簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 蔡健男
CHIEN-NAN TSAI
論文名稱: 實現無微處理器之3D印表機
Implementation of a 3D-Printer without Using Any Microcontroller
指導教授: 徐勝均
Sheng-Dong Xu
口試委員: 林紀穎
Chi-Ying Lin
陳正劭
Cheng-Sao Chen
謝劍書
Chien-Shu Hsieh
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 110
中文關鍵詞: 串列埠擴展控制LPT3D印表機
外文關鍵詞: RS232 decode, LPT control
相關次數: 點閱:132下載:0
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

本論文提出三種不需微處理器來實現3D印表機之方法。藉由將電腦輸出訊號解碼擴展出24位元的輸出訊號,除了可以直接驅動步進馬達驅動器外,也搭配DAC0808數位轉類比晶片與LM324放大器,將數位資料轉換成類比訊號後,輸出至SMP60N06場效電晶體之VG端,並與非穩態震盪電路組合,達到頻率調變功能,直接驅動升溫元件;或是利用ADC0808類比轉數位晶片與閂鎖器,將類比訊號擷取後作編碼,回傳至電腦端,而讀取裝置溫度分壓。因此在對一個溝通介面作加解碼的方式處理後,便可以達到溫度控制、溫度接收以及驅動3軸步進馬達,進而取代市售3D印表機之主控板,以實現無微處理器之3D印表機。
實驗結果表示,在我們所設計的四組控制模式中,實驗一以及實驗二中使用RS232解碼的方式。在訊號控制過程中,因傳輸訊號錯位等原因,雖然導致控制訊號抖動,但仍然能夠達到列印效果,而實驗三的LPT控制方式,因為使用電腦直接控制,減少了訊號抖動的變因,而且控制訊號輸出頻率已超過3D印表機之正常列印速度,因此能夠達到正常列印速度之需求。
藉由本論文提出的控制方法,可實現可任意更改3D印表機之列印參數以及任意更改成形方式,破解了一般對3D印表機的舊有印象,將可設計出更精簡、更彈性、成本更低、複製性更高且能夠迴避了數個商業綁定限制的3D印表機。


In this thesis, we present three methods to implement a 3D printer without using any microcontroller. The output signal is decoded to 24bits signal from computer which could directly drive stepper motor, or converted into analog signal to drive MOSFET to achieve frequency modulation to drive heating element by using DAC with amplifier, in addition, analog signal acquisition from reading partial voltage of temperature element by using ADC with latche and be delivered to the computer terminal. Therefore, by the decoding manner of these additions, we find that it would achive thermal controlling, temperature capturing and stepper motors driving. Furthermore it could replace the control board of 3D printer in order to fulfill the aim of a 3D printer without using any microcontroller.
The results indicated when we using signal decoded of RS232 in the Exp.1 and Exp.2, we would able to print object, despite the signal dislocation in the signal control process influncing control signal jitter, In the Exp.3, we use computers to control output signal directly, so the control signal is stable. We find the frequency of control signal is higher than the standard control signal of printing circle column object with commercial 3D printer, this method is umcompicated to achieve the demand of normal print speed.
In this thesis, the control methods can be realized to change the printing parameters of 3D printer, to design out a leaner, more flexible, lower cost, higher reproducibility and can avoid a number of commercial 3D printer patent.

