热熔型3d打印机的工作原理

控制打印头不停的运动，在需要打印的地方将耗材融化并挤出来。就像蜘蛛织网一样，当蜘蛛的网线够大，同时网格够小，那么是不是相邻两格的网线就紧挨着了。我就是这么理解热熔型3d打印机的打印原理的。

需求分解

从以上原理可知，热熔型3d打印机的两个关键点
1，打印头的运动（从一个点运动到另一个点）
2，耗材融化
至于打印头什么时候该从那个点运动到另外的那个点，有切片软件根据3d模型决定，什么时候该融化耗材并挤出耗材也是切片软件决定的。
切片软件把所有的这些信息编程一条一条的G指令和M指令，最后输出一个stl文件。
3d打印机只需要逐个执行这些指令就行了，正确执行完后，打印就结束了。即3d打印机的打印过程就是逐条解析并执行G指令和M指令的过程。
G指令和M指令的解析是纯软件的，不涉及具体硬件。但执行就涉及硬件了，执行无非就两点：控制打印头从一个点运动到另一个点，融化耗材。

打印头的运动

打印头是怎么运动的呢？无非就是电机控制的。
3D打印机常见的有两种结构：三角洲型（像个三棱柱和XYZ型（像个长方体或正方体），
电机运动和打印头运动的换算关系是有3d打印机的结构和3d打印机的实际尺寸决定的。这个也是纯软件的。
目前淘宝上千元级的3d打印机都是热熔型的，电机也是42步进电机，几乎都是开环控制。以典型的3d打印机开源扩展板ramps1.4为例，其上的步进电机控制芯片为A4988，工作原理是给A4988一个脉冲，就驱动步进电机走一步。步进电机转动方向是通过判断另外一个IO输出的高低电平实现。
龙芯1c上有4个硬件pwm，并且每个pwm都可以单独输出单个脉冲。能输出单个脉冲很关键，不再像marlin一样需要通过软件将IO拉高延时再拉低来模拟。大大减轻了cpu的负担。
步进电机的速度是由输出到A4988脉冲个数决定的。marlin中是通过定时器来实现的，每次在定时定时间到后发送一个脉冲（即步进电机转动一步），通过改变定时器的定时时间来控制步进电机速度。这里也采用定时器，不过龙芯1c的硬件定时器是通过pwm中断实现的，即一个硬件定时器占用一个硬件pwm。
经过综合考虑决定，XYZ三个电机分别各占用一个硬件pwm，挤出机的E电机则用软件模拟产生单脉冲。除了XYZ各占一个硬件pwm之外，还剩下的一个硬件pwm用作硬件定时器。
为啥选择挤出机的E电机用软件模拟产生单脉冲呢？因为挤出机的E电机相对XYZ来说速度很慢。这种方案在打印步进电机微步距离为0.01mm，打印速度为30mm/s时，不会明显感觉到挤出机电机E有滞后的现象，当打印速度再提高一些，比如100mm/s时，通过中断下半部这种方案可能欠佳，可以换为在定时器到后，在需要的电机上输出高电平，再启动一个定时时间2us的定时器，在这个2us的定时器中断中将所有电机拉低，这样也可以实现输出脉冲，并保证XYZE一致。

融化耗材

通过NTC热敏电阻+AD芯片TM7705实现测量温度，再用pid算法将温度控制在200度左右，这样PLA耗材就可以被融化，并被挤出机挤出。
很遗憾，龙芯1C（具体芯片型号1C300A）本身自带AD功能，经过测试发现精度稍差，后面改用外挂TM7705来解决。
还有一点需要重点提出的是，将温度采集的采样周期和加热头的pwm周期提高到100毫秒级，使温度采集间隔用延时实现，控制加热头的pwm也是软件模拟。这样相当于又省下了2个硬件pwm。
热床的温度采集也可以用TM7705+NTC热敏电阻实现，一片TM7705有两个AD通道。

源码和测试视频

源码git地址 http://git.oschina.net/caogos/marlin_ls1c
测试视频 http://www.tudou.com/home/_86421751

技术要点详解

【龙印】把龙芯1c的pwm用作定时器并产生中断 http://blog.csdn.net/caogos/article/details/52381914
【龙印】用龙芯1c的硬件pwm产生单个脉冲来驱动步进电机 http://blog.csdn.net/caogos/article/details/53641079
【龙印】龙芯1c上双路16位AD芯片TM7705的linux驱动 http://blog.csdn.net/caogos/article/details/53034196
【龙印】在龙芯1c上用TM7705+NTC热敏电阻实现温度测量 http://blog.csdn.net/caogos/article/details/53126628
【龙印】以程序员的角度整定3d打印机的pid实现控温 http://blog.csdn.net/caogos/article/details/53516168

