增材制造系統(tǒng)控制方案設(shè)計與實現(xiàn)

增材制造系統(tǒng)控制方案設(shè)計與實現(xiàn)增材制造系統(tǒng)控制方案設(shè)計與實現(xiàn)摘要增材制造技術(shù)即“3D打印技術(shù)”，其被視作是制造業(yè)發(fā)展的一個重要方向;然而在3D打印機中,有關(guān)機電設(shè)備的控制效果直接影響著3D打印的精度，因此研究有效的增材打印系統(tǒng)控制方案是發(fā)展3D打印技術(shù)的首要途徑。本文針對3D打印機控制系統(tǒng)的若干設(shè)計問題，構(gòu)建了一種可實現(xiàn)高精度打印效果的增材制造系統(tǒng)控制方案，并在基于熔融沉積成型（FDM)技術(shù)的3D打印機中進行了系統(tǒng)實現(xiàn)和測試驗證。方案首先對步進電機及其驅(qū)動進行計算選型，從硬件方面提高打印精度；其次是在控制方案中采用直線Bresenham算法和PID溫度控制代碼設(shè)計,從軟件方面提高打印精度;最后使用國際知名創(chuàng)客雜志《Make》測試\t”_blank”3D打印機時使用的性能測試方法的評測系統(tǒng)性能，獲得了高精度打印的效果。因而，該方案在增材制造系統(tǒng)中具有可觀的應用價值。關(guān)鍵詞：3D打印,步進電機，高精度,直線Bresenham算法

ABSTRACTAdditivemanufacturingtechnologythatis”3Dprintingtechnology”，whichisconsideredtobeanimportantdirectionofdevelopmentofmanufacturingindustrybut3Dprinters，electricalandmechanicalequipment'scontroldirectlyaffecttheaccuracyof3Dprinting，sothestudyofeffectiveadditiveprintingsystemcontrolistheprimarywaytodevelop3Dprintingtechnology.Severaldesignproblemsof3Dprintercontrolsystem，thispaperconstructsanadditivemanufacturingtoachievehigh—precisionprintingsystemcontrol,andfuseddepositionmodeling（FDM）technology3Dprinterforthesystemimplementationandtesting.Theprogramfirstofthesteppermotoranditsdrivetocalculatetheselection，fromthehardwaretoimprovetheprintingaccuracy;followedbythecontrolprogramusingastraightlineBresenhamalgorithmandPIDtemperaturecontrolcodedesign,fromthesoftwaretoimproveprintaccuracy；FinallyusetheinternationallyrenownedOffthe”Make"testwhenusingtheperformancetestmethodof3Dprinterevaluationsystemperformance,accesstohigh—precisionprintingresults。Thus,theprogrammeintheadditivemanufacturingsystemshaveconsiderablevalue。Keywords：3Dprint,_blank”steppingmotor，high—precision,LinearBresenhamalgorithm目錄TOC\o”1-3”\h\z\u_Toc484033668"ABSTRACT IIHYPERLINK\l”_Toc484033670”第一章增材制造技術(shù)概述 1HYPERLINK\l”_Toc484033671"1。1增材制造技術(shù)背景 1_Toc484033673”1。1.2增材制造技術(shù)的應用價值及前景 2HYPERLINK\l”_Toc484033674”1.2增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀 41.2.1增材制造技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4_Toc484033677"1.3課題研究內(nèi)容 7第二章增材制造系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 92.1增材制造系統(tǒng)的構(gòu)成 9HYPERLINK\l”_Toc484033680”2.1.1增材制造系統(tǒng)基本構(gòu)架 9HYPERLINK\l”_Toc484033681”2。1.2增材制造系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 10HYPERLINK\l”_Toc484033682"2。1。