中文摘要………………………………………………………………………I 英文摘要……………………………………………………………….…….II 誌謝………………………………………………………………………….III 目錄……………………………………………………………………….....IV 圖目錄………………….…………………………………………………..VII 表目錄………………………………………………………………......…...XI 第一章 緒論.....................................................................................................1 1.1 簡介……………………………………………………………………1 1.2文獻探討………………………………………………………………..4 1.2.1快速原型的原理…………………………………………………...4 1.2.2 光固化立體造型(SLA)…………………………………………...5 1.2.3 層片疊加製造(LOM)…………………………………………….6 1.2.4 選擇性雷射燒結(SLS)…………………………………………...7 1.2.5 熔融沉積造型(FDM)……………………………………………..8 1.2.6 3D印刷成型法(3DP)….……………………………………….11 1.2.7 STL檔案簡介……………………………………………………12 1.2.8 切層軟體與NC碼轉換…………………………………………14 1.3 研究動機與目的……………………………………………………..17 1.4 本文架構……………………………………………………………..18 第二章 系統架構…………………………………………………………...19 2.1 硬體架構……………………………………………………………..20 2.2 系統元件介紹…………………………………………………..……25 2.2.1 序列資料通訊的介面……………………………………………25 2.2.2 並列資料通訊的介面……………………………………..……..28 2.2.3 計數器…………………………………………………………..30 2.2.4 邏輯閘…………………………………………………………..32 2.2.5 步進馬達驅動系統…………………………………………..33 2.2.6步進馬達控制訊號測試……………………….……………..41 2.3程式流程規劃……………………………………………………...46 2.3.1 控制電路……………………………………………………...46 2.3.2 軟體控制架構…………………………………………………..48 2.3.3 資料分析及處理流程……………………………..……………..50 2.3.4 溫度控制……………………………….………………………...52 2.3.5 升溫元件……………………………….………………………...53 2.3.6利用輸入電壓調變PWM……………………………………….56 2.3.7 溫度讀取………………………………………….……………..64 第三章 實驗結果………………………...………………………………....69 3.1 使用RS232與邏輯閘之列印訊號分析…………………………....69 3.2 使用RS232與PIC16F877之列印訊號分析……………………....73 3.3 使用LPT之列印訊號分析………………………………………...76 3.4 市售之3D印表機之列印訊號……………………………………...79 3.5 數據比較………………………...…………………………………...80 3.6 列印結果比較…………………………...…………………………...82 第四章 結論與未來展望…………………………………………………...83 4.1 結論…………………………………………………………………..83 4.1.1 無微處理器之3D印表機之可行性………………………..83 4.1.2 無微處理器之3D印表機具有價格優勢………………………..83 4.1.3 無微處理器之3D印表機自由度較高………………………..84 4.1.4 無微處理器之3D印表機與市售3D印表機比較…………..84 4.2 未來展望……………………………………………………………..86 參考文獻……………………………………………...……………………..87

[1] 鍾明純,『CAD資料交換問題之探討』,國立台灣科技大學管理研究所碩士學位論文,1999年。
[2] 王瑋毅,『使用非線性輪廓套合演算法於基於CAD模型之三維物體姿態估測』,淡江大學電機工程研究所碩士學位論文,2015年。
[3] 平冠勛,『使用CAD軟體之API建立小腿義肢承筒模型設計系統』,國立成功大學機械工程研究所碩士學位論文,2014年。
[4] 何曉菁,『模具設計與CAD的知識整合架構與管理』,中原大學機械工程研究所碩士學位論文,2014年。
[5] 楊璨瑞,『發展結合CAD/CAM技術之數位化矯正系統』,國立中正大學機械工程研究所碩士學位論文,2013年。
[6] 邱彥智,『自動影像式實體建模技術的創新與應用』,國立交通大學工學院精密與自動化工程學程碩士學位論文,2014年。
[7] 林京叡,『應用API於小腿義肢承筒設計及CAD/RP製程』,國立成功大學機械工程研究所碩士學位論文,2013年。
[8] 余奕昌,『應用CAD軟體API輔助膝下殘肢曲面之建模與編修』,國立成功大學機械工程研究所碩士學位論文,2006年。
[9] 紀傑騰,『真空成形殘肢模型於膝下義肢承筒之設計與製作』,國立成功大學機械工程研究所碩士學位論文,2010年。
[10] 陳世昇,『應用CAD軟體API建立設計概念具體化輔助系統』,國立成功大學機械工程研究所碩士學位論文,2005年。
