田昊旻—大创结题鉴定书

吉林大学“大学生创新创业训练计划”项目结题鉴定书项目名称基于三轴加速度传感器的3D打印机托盘调平系统的设计项目编号2014A51213项目负责人田昊旻学院、年级、专业12级电子科学与工程学院电子信息科学与技术专业联系电话[phone]电子邮件[e-mail]指导教师姓名杨罕职称副教授填表日期2015年04月16日吉林大学教务处制表1项目名称基于三轴加速度传感器的3D打印机托盘调平系统的设计项目负责人田昊旻专业电子信息科学与技术年级12级联系电话[e-mail]主要参加人刘春晖朱越司振鹏立项时间2014年04月20日完成时间2015年04月16日项目经费批准经费：10000元支出经费：10000元指导教师签字成果形式A．系列论文[]B．研究报告[]C．实际应用[√]D．专利[]E．其它[]主要研究成果序号成果名称成果形式作者出版社、发表刊物或采用单位时间（刊期）1.可以测量出角度的程序一套软件全体成员2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.2项目成果简介（3000字以内，包括项目实验成果、创新性、应用情况、项目学术交流情况等）：一．项目背景3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。[1]图1：3D打印机3D打印机具有XYZ三轴。其中，托盘平面为与Z轴垂直的平面，XY轴所在平面理论上应与托盘平行。通过XY轴带动喷头左右移动，Z轴带动托盘上下移动，进而通过喷头将熔化的打印原材料层叠堆积而成目标产品。如图2所示。图2：3D打印原理3然而，由于喷头的直径非常小(0.2mm)，而且Z轴的移动步长非常小(0.2mm)，这使熔化的原材料对于托盘与喷头的间隙要求比较严格。并且由于装配松动等原因，3D打印机的托盘所在平面与XY轴所在不平行时常发生。如果托盘与喷头的间隙过小，会导致托盘将喷头卡死的故障发生，这不仅会使打印失败，且可能损坏3D打印机。如图3所示。图3：典型的未调平的托盘二．目前解决方案目前，3D打印机托盘调平采取的方案为：首先，舵机带动限位开关，通过Z轴的上下移动，测量托盘到限位开关的距离；其次，根据托盘到限位开关的距离，来测量托盘的倾角。而后，根据托盘倾角，3D打印机控制板通过调节Z轴的运动补偿，来调节喷头与托盘间的距离，进而保证打印的可靠与优质。调平所需工作步骤如下：1.将舵机摇臂从水平位置放置垂直位置，如图4.图4：放下舵机摇臂2.将舵机移到左下角，Z轴电机转动，带动托盘上升，直至托盘使限位开关闭合。进而测量托盘左下角与喷头的距离x，如图5.喷头4图5：测量托盘左下角与框架的距离3.将舵机移到右下角，Z轴电机转动，带动托盘上升，直至托盘使限位开关闭合。进而测量托盘右下角与喷头的距离y，如图6.图6：测量托盘右下角与框架的距离4.将舵机移到右上角，Z轴电机转动，带动托盘上升，直至托盘使限位开关闭合。进而测量托盘右上角与喷头的距离z，如图7.图7：测量托盘右上角与框架的距离5.至此，可以测量得到托盘平面三个点与限位开关（喷头平面）的距离，如图8.框架的距离5图8:测得托盘与喷头的距离6.计算到托盘所在平面与喷头所在平面的夹角后，控制板需要调节Z轴的运动补偿，来使托盘与喷头间始终保持最合适的距离。当控制板控制喷头向左移动时，Z轴要向上移动做补偿。当控制板控制喷头向右移动时，Z轴要向下移动做补偿。以使托盘和喷头间距保持在适当的距离。如图9所示。当喷头向左移动时，Z轴向上做运动补偿；当喷头向右移动时，Z轴向下做移动补偿。图9:调节Z轴的运动补偿以上方案，为国外最著名的开源3D打印机——Ultimaker所采用的方案。目前解决方案的缺点1.舵机反复多次动作后，易产生装配松动，导致测量二面角不准确；2.限位开关多次闭合后，会使其灵敏度降低，以致测量精度降低；3.测量时间偏长（约30S），影响整机的打印效率；三．本项目采用解决方案介于对于传统方法的研究，我们发现了其中的弊端，因此我们小组研究并采用了一种新的方案，以改进传统方法中出现的弊端，以提高成品的精确度。经过老师的指导与小组内的讨论，我们小组制定的方案为：夹角Ɵ平移喷头所在平面托盘所在平面61.3D打印机机械结构部分沿用Ultimaker；2.控制板部分借用Ultimaker，需要做一轮程序更改；3.采用三轴陀螺仪+三轴加速度传感器来测量托盘所在平面和喷头所在平面的二面角；4.三轴陀螺仪+三轴加速度传感器采用成品JY-901模块；5.JY-901模块将所在平面与地平面的夹角测量完毕并通过串口发送给Ultimaker，而后Ulimaker控制板计算二面角（需要我们小组自行开发此算法）；6.计算完二面角后，Z轴运动补偿算法沿用Ultimaker。四．3D打印机托盘调平方案具体介绍1.Ultimaker背景及结构简介图10：Ultimaker实物图Ultimaker的3位开发者于两年前在Utrecht的FabLab相遇。FabLab是MIT的CenterforBitsandAtom，是全世界推动数字化制作的著名实验室之一。在去年召开的Botacon（机器人与近似机器人的创意聚会）大会上，Ultimaker首次露面便受到了极大的好评。援引至《Make》杂志上的一句话：“这是对3D打印机的一大改进！”