為暫停狀態，如果為暫停狀態，就會獲取上一次暫停時的打印位置，進入打印頭恒溫控制，提取文件中由(x,y,z)坐標轉換來的坐標，通過獲取到的坐標值計算以及參數設定的值設置步進電機轉動的速度以及圈數，移動對應的步進電機，通過對應的編碼器反饋移動的距離和角度，對比計算出來的角度和距離，如果有差距就進行補償，如果打印到文件中最后一個位置，則打印完成，否則重復打印的過程，直到打印完成，如果上一次的打印狀態不為暫停狀態，根據選擇的文件名從相應的存儲空間獲取打印文件，然后移動r軸，角，θ角，控制電機，使其移動到限制位置，然后回到初始位置，用來校準限制和初始位置。然后進入烙鐵頭恒溫控制狀態，重復上述的打印過程，直到打印完成。如果不是開始打印指令就會判斷是否為暫停打印指令。

如果是暫停打印指令就會設置當前狀態為暫停狀態，然后把當前打印的所有信息保存到電路圖17SPI FLASH電路的固定扇區，以備下一次重新打印使用，然后返回到指令接收狀態準備接收新的指令。如過不是暫停打印指令就會判斷是否為終止打印指令。

如果是終止打印指令，就會設置當前的打印狀態為終止狀態，清除存儲的所有打印的信息，結束打印狀態。如果不是終止打印，就會返回到打印指令接收狀態，等待新的指令到來。

如圖30所示為在打印的過程中打印頭恒溫控制的流程圖(圖29打印過程流程圖中的打印頭恒溫控制),進入打印頭恒溫控制程序后，設置恒溫控制標志位，恒溫控制程序會在后臺執行，不影響整個系統的控制邏輯。

首先會每3ms使用電路圖3中U6自帶的12位ADC功能采集圖20打印頭溫度連續采集電路中Temp中的電壓值100次，使用平均值濾波算法算出100次的平均值電壓濾除噪聲造成的影響，然后根據鉑電阻的電壓電阻特性曲線計算出當前的溫度，放入滑窗為20的隊列中，每100ms進行一次平滑濾波得到一次溫度的真實值，然后根據采集到的真實值和設置的控制溫度利用PID算法計算圖24打印頭溫度控制電路的工作時間，工作時間越長電路24所示電路的做的功就越大，產生的熱量就越多，工作時間越短做的功就越小，產生的熱量就越少，每隔100ms計算一次加熱時，在加熱時間沒有用盡的時候，電路圖24打印頭驅動電路給打印頭提供電能供其加熱，如果時間用盡或者到達了設定的控制周期100ms，重新計算一次加熱時間，如果打印頭的溫度沒有達到設定的要求就一直重復下去，如果到達了設定的溫度范圍內則恒溫過程完成，維持溫度。

如圖31為文件接收流程圖，當接收到文件接收指令后，系統進入文件接收狀態，首先判斷是否為USB發送，如果是，則接收文件到已經初始化完成并且運行了Fat32文件系統的SPI FLASH上，如果不是，則判斷是否為WIFI發送，如果是則利用電路圖17WIFI電路把打印文件數據傳送到SPI FLASH上，如果不是就判斷是否文件存儲在SD卡內，如果在SD卡上就把SD卡上指定的文件拷貝到FLASH上，如果不在，就返回到到接收文件指令，等待下一個指令的到來，無論以何種方式接收文件，最后都要對文件進行校驗，判斷文件是否接收完成，如果沒有接收完成，返回到接收文件指令狀態，等待下一個指令的到來。

如下圖32所示為參數設定流程圖，當接收到參數設定指令后，系統進入參數設定狀態，首先會校驗參數設定所有字段的校驗和，如果校驗和成功則把預先定義好的各個字段分別賦值給相應的變量，然后把它們統一的存入FLASH中，可以保證數據在下次開機的時候仍是設定的值。如果校驗和不通過，返回到接收參數設定指令狀態，并向上位機發送接收失敗指令，然后等待下一條指令的到來，直到接收成功，退出參數設定狀態。