3增材制造系統(tǒng)軟件組成 12HYPERLINK\l”_Toc484033683”2.2增材制造系統(tǒng)的工作原理及流程 13HYPERLINK\l”_Toc484033684”2。2.1增材制造系統(tǒng)的工作原理 132.2。2增材制造系統(tǒng)的工作過程 14HYPERLINK\l”_Toc484033686"2.3本章小結(jié) 15HYPERLINK\l”_Toc484033687”第三章增材制造系統(tǒng)控制模塊硬件設(shè)計 163。1。1控制模塊硬件組成及其指標 173。1。2控制模塊硬件工作流程 18HYPERLINK\l”_Toc484033691”3.2步進電機選型 193.2。1步進電機介紹 19HYPERLINK\l”_Toc484033693"3。2.2X、Y軸電機的計算 213。2。3Z軸電機的計算 23HYPERLINK\l”_Toc484033695”3.2.4步進電機的選取 25HYPERLINK\l”_Toc484033696"3.3定位電機驅(qū)動和部署設(shè)計 26HYPERLINK\l”_Toc484033697"3.3.1電機驅(qū)動的選擇 26HYPERLINK\l”_Toc484033698”3.3。2電機部署設(shè)計 263.4控制模塊硬件電路設(shè)計 27HYPERLINK\l”_Toc484033700”3.4.1硬件開發(fā)平臺 273。5本章小結(jié) 31HYPERLINK\l”_Toc484033703”第四章增材制造系統(tǒng)控制程序設(shè)計 32HYPERLINK\l”_Toc484033704"4。1控制程序方案 324。1.1控制目標 32HYPERLINK\l”_Toc484033706”4。1。2控制方案 32HYPERLINK\l”_Toc484033707"4.2控制程序開發(fā)平臺 33_Toc484033709”4.3。1運動控制原理 354。3.2定位電機精度控制算法(Bresenham算法） 374.4控制程序代碼設(shè)計 38HYPERLINK\l”_Toc484033712”4.4.1運動控制代碼設(shè)計 38HYPERLINK\l”_Toc484033713”4。4。2PID溫度控制代碼設(shè)計 40HYPERLINK\l”_Toc484033714"4。5本章小結(jié) 44_Toc484033716”5.1測試準備工作 455。2控制程序測試結(jié)果 46HYPERLINK\l”_Toc484033718”5.2。1下載固件 46HYPERLINK\l”_Toc484033719"5。2.2上位機與板子連接 50HYPERLINK\l”_Toc484033720”5。3硬件模塊測試結(jié)果 50HYPERLINK\l”_Toc484033721”5.3.1溫度模塊測試 50HYPERLINK\l”_Toc484033722"5.3.2三個輸出端測試 50_Toc484033724”5.3.3擠出機電機測試 525.3.4限位開關(guān)測試 52HYPERLINK\l”_Toc484033726"5.4系統(tǒng)性能評估 53_Toc484033728”6。1全文結(jié)論 58HYPERLINK\l”_Toc484033729”6。2工作展望 58致謝 60HYPERLINK\l”_Toc484033731”參考文獻 61PAGE35第一章增材制造技術(shù)概述1.1增材制造技術(shù)背景隨著近幾十年互聯(lián)網(wǎng)浪潮席卷全球，信息社會已經(jīng)深入到人類社會的方方面面，使得傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式已經(jīng)難以滿足社會發(fā)展的需要，人類對新工業(yè)革命的呼聲日益高漲。而縱觀具有推動新工業(yè)革命潛力的各項技術(shù)中,增材制造技術(shù)（即3D打印技術(shù)）無疑是最受期待的之一。3D打印技術(shù)具有工業(yè)革命意義的新興制造技術(shù)，是材料科學、制造工藝與信息技術(shù)的高度融合與創(chuàng)新，是推動生產(chǎn)方式向柔性化、綠色化發(fā)展的重要途徑，補充優(yōu)化傳統(tǒng)制造方式、催生生產(chǎn)新模式、新業(yè)態(tài)和新市場的重要手段。全球范圍內(nèi)，很多企業(yè)家和研究者都認為3D打印會成為引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)革命的顛覆性創(chuàng)新[1］。1。1。1增材制造技術(shù)起源及發(fā)展增材制造技術(shù)的起源可以追溯到19世紀末的美國，在業(yè)界的學名為“快速成型技術(shù)”。一直只在業(yè)內(nèi)小眾群體中傳播，直到20世紀80年代才出現(xiàn)成熟的技術(shù)方案，在當時,撇開其非常昂貴的價格不說,能打印出來的數(shù)量也極少，幾乎沒有面向個人的打印機產(chǎn)品，都是面向企業(yè)級的用戶。但在技術(shù)逐漸走向成熟的今天，越來越多的愛好者積極參與到3D打印技術(shù)的發(fā)展和推廣中。與日俱增的新技術(shù)、新創(chuàng)意、新應用，以及呈指數(shù)暴增的市場份額，都讓人感到3D打印技術(shù)的春天[2]。增材制造技術(shù)起源及發(fā)展如表1。1所示.