[11] 陳彥名,『應用CAD軟體API與快速成型技術製作義肢承筒』,國立成功大學機械工程研究所碩士學位論文,2006年。
[12] 張世薪,『CAD軟體之API應用於小腿義肢承筒設計模組』,國立成功大學機械工程研究所碩士學位論文,2012年。
[13] 楊懷生,『以田口法分析包覆樹脂之FDM成型材料之彎曲強度』,國立成功大學機械工程研究所碩士學位論文,2010年。
[14] 鄒永琦,『去除FDM 快速原型件支撐材料系統研製』,明志科技大學機電工程研究所碩士學位論文,2012年。
[15] 郭啟全、鄭正元,『快速成型原理與應用』,高立圖書出版社,ISBN:986-412-201-0,中華民國九十三年。
[16] 羅仁權、鄒治華、李維仁,『加熱擠出式快速原型機』,專利號碼:I44883。
[17] 吳修哲,『具有旋轉主軸及噴墨列印功能的快速原型機』,公開號碼:200526386。
[18] 羅仁權、鄒治華、張益誠,『精密快速原型機之改良結構』,專利號碼:I194468。
[19] 張仲卿,『快速原型機』,專利號碼:I207731。
[20] 黃偉鈞,『應用田口方法於FDM快速原型機製程參數改善之研究』,明新科技大學精密機電工程研究所碩士學位論文,2009年。
[21] Iwan Zeina, Dietmar W. Hutmacherb, Kim Cheng Tanc, and Swee Hin Teoha, “Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications,” Biomaterials, vol. 23, no. 4, pp. 1169–1185, 15 February 2002
[22] Samar Jyoti Kalita, Susmita Bose, Howard L. Hosick, and Amit Bandyopadhyay, “Development of controlled porosity polymer-ceramic composite scaffolds via fused deposition modeling,” Materials Science and Engineering: C, vol. 23, no. 5, pp. 611–620, 15 October 2003
[23] K. Thrimurthulu, Pulak M. Pandey, and N. Venkata Reddy, “Optimum part deposition orientation in fused deposition modeling,” International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 44, no. 6, pp. 585–594, May 2004
[24] Pulak M. Pandey, N. Venkata Reddy, and Sanjay G. Dhande, “Improvement of surface finish by staircase machining in fused deposition modeling,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 132, no. 1–3, pp. 323–331, 10 Jan. 2003
[25] 張均豪,『SLA快速原型系統製作嵌入件之製程研究』,國立臺灣大學機械工程研究所碩士學位論文,2004年。
[26] 翁宇生,『下照式半導體雷射快速原型機之光硬化樹脂成型研究』,國立台灣科技大學機械工程研究所碩士學位論文,1999年。
[27] 陳延昌,『紫外光原型件成型技術精敏化之研究』,國立臺灣師範大學工業教育研究所碩士學位論文,2002年。
[28] 葉怡昌,『使用線掃瞄可見光之新式快速光罩樹脂硬化系統研發』,國立台灣科技大學機械工程研究所博士學位論文,1999年。
[29] 張慶瑞,『電子光罩式快速原型機之開發研究』,國立臺灣科技大學工程技術研究所自動化及控制學程碩士學位論文,2000年。
[30] 許興仁,『光罩式樹脂成型快速原型機之研發』,國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士學位論文,2000年。
[31] 簡錫基,『光硬化樹脂添加二氧化矽粉末之快速原型件製作研究』,國立臺灣科技大學機械工程研究所碩士學位論文,2001年。
[32] Charles W. Hull, “Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography,” U. S. Patent No. US4575330 A, 8 Aug. 1984.
[33] Michael Feygin, Alexandr Shkolnik, Michael N. Diamond, and Emmanuil Dvorskiy, “Laminated object manufacturing system,” U. S. Patent No. US5730817 A, 22 April. 1996.
[34] Carl R. Deckard, “Method and apparatus for producing parts by selective sintering,” U. S. Patent No. US4863538 A, 17 Oct. 1986.
[35] S. Scott Crump, “Apparatus and method for creating three-dimensional objects,” U. S. Patent No. US5121329 A, 30 Oct. 1989.