和Makerbot一样，Ultimaker也是使用ASB塑料或PLA塑料来制作产品的，属于FDM型打印机。但Ultimaker公司表示，如果使用植物制作而成的PLA塑料来进行打印，速度更快，而且更加稳定。Ultimaker和Makerbot的不同之处在于，Makerbot是依靠平台的移动来进行打印的，而Ultimaker则是依赖喷头的移动（当然这里指的是最初的几代Makerbot，现在此类新设计已经被很多其他厂商吸收），相比较之下，Ultimaker的喷头更为精巧，且重量很轻。此外，Makerbot的马达是安装在可动零件上的，但是Ultimaker则是在打印机的框架之上，由此打印机可以得到更好的稳定性以及更大的打印尺寸。在Ultimaker官方网站上甚至还有喷头移动速度为350mm/s，挤出速度为300mm/s的演示视频。2.Ultimaker控制板简介Ultimaker控制板采用开源硬件，ArduinoMega2560。主控制器为ATMEL公司，AVR系列控制器ATmega2560.拥有256KB的ROM和8KB的RAM。和4路UART接口。步进电机驱动部分采用Avago公司的A4988，拥有16分之一的细分。如图11.7图11：3D打印机控制板软件采用开源固件：Marlin。具有全套开放的3D打印机的源代码，基于GNU开源协议，可以自由复制和更改。如图12.Marlin固件内部含有基于舵机和限位开关的调平程序，具有Z轴运动补偿算法。图12：Marlin固件截图83.JY-901模块简介JY-901模块为北京航天航空大学开发的一款具备：三轴加速度/三轴陀螺仪/三轴地磁测量的模块，内部含有卡尔曼滤波算法，并通过串口输出模块所在平面与地平面的夹角。如图13.卡尔曼滤波算法利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据处理技术,Kalman滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态.由于,它便于计算机编程实现,并能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理,Kalman滤波是目前应用最为广泛的滤波方法,在通信,导航,制导与控制等多领域得到了较好的应用.图13：JY-901模块简介4.实施过程A．将JY-901模块分别安装在喷头和托盘上，如图14；图14：JY-901模块与3D打印机装配完成（红圈部分）9B．模块分别测量：托盘所在平面，喷头所在平面的三轴加速度，如图15；图15：JY-901模块测量得到的三轴加速度值C．计算托盘所在平面与喷头所在平面的二面角；计算原理如下：以托盘所在平面的三轴加速度为例，做原理性介绍：加速度并不能直接表示物体的倾角，需要通过公式转换才能得到倾角值。设X轴与水平面的夹角为俯仰角ρ，Y轴与水平面的夹角为横滚角。下面以俯仰角为例，进行计算公式的推导。当加速度传感器水平放置在水平面上时，其初始状态坐标系如图16所示。图16：初始状态坐标系10当X轴与水平面产生俯仰角ρ时，加速度传感器的坐标系如图17所示。图17：与水平面产生俯仰角时坐标系11由此测得托盘平面与地平面的夹角。同理可测得喷头所在平面与地平面的夹角。根据托盘所在平面与喷头所在平面与地平面夹角的关系，可测量得到托盘与喷头所在平面的二面角。D．将二面角通过UART接口发送给Ultimaker控制板，如图18.控制板会自动执行Z轴的运动补偿，至此完成托盘的“调平”工作，并开始正常打印。如图19.图18：JY-901模块与Ultimaker控制板的通信接口为：UART图19：3D打印机正在打印12五．项目总结和心德体会在项目进行初期，我们一直试图从机械结构的改进方面改造3D打印机实现动态调平，但是发现特别困难也很难实现，最后在老师的带领下我们避开了繁杂的机械设计采用测量托盘角度的方法来实现调平这种调平是一种动态调平。从中我们体会到解决问题需要灵活，需要改变视角，变换思路；立项初期，我们小组四人对研究的项目都没有头绪。一些专业的知识也是从零学起，但是对于完全陌生的课题，我们四人并没有放弃。我们在老师的悉心指导下。确定了最终的实施方案。我们购买了JY-901（三轴加速度+三轴陀螺仪）模块。学会了如何调试/如何使用/如何使用simulink进行仿真。并学习了一些机械设计方面的知识。通过一步步钻研和学习，我们小组最终找到了一种解决3D打印机托盘调平方面的问题；在整个研究过程中我们学会了解决陌生问题难题的方法和途径——灵活变通，勤奋努力。在整个大创进行的过程中，无论是在学术方面还是在解决问题方面，我们都有了较大提升，也让我们体会到乐知识带来的快乐和成就感。注：本栏可加页。13项目经费使用说明（要列出具体支出明细）1.3D打印机租用：28*240=6720元2.3D打印耗材购买：112*10=1120元2.JY-901模块购买：118*4=472元3.3D打印机控制板：431*4=1724元4.图书资料费：88元合计：10124元。学院专家组鉴定意见（鉴定意见应实事求是，注重大学生参加创新创业训练计划项目的过程，并提出项目研究的优缺点及是否同意结项的明确意见。）专家组长签字：学院（公章）：年月日学校专家组审查意见组长签字：年月日学校领导小组意见组长签字：教务处代章：年月日