表1。1增材制造技術(shù)起源及發(fā)展時間發(fā)明者技術(shù)名稱技術(shù)特點/技術(shù)意義1988CharlesHull光固化成型(SLA）體型龐大ScottCrump熔融擠壓成型（FDM)用熱塑性材料來制作物體1989C.R.Dechard選擇性激光燒結(jié)(SLS）利用高強度激光烤結(jié)材料1993EmanualSachs三維噴墨粘粉打?。?DP）用粘結(jié)劑將材料粉末粘成型19963DSystemsActua2100第一次使用了“3D打印機”的名稱StratasysGenisysZCorporation24022005ZCorporationSpectrum2510世界上第一臺高精度彩色3D打印機2008Darwin第一代基于REPRAP的3D打印機正式發(fā)布2010Stratasys3D打印機打印出一輛完整身軀的轎車2011南安營敦大學世界上第一架3D打印飛機2014NASA首次在太空中完成3D打印2016美國哈佛大學3D打印出心臟芯片LocalMotors全球首輛3D打印自動駕駛公交車問世全球首個3D整體打印別墅在北京落成1。1。2增材制造技術(shù)的應用價值及前景對于傳統(tǒng)的制造業(yè)來說，車、鉆、銑、刨、磨等是生產(chǎn)、加工、制造的主要手段，雖然加工方式很多，但是依然有很多零件是傳統(tǒng)加工方式難以加工的，這也就是為什么傳統(tǒng)制造業(yè)會有工藝這個概念，也就是把圖紙上的零件變?yōu)楝F(xiàn)實產(chǎn)品的過程，這其中可能會涉及到多道工藝，需要多種加工方式相互配合，其制造周期會經(jīng)歷較長的時間。而對于3D打印技術(shù)來說這些都將不再是加工過程中的攔路虎，任何復雜的結(jié)構(gòu)在經(jīng)過計算機切片算法分層之后都變?yōu)榱撕唵蔚闹本€路徑。另一方面，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式為去材料的加工，即減材制造，加工的過程中會產(chǎn)生大量的廢料，雖說可以再回收，但還是會造成一定的人力物力的浪費，而增材制造,加工的過程中不會產(chǎn)生廢料，無需考慮工藝，任何圖紙上的零件3D打印都可以把它變?yōu)楝F(xiàn)實產(chǎn)品，可以說3D打印思想將是一項顛覆傳統(tǒng)制造的技術(shù).總之,3D打印技術(shù)有非常好的發(fā)展前景和研究價值。機械制造領(lǐng)域：對比機加工,3D打印技術(shù)擁有無可比擬的優(yōu)勢，使用簡單的工藝就能實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)零件的加工，尤其在小批量、單件零件生成時應用最為廣泛,使用3D打印技術(shù)直接成型，大量節(jié)省了人力、物力,降低了生產(chǎn)成本，縮短了制造周期.航天技術(shù)領(lǐng)域：在該領(lǐng)域中的的產(chǎn)品通常形狀結(jié)構(gòu)復雜、精度要求較高、造價高昂、制造周期長，還需具備流線型特性的特殊要求，一旦某個部件損壞沒有備用品時,那么等待訂購新的貨源周期將會造成巨大的經(jīng)濟損失。但東航正是使用3D打印技術(shù)將指示牌制作長達180天的訂貨周期，縮短到一周的時間制造了出來。醫(yī)學領(lǐng)域：3D打印技術(shù)可以說為眾多患者帶來了福音，該技術(shù)可以為殘疾人打印假肢，其中也包括受傷的動物，通過掃描傷口可以打印完美契合患者的假肢，從而減少患者適應假肢過程中的痛苦；3D打印牙齒，可以完美貼合牙床，同時制造周期比傳統(tǒng)補牙方式更短。產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域：在產(chǎn)品設(shè)計競爭日益激烈的市場中,只有新穎和富有創(chuàng)造力的產(chǎn)品才能得以生存，但這些產(chǎn)品通常因難于加工而停留在了概念階段，但是運用3D打印技術(shù)可以讓任何概念性的產(chǎn)品設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實，可以說只有你想不到的沒有3D打印機做不到的。