本方案的优缺点

整个方案中，对实时性要求较高的就是步进电机速度控制，这个已经用一个硬件定时器用中断的方式解决了。
理论上对温度控制对实时性也是有要求的，通过将温度的采样周期和加热头的pwm周期提高到百毫秒级，百毫秒对于龙芯1c来说完全可以用软件定时器实现，所以这个问题也解决了。
综上所述，整个方案的实现对是否采用实时系统几乎没要求，当然如果采用实时操作系统可能会做得更好。也正是因为通过这种用硬件中断方式巧妙解决了实时性，所以marlin源码就没有采用实时操作系统，而是裸机程序。和marlin不一样的是，这里选择使用基于linux来实现。当然考虑过用裸机程序或者实时操作系统，可是到目前（2017/2/21）为止龙芯1c的裸机程序中怎样实现中断都还没成功案例，号称支持龙芯1c的RT-Thread似乎支持的力度还不够，连最常见的标准库函数中的数学计算函数都没法用，所以最后选择了linux。

虽然linux并非实时操作系统，但只要解决好实时性问题（通过前面分析和最新测试结果显示实时问题已经很好解决了），那么linux系统的很多优点就会展现在大家面前。比如，linux中带有很多已经调试好的龙芯1c相关代码（触屏，以太网，USB WIFI等）。

和那些使用主频较低的单片机来实现的FDM 3d打印机比较而言，优势可以有以下几方面：

LCD是处理器龙芯1c自带的lcd控制器，比串口屏快很多，都不是一个级别的；

网口也类似是处理器集成的，而不是单独的网口模块；

可以充分利用USB OTG功能，3d打印机通过USB线与电脑通信，而不是串口，这可以大大提高通信速率，甚至在3d打印机通过USB线连上电脑后，在电脑上显示一个磁盘出来，这样GCODE文件就可以直接复制到这个磁盘中，通过这种更自然的方式将gcode文件传到3d打印机，而不是通过SD卡（当然也可以支持SD卡和U盘的形式）。

只要处理器性能允许还可以加入更多功能，来差异化，多样化。

期望

希望后续的龙芯1x系列cpu提供更多的硬件pwm，个人认为至少6个。对于3D打印机来说，XYZE各一个pwm，控制步进电机速度的定时器占一个pwm，加热头占一个pwm，共计6个，如果加上热床，就7个，如果支持多种颜色打印，即多个E电机的话，就需要更多pwm。

实际上现在很多都需要用到pwm控制电机，比如四旋翼无人机也好，平衡车，四轮小车等，所以能提供6个或8个pwm。

另外，希望能将cpu自带的AD精度提高一些。

拓展

本方案除了适用于3D打印机，同时适用于雕刻机（CNC）。雕刻机和3D打印机本身就是天生的一对。

参考文献

http://blog.sina.com.cn/s/blog_679933490102vv8z.html    Marlin固件代码框架的理论讲解
http://blog.csdn.net/oxiaridebing/article/details/47760259     用C移植的一个精简版的Marlin固件的代码详解
http://reprap.org/wiki/G-code/zh_cn 3D打印机Gcode详解
《marlinsourcecode马琳固件精读.pdf》（已下载放到doc目录）
http://tieba.baidu.com/p/3020211228?share=9105&fr=share Kossel/Rostock 结构设计与Marlin固件参数的计算
http://tieba.baidu.com/p/3893488682    Kossel打印机调试中的几个疑问，适用于delta机型
http://tieba.baidu.com/p/3389762757?fr=good   Kossel架构打印机偏差分析
http://tieba.baidu.com/p/3221143425?fr=good   打印台不平的一种误判
http://tieba.baidu.com/p/3669279278?fr=good   Delta机型M666调平原理
http://tieba.baidu.com/p/4446984321    Marlin固件：关于步进电机参数调节的分析
http://yun.baidu.com/s/1bnET6nP       一款3D打印机DIY学习套件的资料（包括各个配件组装视频教程，整机调试视频教程，配套软件等。这是在淘宝上找的，淘宝上还有更多更好的，自己找吧）
http://tieba.baidu.com/p/2944800373   800元组装一台3d打印机全教程流程
http://tieba.baidu.com/p/3021889363   关于kossel在固件里校准打印精度，打印高度的2个关键点
http://www.dayinhu.com/tutorial/725.html 【打印虎】RepRap 3D打印机热敏电阻设置图解
百度文库《用NTC热敏电阻做温度采集》
https://github.com/jcrocholl/kossel https://github.com/josefprusa/Prusa3-vanilla 3d打印机打印件的stl和scad文件
http://www.dayinhu.com/tutorial/399.html 【打印虎原创】RepRap_Prusa_i3_3D打印机步进电机设置图解
http://www.dayinhu.com/tutorial/764.html 【打印虎】用OpenSCAD修改RepRap Prusa i3 3D打印机打印件设计图解
http://blog.csdn.net/zzhongcy/article/details/21992123 TCP socket如何判断连接断开
百度文库《3D打印质量问题解决指南(23个常见问题解决办法)》

http://blog.csdn.net/zyboy2000/article/details/9418257 PID调节经验

http://tieba.baidu.com/p/4673858533 打印质量排故指南（中文版）
https://www.simplify3d.com/support/print-quality-troubleshooting/ 英文版打印质量排故指南 Print Quality Troubleshooting Guide

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