[36] Emanuel M. Sachs, John S. Haggerty, Michael J. Cima, and Paul A. Williams, “Three-dimensional printing techniques,” U. S. Patent No. US5204055 A, 8 Dec. 1989.
[37] 傅仁豪,『開發基於個人電腦之快速原型控制系統』,國立臺北科技大學機電整合研究所碩士學位論文,2014年。
[38] 許閔勝,『以快速原型技術製作不鏽鋼工件之可行性研究』,國立臺北科技大學製造科技研究所碩士學位論文,2014年。
[39] 張晉晨,『陶瓷工件之快速原型製程改善』,國立臺北科技大學製造科技研究所碩士學位論文,2014年。
[40] 王顗銘,『快速原型系統製備之聚氨酯丙烯酸酯/1,6-己二醇二丙烯酸酯/銅粉複合材料機械與熱性質之研究』,國立臺灣科技大學材料科學與工程研究所碩士學位論文,2014年。
[41] 威福知,『數位光罩快速原型系統製備之丙烯酸酯系光敏聚合物/無機奈米複合材料之特性』,國立臺灣科技大學材料科學與工程研究所碩士學位論文,2014年。
[42] 徐士傑,『快速原型機之漿料鋪層系統及乾燥機構』,國立臺北科技大學製造科技研究所碩士學位論文,2014年。
[43] 陳威宇,『以快速原型技術製作不鏽鋼工件』,國立臺北科技大學機電整合研究所碩士學位論文,2013年。
[44] 盧世華,『以快速原型技術製作陶瓷工件之雷射輪廓掃描控制之研究』,國立臺北科技大學機電整合研究所碩士學位論文,2010年。
[45] 劉川豪,『陶殼模快速原型系統自動化』,國立臺北科技大學機電整合研究所碩士學位論文,2006年。
[46] 張凱翔,『陶瓷雷射快速原型機之鋪料機構改善與工作平台精度量測』,國立臺北科技大學製造科技研究所碩士學位論文,2011年。
[47] 劉俊杰,『以新式快速原型製程製作陶瓷模具』,國立臺北科技大學製造科技研究所碩士學位論文,2011年。
[48] 林大吉,『陶瓷雷射快速原型機之鋪層系統改善』,國立臺北科技大學機電整合研究所碩士學位論文,2010年。
[49] J. P. Kruth, “Material Incress Manufacturing by Rapid Prototyping Techniques,” CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 40, no. 2, pp. 603–614, 1991
[50] J.-P. Krutha, M. C. Leu, and T. Nakagawa, “Progress in Additive Manufacturing and Rapid Prototyping,” CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 47, no. 2, pp. 525–540, 1998
[51] D. T Pham and R. S Gault, “A comparison of rapid prototyping technologies,” International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 38, no. 10–11, pp. 1257–1287, 1998
[52] Wai-Yee Yeonga, Chee-Kai Chuaa, Kah-Fai Leonga, and Margam Chandrasekaranb, “Rapid prototyping in tissue engineering: challenges and potential,” Trends in Biotechnology, vol. 22, no. 12, pp. 643–652, December 2004
[53] James R. Cordy, Charles D. Halpern-Hamu, and Eric Promislow, “A rapid prototyping system for programming language dialects,” Computer Languages, vol. 16, no. 1, pp. 97-107, 1991
[54] “Reprap,” http://reprap.org/wiki/Fused_filament_fabrication
[55] “Protocafe,” http://www.protocafe.com/RapidPrototyping/FDM
[56] Thomas A. Almquist, Charles W. Hull, Borzo Modrek, and Paul F. Jacobs, Charles W. Lewis, Adam L. Cohen, Stuart T. Spence, Hop D. Nguyen, “Recoating of stereolithographic layers,” U. S. Patent No. US5651934 A, 26 Sep. 1988.
[57] C.-J. Chiou and Y.-S. Lee, “Swept surface determination for five-axis numerical control machining,” International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 42, no. 14, pp. 1497–1507, November 2002
[58] Tomomitsu Niwa, “Numerical control apparatus,” U. S. Patent No. US4788481 A, 10 March. 1986.