文化藝術(shù)領(lǐng)域：在該領(lǐng)域中3D打印技術(shù)可以高度還原許多珍貴的藝術(shù)品,使得研究人員可以使用仿真的模型進行研究,同時也可復制文物到各國展覽。建筑設(shè)計領(lǐng)域：對于建筑設(shè)計的領(lǐng)域，通常人們的反應就是一磚一瓦的建造房屋，但在美國卻已經(jīng)有了3D打印的房屋，整個房屋渾然一體,一次性打印完成，也許房屋強度能否經(jīng)受惡劣環(huán)境還有待驗證，但是3D打印的高度逼真效果使它在構(gòu)建建筑模型進行測試及效果展示等方面具有較明顯的優(yōu)勢。3D打印機不僅僅是在醫(yī)學、產(chǎn)品設(shè)計、文化藝術(shù)、建筑領(lǐng)域，在諸如動漫模型、汽車零配件、工業(yè)模型等領(lǐng)域都看可以它的身影，由于3D打印增材制造的特點,所有的產(chǎn)品都是渾然一體,其良好的穩(wěn)定性和高強度性使其在重工業(yè)和精密制造行業(yè)也有用武之地，可以預見3D打印的發(fā)展前景非常的廣闊。從全球來看未來市場潛力將不斷超預期。多家機構(gòu)預計，未來3D打印行業(yè)仍將保持高速增長，2017年，市場規(guī)模有望超100億美元，未來年均復合增長率將達到33％。我國3D打印市場規(guī)模的年均復合增長率將保持在40％左右，且有望超出預期.到2020年，市場規(guī)模有望達到300億到450億元.雖然我國3D打印起步較晚，但擁有全球最大的3D打印潛在市場，未來我國3D打印市場規(guī)模增速有望高于全球水平[2］。1.2增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀1。2。1增材制造技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(1)國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)開展3D打印技術(shù)研究的時間基本與世界同步，目前開展3D打印技術(shù)研究的單位也很多，幾個領(lǐng)先的單位和高校的工作各有特色，在某些研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。20世紀90年代,西北工業(yè)大學、北京航空航天大學等高校就開始了有關(guān)激光快速成形技術(shù)的研究。西北工業(yè)大學建立了激光快速成形系統(tǒng)，針對多種金屬材料開展了工藝實驗，近年來西工大團隊采用3D打印技術(shù)打印了最大尺寸3m、重達196kg的飛機鈦合金左上緣條；北京航空航天大學同樣在大尺寸鈦合金零件的3D打印方面開展了深入的研究，采用激光熔融沉積方法制備出了大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件；華中科技大學在激光選區(qū)熔化和激光選區(qū)燒結(jié)方面開展了很多工作，對金屬材料及高分子材料的3D打印進行了研究，并且開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的SLM設(shè)備——HRPM系列粉末熔化成形設(shè)備；西安交通大學在生物醫(yī)學用內(nèi)置物的3D打印以及金屬材料的激光熔融沉積成形方面開展了工作，完成了多例骨科3D打印個性化修復的臨床案例,通過激光熔融沉積制備了發(fā)動機葉片原型，最薄處可達0.8mm,并具有定向晶組織結(jié)構(gòu)。清華大學在國內(nèi)也較早地開展了3D打印技術(shù)研究，研究領(lǐng)域主要是在電子束選區(qū)熔化（EBM)技術(shù)方面，并且研發(fā)了相關(guān)的3D打印設(shè)備［2］。國內(nèi)除了高校之外,許多研究所也在開展3D打印技術(shù)研究。西北有色金屬研究總院在電子束選區(qū)熔化工藝及設(shè)備研發(fā)方面進行了研究，并開展了鈦合金、TIAL合金的電子束熔化成形工藝研究；中國航空工業(yè)集團公司北京航空制造工程研究所開展了電子束熔絲沉積成形的研究工作，并具備此類設(shè)備的研發(fā)能力,采用這種方法已經(jīng)成形出2100mm×300mm鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件；中國航空工業(yè)集團公司北京航空材料研究院近年來開展了激光熔融沉積成形的系統(tǒng)研究,發(fā)揮了航材院材料、工藝、檢測、失效分析等專業(yè)優(yōu)勢，成立了由多專業(yè)聯(lián)合參與的“3D打印研究與工程技術(shù)中心",旨在推動3D打印技術(shù)在航空、航天、生物醫(yī)學等領(lǐng)域的快速應用，特別在金屬基復合材料、梯度材料、超高溫結(jié)構(gòu)材料、航空關(guān)鍵件修復等方面開展了深入研究，部分成果已經(jīng)獲得應用［3].