第3章3D打印机的电子系统3D打印机是一种数控设备，其电子系统负责接收、处理指令，指挥打印机各部分依指令自动进行加工。本3D打印机项目的电子控制系统，借鉴了开源的RepRap，固件采用了开源软件Marlin，打印机控制软件为开源的Printrun。3.1电子系统的组成3D打印机的电子控制系统示意如图31所示，大概可分为八部分。图313D打印机的电子系统1. 控制器控制器controller是3D打印机的大脑，很多自制打印机都使用风靡世界的Arduino微型控制器。Arduino有很多版本它们的基本功能是相同的，本项目使用Arduino Mega 2560，如图32所示。第3章3D打印机的电子系统 玩转3D设计和3D打印〖2〗〖2〗 〖1〗 图32Arduino Mega 2560Arduino Mega 2560基于ATmega 2560，有54个数字输入输出口其中15个口可用于PWM输出、16个模拟输入、4个硬件串口、1个16MHz的晶振、1个USB口、1个电源插座、1个ICSP头及1个重启按钮。Arduino Mega 2560还要配以3D打印扩展板才能连接其他设备，3D打印机采用开源的扩展板RAMPS 1.4，如图33所示。RAMPS与Arduino Mega 2560堆叠接在一起，如图34所示。图33RAMPS 1.4扩展板图34Arduino Mega 2560与RAMPS2. 步进电动机图35所示，自左向右依次是直流电动机DC motor、舵机servo和步进电动机stepper motor。图35常见的电动机直流电动机加上直流电压后，持续转动，电压的波动对转速影响很大。一般来说，直流电动机用在需持续转动、要较大扭矩，但对转速和转动圈数要求不是特别精确的场合。直流电动机加上编码器后，也可以精确控制转速和转动圈数。舵机的控制信号一般是一个周期为20ms左右的时基脉冲，脉冲高电平部分的宽度控制着舵机转动的角度。其控制原理为： 控制信号输入控制电路板在舵机内部，电动机转动，舵机的输出轴转动时带动位置反馈电位计，控制电路板根据反馈信号判断是否达到目标位置，并根据需要控制电动机的转动方向和速度。舵机一般用在需要精确控制位置如转动一定角度且保持的场合，多用于人形机器人的关节或是航模上。舵机转动角度范围一般为0～180。图36步进电动机的内部结构步进电动机的内部结构如图36所示。步进电动机的驱动电源不是持续的，而是一个一个的脉冲。步进电动机受到一个电源脉冲作用，就会转动一个固定的角度步距角。这些电源脉冲由步进电动机驱动器driver提供。因为每个电源脉冲使步进电动机转动确定的角度，意味着它可以带动物体移动确定的距离，步进电动机常用于需要便于重复定位的设备中。与直流电动机和舵机相比，步进电动机不能提供很大的扭矩。步距角是步进电动机的一个重要参数。一个完整圆是360，除以步距角即得到转动一圈的步数。比如，全步1.8是常用的步距角，则步进电动机转动一圈需200步。实际应用中，常用微步控制也叫细分来增加步进电动机的步数。一般来说，微步控制可以让步进电动机转动更平滑、更精确。步进电动机分为永磁式、反应式和混合式。步进电动机有一个参数相，即产生不同N、S对极磁场的励磁线圈对数。如图37所示，该步进电动机有A1A2、B1B2、C1C2共3对线圈，因此是三相的。每相有两根引线，分别为A1和A2、B1和B2、C1和C2。3D打印机常用混合式两相步进电动机。两相步进电动机又有4线和6线接法，如图38所示。作者使用的混合式两相步进电动机预留了6线接头，但只引出了4根接线，如图39所示。图37三相反应式步进电动机的结构简图图38两相步进电动机的4线和6线接法
图39步进电动机的引线3. 步进电动机驱动器步进电动机不能直接接在直流电源或交流电源上，需在控制器和步进电动机之间有一个称为步进电动机驱动器的芯片，如图310所示，用于产生驱动步进电动机的脉冲信号。图311所示，RAMPS 1.4有5个步进电动机驱动器安装位置，标记为X、Y、Z、E0和E1，分别用于安装X轴、Y轴、Z轴和两个挤出机的步进电动机驱动器。每个步进电动机驱动器位置，都有3组2P的插针，如图312所示，3组分别标记为MS1、MS2和MS3。表31是通过跳帽来设置步进电动机细分的方法。本项目中，驱动器采用116步细分，也就是把3个跳帽都插上，跳帽如图313所示。图310步进电动机驱动器及散热片图311RAMPS 1.4的步进电动机驱动器位置图312步进电动机细分跳帽位置
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