[59] Hideaki Kawamura, Takao Sasaki, Kunihiko Murakami, and Masahiko Hosokawa, “Remote diagnosis system of numerical control apparatus,” U. S. Patent No. US5124622 A, 26 July. 1988.
[60] GE Lei-jiao, MAO Yi-zhi, LI Qi, and GAO Jing-qiang, “RS232 Serial Interface Communication with the C Language,” Journal of Hebei University of Technology, Jun 2008.
[61] Barry M. Cook, “IEEE 1355 data-strobe links: ATM speed at RS232 cost,” Microprocessors and Microsystems, vol. 21, no. 7–8, pp. 421–428, 1998.
[62] Wu Xingzhong and Ou Qingli, “Design of a RS232 serial port communication for singlechips with PC,” Foreign Electronic Measurement Technology, January 2009
[63] Wei-Qing Yao and Wei Zhou, ” Design of USB-RS232 converter module based on FT2232H,” Electronic Design Engineering, July 2009
[64] Cheng-Jen Chen, “Method and apparatus for reducing the number of RS232/RS485 transmission converters required for communicating between a PC and a plurality of instruments,” U. S. Patent No. US5956523 A, 9 Aug. 1996.
[65] 陳智源,『並列埠介面直流馬達高轉速穩態誤差改善之模糊控制』,國立彰化師範大學機電工程研究所碩士學位論文,2003年。
[66] Ronald J. Proesel, “General purpose parallel port interface,” U. S. Patent No. US5335338 A, No. US5390321 A, 31 May 1991.
[67] Timothy J. Thornton, Robert Rosen, and Eric K. Henderson, “Modem adapter for use with standard PC parallel port,” U. S. Patent No. US5408614 A, 17 Dec. 1993.
[68] Joseph H. Nord, “Method and system of bi-directional parallel port data transfer between data processing systems,” U. S. Patent No. US5600793 A, 20 Dec. 1994.
[69] Dirk I. Gates, James K. Matthews, Monte A. Pooley, and David B. Rosen, “Parallel port multiplexor for PC parallel port,” U. S. Patent No. US5276443 A, 27 March 1991.
[70] D. Stoianovici, “New Type of Motor: Pneumatic Step Motor,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol.:12, no.: 1, pp. 98–106, Feb. 2007
[71] V. I. Nizhankovskii1 and L. B. Lugansky2, “Vibrating sample magnetometer with a step motor,” Measurement Science and Technology, Meas. Sci. Technol. 18 1533, May 2007
[72] Hashimoto Yoshihiro, Inaba Seiuemon, Kobayashi Kengo, and Shimizu Kanryo, “Step motor acceleration-deceleration control system,” U. S. Patent No. US3579279 A, 16 May 1968.
[73] Morton Sklaroff, “Step motor including permanent magnet rotor and sectioned stator,” U. S. Patent No. US3344325 A, 4 May 1965.
[74] Frerik Brandwijk Johannes and Hendrik Croymans Jacques Johan, “Self-starting low power synchronous step motor,” U. S. Patent No. US3238399 A, 26 July 1960.
[75] Peter F. Dunne, “Step motor control system including a three stage energization for each step,” U. S. Patent No. US3345547 A, 21 Jan. 1965.
[76] Emery J. Magy and Rodney A. MacDonald, “Extendable vehicle step and step motor control system,” U. S. Patent No. US4110673 A, 19 July 1976.
[77] Kenneth S. Kordik, “Variable reluctance step motor with permanent magnets,” U. S. Patent No. US3984711 A, 7 April 1975.
[78] U. Sonnhof, R. Förderer, W. Schneider, and H. Kettenmann, “Cell puncturing with a step motor driven manipulator with simultaneous measurement of displacement,” Pflügers Archiv, vol. 392, no. 3, pp. 295-300, Jan. 1982.

無法下載圖示 全文公開日期 2020/08/19 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
QR CODE