為了推動3D打印技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化,國家工信部2015年2月聯(lián)合發(fā)改委及財政部發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015——2016年）》,明確了中國3D打印技術(shù)發(fā)展的目標和方向，同時也指出中國增材制造產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，與先進國家相比存在較大差距，尚未形成完整的產(chǎn)業(yè)體系,離實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應用還有一定距離。關(guān)鍵核心技術(shù)有待突破，裝備及核心器件、成形材料、工藝及軟件等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱,政策與標準體系有待建立,缺乏有效的協(xié)調(diào)推進機制［3］。（2)國外研究現(xiàn)狀［16］—［17］-[18]在20世紀90年代，激光熔融沉積成形技術(shù)（LD—MD)首先在美國發(fā)展起來。約翰霍普金斯大學、賓州大學和MTS公司通過對鈦合金3D打印技術(shù)的研究,開發(fā)出一項以大功率CO2激光熔覆沉積成形技術(shù)為基礎(chǔ)的“鈦合金的柔性制造”技術(shù)，并于1997年成立了AerMet公司。該公司在2002——2005年之間就通過3D打印技術(shù)制備了接頭、內(nèi)龍骨腹板、外掛架翼肋、推力拉梁、翼根吊環(huán)、帶筋壁板等飛機零部件；美國San——dia國家實驗室采用該技術(shù)開展了不銹鋼、鈦合金、高溫合金等多種金屬材料的3D打印研究，并成功實現(xiàn)了某衛(wèi)星TC4鈦合金零件毛坯的成形。成形過程所用時間相比傳統(tǒng)方法明顯縮短；2014年5月，美海軍在巴丹號航母上硬著艦了一架前起落架損壞的鷂式戰(zhàn)機,三個月后，“美艦艇備戰(zhàn)中心"稱艦上人員已經(jīng)通過3D打印技術(shù)修復了該飛機。同樣是在20世紀90年代,德國Fraunhofer研究所提出了利用激光選區(qū)熔化（SLM)打印金屬材料的方法，并在2002年研究成功。隨后多家公司推出了SLM設(shè)備，如MCP公司開發(fā)的MCPRealizer系統(tǒng)、EOS公司開發(fā)的EOSINTM系列，RENISHAW公司開發(fā)的AM250系統(tǒng)等。此外，國外多家高校及研究所如德國亞琛工業(yè)大學、英國利茲大學、利物浦大學、比利時魯文大學、日本大阪大學以及英國焊接研究所、德國Fraunhofer激光技術(shù)研究所等得到了歐盟第六七框架計劃、德國研究基金等機構(gòu)及波音、洛克希德—-馬丁、EADS等大型航空航天企業(yè)的資助，對SLM材料特性、缺陷控制、應力控制等基礎(chǔ)問題開展了大量研究工作。在SLM技術(shù)的應用方面，2012年GE通用電氣航空集團收購了名叫Morris的3D打印企業(yè)，采用激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù)為LEAP噴氣式發(fā)動機制造燃油噴嘴，目前GE航空集團已經(jīng)接受了超過4000臺LEAP噴氣式發(fā)動機的訂單,其中要通過3D打印制造的零件數(shù)量巨大。另一方面，SLM技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也得到了應用,例如通過SLM技術(shù)成形Co-—Cr合金的可摘除式局部義齒，不銹鋼材料的基底冠、全冠和固定橋。