除了3D打印沒有哪個(gè)產(chǎn)品能夠抓住制造業(yè)變革的本質(zhì)。當(dāng)你第一次使用3D打印很難描述當(dāng)時(shí)的感覺。當(dāng)你意識(shí)到你有能力能夠腦海中的想法變成現(xiàn)實(shí)的時(shí)候，那種感覺這是太棒了。當(dāng)今有很多技術(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品制造業(yè)的發(fā)展，例如立體光刻技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、電子束融化技術(shù)（EBM）以及公共認(rèn)可的熔絲加工方法（FFF）。

圖1 3D打印機(jī)器人

3D打印的流程非常簡(jiǎn)單直接。首先我們先要將想法通過(guò)3D模型軟件構(gòu)造出一個(gè)模型出來(lái)，可以從頭設(shè)計(jì)也可以借助3D掃描儀。大部分工作都需要精確的模型設(shè)計(jì)，很多專業(yè)的網(wǎng)站都有別人分享的3D模型，我們可以從中找到我們所需要的。我們完成3D模型的設(shè)計(jì)，然后就需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，從最初的格式轉(zhuǎn)換為STL文件格式，這樣才能夠?qū)氪蟛糠?D打印應(yīng)用軟件。最后打印軟件會(huì)將STL文件分成不同的層生成“gcode”文件，發(fā)送給微控制器來(lái)控制打印機(jī)的操作。塑料一層一層的被塑造起來(lái)，直到完成一個(gè)完整的實(shí)體產(chǎn)品。

圖2：3D打印會(huì)一層一層的塑造出產(chǎn)品

3D打印都要考慮的一個(gè)問題就是電動(dòng)機(jī)以及電動(dòng)機(jī)控制器，我們需要精確操作機(jī)械方面每一步的動(dòng)作。這里我們集中介紹3D打印的熔絲加工（FFF）方式，將塑料絲轉(zhuǎn)化為實(shí)體產(chǎn)品。這種類型的3D打印機(jī)我們中的某些人可能就有，或者至少在制造者大會(huì)以及某些制作工作室見到過(guò)。

步進(jìn)電機(jī)

無(wú)論怎樣的設(shè)計(jì)，所有打印機(jī)都需要根據(jù)打印平臺(tái)（承載正在一層一層被打印的物體）的位置移動(dòng)擠壓機(jī)（塑料絲會(huì)被融化并輸出）。

圖3：步進(jìn)電機(jī)

通過(guò)轉(zhuǎn)換三相電信號(hào)（X,Y,Z）電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。幾乎所有的消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)中都采用的是步進(jìn)電機(jī)。

我們可以見到各種類型的步進(jìn)電機(jī)，一些可能需要專用的組件來(lái)將電機(jī)與微控制器連接起來(lái)。區(qū)分步進(jìn)電機(jī)的首要方式就是根據(jù)國(guó)家電氣制造協(xié)會(huì)或者“NEMA”代碼來(lái)判斷（例如NEMA 15、NEMA 57）。NEMA 17是這類應(yīng)用比較通用的步進(jìn)電機(jī)尺寸，數(shù)字指的是安裝電動(dòng)機(jī)的物理尺寸，并不意味著電壓、電流或者轉(zhuǎn)矩特性等。

區(qū)分不同步進(jìn)電機(jī)的另一個(gè)方式就是判斷它是單極的還是雙極的，我們可以從電機(jī)的線圈和電流流向看出來(lái)。

單極步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)非常的簡(jiǎn)單直接，可以說(shuō)只需要微控制器和一些晶體管就可以了。大部分基礎(chǔ)類型的單極步進(jìn)電機(jī)都有兩個(gè)線圈（專業(yè)術(shù)語(yǔ)“相”），每個(gè)都有一個(gè)中心抽頭。電流流向線圈末端（隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)線圈末端和相）并從中心抽頭流出。簡(jiǎn)而言之，電流總是從某一端流入然后從中心抽頭流出。單極的好處就是讓微控制器能夠直接驅(qū)動(dòng)小型、低功耗的步進(jìn)電機(jī)。而大型步進(jìn)電機(jī)則需要更大的電流，“門”或者“驅(qū)動(dòng)”晶體管可以放置在微控制器和單極步進(jìn)電機(jī)之間。單極步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)就是產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，因?yàn)槊看味贾挥幸话刖€圈受到激勵(lì)。

第一眼看上去雙極步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)可能更簡(jiǎn)單，它們沒有中心抽頭因此接線頭也更少了。所以從電機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，雙極步進(jìn)電機(jī)更簡(jiǎn)單，但是從電子操作的角度來(lái)看雙極步進(jìn)電機(jī)需要更復(fù)雜的控制機(jī)制來(lái)翻轉(zhuǎn)通過(guò)線圈的電流。如果有需要的話，我們可以將單極步進(jìn)電機(jī)改造為雙極步進(jìn)電機(jī)，就是去掉中心抽頭（看圖4 a：中心抽頭是常見的）。為了讓控制接口更簡(jiǎn)單一些，我們采用H橋電路，并且很方便就可以集成到整體電路中。

圖4：a）單極步進(jìn)電機(jī) b）雙極步進(jìn)電機(jī)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

將步進(jìn)電機(jī)與微控制器連接起來(lái)需要借助一些電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如H橋電路。一個(gè)比較流行的集成電路就是L293D，它包含了兩個(gè)H橋電路。微控制器的四個(gè)控制信號(hào)接入到L293D，兩個(gè)信號(hào)用于電機(jī)的每相電路。根據(jù)次序設(shè)計(jì)，半步運(yùn)行或者全步運(yùn)行，微控制器會(huì)激勵(lì)控制線圈，然后驅(qū)動(dòng)芯片輸出控制信號(hào)反饋給步進(jìn)電機(jī)。不同的次序設(shè)計(jì)會(huì)影響電機(jī)的性能。全步運(yùn)行會(huì)是速度更快，但是半步運(yùn)行會(huì)讓控制起來(lái)更加精確。

圖5：L293D H橋內(nèi)部電路

需要注意的重要一點(diǎn)是L293D中的‘D’表示它具備內(nèi)置的反饋回路保護(hù)二極管。當(dāng)然也有的L293芯片沒有二極管，所以當(dāng)你購(gòu)買的時(shí)候選擇正確的型號(hào)。這個(gè)二極管能夠阻止電機(jī)線圈產(chǎn)生的反向電壓。反向電壓會(huì)導(dǎo)致繼電器線圈關(guān)閉以及磁力區(qū)域減少。如果沒有保護(hù)二極管反向電流也會(huì)流入微控制器造成損壞。

將所有組件組裝起來(lái)

圖6：gShield是一個(gè)集成的3D打印控制器解決方案

3D打印的必備屬性就是精確的機(jī)械操作。步進(jìn)電機(jī)為很多3D打印機(jī)提供了精確的控制功能，而且相對(duì)容易使用，成本低。L293D集成電路的使用也讓步進(jìn)電機(jī)與微控制器之間的連接也更簡(jiǎn)單和安全。我們甚至還能夠買到完全的電機(jī)控制解決方案，例如gShield或者grblShield。這些電路背板可以與Arduino對(duì)接，并且集成了多個(gè)H橋IC電路和電源管理電路，這幾乎使得你的3D打印機(jī)即插即用，就這么簡(jiǎn)單。