20世紀90年代，瑞典的Chalmers工業(yè)大學與Arcam公司合作開發(fā)出了另一種金屬材料3D打印技術(shù)——電子束選區(qū)熔化成形（EBM)技術(shù)，Arcam公司隨后在2003年推出了首臺商用的EBM設(shè)備，并相繼推出了一系列的EBM產(chǎn)品，客戶包括國外許多工廠、高校及研究機構(gòu)。EBM工藝目前主要在航空航天及生物醫(yī)療方面有所應用,目前通過EBM打印的顱骨、股骨柄、髖臼杯等骨科植入物已經(jīng)得到了臨床應用，EBM技術(shù)在此方向的研究應用已經(jīng)較為成熟;近年來，EBM技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，多家航空公司都開展了利用EBM技術(shù)制造航空發(fā)動機復雜零件的研究,其中意大利AVIO公司利用該技術(shù)成功的制備出了TIAL基合金發(fā)動機葉片，引起了航空制造界廣泛關(guān)注。由于3D打印技術(shù)諸多優(yōu)點及其廣闊的市場前景，世界上多個國家都加大了對3D打印技術(shù)的投入。2012年8月美國撥款3000萬美元在俄亥俄州成立了國家增材制造創(chuàng)新研究所(NationalAdditiveManu——facturingInnovationInstitute，NAMII），在2013年3月，該中心從其成員項目申報中遴選了首批7項研究資助項目，總金額950萬美元.在2014年1月，該中心又從其成員項目中選擇了15項進行資助，總經(jīng)費為1930萬美元。這些項目包括了3D打印材料、工藝、裝備與集成、質(zhì)量控制等方面，反映出美國在3D打印領(lǐng)域開展了廣泛的研究，產(chǎn)業(yè)布局較為完整;2013年6月，英國政府宣布將向18個創(chuàng)新型3D打印項目投入1470萬英鎊進行資助,項目期限是1～3年；日本政府在2014年預算案中劃撥款40億日元用來實施以3D成形技術(shù)為核心的制造革命計劃,包括金屬材料3D打印設(shè)備的研發(fā)、精密3D打印系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)、3D打印零件的評價研究等。各國大力投入，促進了3D打印技術(shù)快速發(fā)展。1.2。2增材制造技術(shù)存在的問題（1）存在成型工藝精度低、穩(wěn)定性不夠和尺寸范圍小等問題；(2）成形的效率需要進一步提高；（3)國內(nèi)打印耗材主要為塑料,打印材料的局限性導致了3D打印技術(shù)并未得到廣泛的應用[4］；（4）計算能力和硬件資源有限，不能滿足擴展新功能的要求；（5）小型3D打巧機大多采用雙色LCD屏幕和按鍵操作，界面顯示效果較差。不能滿足消巧者對用戶體驗的追求[5］；（6）步進電機控制算法不合理，造成打印過程中的機械震動，影響打印質(zhì)量；（7）現(xiàn)有3D打巧機工作需要人員現(xiàn)場操作，定時査看，難以實現(xiàn)真正意義上的自動化生產(chǎn)［6]。1.3課題研究內(nèi)容本文以3D打印的控制為中心展開，主要的研究目的是從軟件和硬件的兩個方面解決3D打印機的打印精度問題。在硬件方面，將利用步進電機及與其匹配的驅(qū)動來保證打印的高精度；在軟件方面，主要將采用PID溫度控制和Breseham算法提高打印精度。最后,基于控制方案的設(shè)計進行系統(tǒng)測試，檢測系統(tǒng)是否有較高的打印精度。論文的章節(jié)安排大致如下：第一章介紹增材制造技術(shù)的發(fā)展情況以及存在的問題,引出本文研究目的為解決3D打印機的打印精度問題。第二章闡述增材制造技系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和工作過程。第三章為增材制造系統(tǒng)控制模塊硬件設(shè)計,重點為步進電機及其驅(qū)動器選型.第四章是增材制造系統(tǒng)控制程序設(shè)計,重點為Bresenham算法和PID溫度控制代碼設(shè)計。第五章進行增材制造系統(tǒng)控制模塊測試，重點為使用國際知名創(chuàng)客雜志《Make》測試HYPERLINK”/news/list_100.html”\t"_blank”3D打印機時使用的性能測試方法的評測本系統(tǒng)打印精度.第六章為結(jié)束語.

第二章增材制造系統(tǒng)理論基礎(chǔ)2.1增材制造系統(tǒng)的構(gòu)成2。1.1增材制造系統(tǒng)基本構(gòu)架增材制造系統(tǒng)由上位機和下位機組成，系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)基本架構(gòu)圖本設(shè)計中上位機軟件采用Printerinterface，Printerinterface能夠生成GCode，然后將GCode通過串口通信傳遞至下層Arduino控制平臺，同時獲取Arduino控制平臺反饋的位置坐標信息。下位機由液晶屏、通信接口、供電系統(tǒng)、Arduino2560控制板、溫度控制電路、供料機構(gòu)、步進電機以及電機驅(qū)動組成.Arduino控制器負責解碼由上位機傳遞過來的控制信息，并根據(jù)控制信息的位置和溫度等信息，控制給進電機和打印噴頭，以及風扇和加熱裝置，同時將電機的位置和熱床噴頭的溫度實時反饋至上位機.2.1。2增材制造系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)硬件平臺Arduino板，是一個開源的單片機電子設(shè)計平臺，在單片機編程中有很多常用的功能,如數(shù)據(jù)讀取和寫入、串口中斷、外部中斷、延時等，這些功能都是被模塊化的。熱熔塑料進料頭，笛卡兒坐標系統(tǒng)為3D打印機提供了精確的線性定位，而加上一個進料頭我們就能夠擠出細的熱熔絲一一種加熱后會變軟呈半流體狀的塑料。它是3D打印機中最復雜的部分了，而且現(xiàn)在還在不斷改進,這部分由兩個關(guān)鍵的部件組成：擠絲驅(qū)動器和熱熔加熱頭。擠絲驅(qū)動器通過齒輪驅(qū)動機構(gòu)拉動繞在線軸上的熱熔絲,熱熔絲的直徑通常是3毫米或1。75毫米。大部分情況下,擠絲驅(qū)動器通過一個步進電機來控制進入加熱頭的流量，為了增加驅(qū)動力，這些電機通常連接一個打印的齒輪或者一個變速箱。熱熔絲由擠絲驅(qū)動器拉動進入進料頭,然后送到加熱頭.加熱頭通常是與進料頭的其余部分隔熱的.它由一大塊鋁塊、嵌入式加熱器件或其他加熱組件以及一個溫度傳感器構(gòu)成，當熱熔絲到達加熱頭，就會披加熱到170-220℃,加熱的溫度取決于你使用的熱熔絲種類。旦熱熔絲變成半流體狀態(tài)，就會通過加熱頭下方0.35—0.5毫米直徑的開口流出,并在打印托盤上繪制當前所打印層的外圍輪廓或者根據(jù)填充方式進行內(nèi)部填充.直線運動導軌，3D打印機采用的直線運動導軌系統(tǒng)（或者說是允許各個軸運動的機械部件)決定了打印機的精度、速度以及設(shè)備長時間工作時的維護成本。大部分個人3D打印機每個軸向上都使用光滑精密的連桿，同時用塑料、銅軸承或線性軸承制作一個滑塊在連桿上滑動。線性軸承因為其流暢的運動及更長的使用壽命而成為目前最受歡迎的滑塊制作材料,但是它在工作時產(chǎn)生的噪聲比各種自制的銅軸承大.擋塊，3D打印機中各個軸向上的行程長度是有限的,所以需要一個機械的或光電的擋塊，從本質(zhì)上說，這就相當于是一個開關(guān)，當檢測到連桿上的滑塊到達極限時會產(chǎn)一個信號給打印機的控制板，以防止滑塊運動超過了行程長度。在操作中沒有嚴格的要求必須安裝所有擋塊，但每個軸向上的最小位置至少安裝一個擋塊?？蚣埽瑢⑺薪M件連接在一起的就是3D打印機的框架，框架的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)決定了包括3D打印機精度在內(nèi)的很多特性。所有RepRap類型機器的框架都是通過螺紋桿將3D打印的部件與其他硬件連接起來構(gòu)成的.另外,BoxBot類型的機器，如MakerBot或者MakerGeKMosaic，其框架都是將膠合板激光切割后.用螺栓固定在一起。打印托盤，打印托盤是你用3D打印機打印東西的平臺，每一種打印機的打印托盤大小可能都不祥，大小從100平方毫米到200平方毫米不等,介于4英寸到8英寸,或者更大.現(xiàn)在市場上大部分的個人3D打印機會提供一個能自加熱的打印托盤，要么是標配，要么是選配，如果你想自己做一個也不是什么難事.在3D打印機中,打印托盤用來防止打印物品在冷卻時變形或開裂，同時保證物品的底部牢牢地粘在打印托盤上。為了保證良好的導熱性,以及表面的平滑和水平打印托盤的上面一層通常是玻璃或鋁板,玻璃的光滑性更好,而鋁板的導熱性更好。同時為了防止物品在打印過程中從托盤上掉下來,根據(jù)打印時使用的熱熔絲不同，在托盤表面通常會貼上一種價格便宜、可定期更換的膠帶。膠帶的材質(zhì)包括Kapton類的聚酰亞胺膠帶或PET類的聚酯膠帶，甚至是在硬件商店里各種藍色的紙膠帶［7］。電機驅(qū)動，本設(shè)計中使用的是DM442，采用最新32位DSP技術(shù),具備優(yōu)秀的中低速性能，能夠滿足大多數(shù)中小型設(shè)備的應用需要。采用內(nèi)置微細分技術(shù)，即使在低細分條件下，也能夠達到高細分的效果，中低速運行都很平穩(wěn)，噪音極小。驅(qū)動器內(nèi)部集成了參數(shù)自整定功能，能夠針對不同電機自動生成最優(yōu)運行參數(shù)，最大限度發(fā)揮電機的性能。步進電機，大多數(shù)3D打印機都擁有5臺電機.在3個維度里，X、Y軸各有一臺電機，Z軸有兩臺電機,負責擠出器或是打印表面在哪個維度運動。電機可以順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生運動(第5臺電機則是用在擠出器上推進熱頭，使其熔化)。當然，并非所有的電機都一模一樣。但大多數(shù)電機都有一個堅固的外殼和一個可以順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的傳動軸.這種電機稱為步進電機。它有一種獨特的能力.能以極小的增量順時針或逆時針旋轉(zhuǎn).就是說電機軸的旋轉(zhuǎn)角度可以小于l度甚至幾十分之一度。這是一個極為重要的概念。電機干的是重活，它們移動熱頭之類的部件，喂送塑料絲.主要作用：=1\＊GB3①電機可以產(chǎn)生運動；=2\*GB3②電機能夠順時針旋轉(zhuǎn)，也能夠逆時針旋轉(zhuǎn)；=3\*GB3③電機可以以不同的速度旋轉(zhuǎn)；=4\＊GB3④電機要用電；=5\＊GB3⑤電機由計算機控制。其他,電機和電路板/控制器需要用電，則大部分3D打印機還是需要電源的。電源通常是墻上插座，但有時需要一個單獨的電源盒,以某種方式附在3D打印機上。2.1。3增材制造系統(tǒng)軟件組成增材制造系統(tǒng)軟件組成如圖2.2所示。圖2.2增材制造系統(tǒng)軟件組成軟件平臺ArduinoIDE,是開發(fā)源代碼的。Arduino編程兩個基本結(jié)構(gòu)函數(shù)“setup”、“l(fā)oop”，前者在系統(tǒng)上電或者復位時執(zhí)行，一般用于串口、I/O口的初始化等，后者為主函數(shù)體,類似于“main”函數(shù)中的while(1）無限循環(huán)函數(shù)，所有需要執(zhí)行的程序都放在這個函數(shù)之中[8]。3D模型繪制軟件是通過學習我們體會到打印三維制品是很容易的。這是個典型的，絕大多數(shù)3D打印機和軟件都使用的操作過程?？梢詮腡hingiverse三維制品文中搜索并下載供讀者打印的文件.但是如果對創(chuàng)作并打印自定義的作品有興趣，要創(chuàng)建自己的三維模型,必須使用之前提及的專門的CAD應用程序。CAD軟件公司有很多，CAD應用程序就更多，有些是附有幾百種功能的高端程序，有的則極其簡單且功能有限。有些CAD軟件公司提供培訓。教用戶如何正確使用該軟件；有些是由個人單打獨斗編寫出來的,幾乎不帶使用說明書之類的文件.當然。軟件價格也不同.從天價到免費都有［9]。此次采用UG進行3D模型的繪制。打印控制軟件（即Printerinterface上位機）是整個3D打印機的中心，是連接打印各個部件的樞紐。通過控制軟件，我們可以發(fā)送命令給下位機，讓其控制3個軸向的步進電機移動。可以顯示和設(shè)置打印頭和加熱托盤的溫度，可以運行分層工具對模型分層，最重要的是可以打印3D物品。由于Printerinterface具有分層軟件的功能，因此不再額外選擇分層工具。其中分層功能是生成控制打印頭運動的路徑文件，用它來把我們的3D模型分層以適于打印.這個程序最終會生成一段代碼，這些代碼會告訴打印機將打印頭移動到哪里，什么時候擠出熱熔絲,擠出多少。這些指令或者G—code文件從我們打印控制軟件傳給電子器件中的固件，固件把這個指令轉(zhuǎn)換成控制電機或加熱頭的具體動作。固件是每個控制器都需要將這種叫做"固件"的特殊代碼加載在微控制器里，以便電子器件正常運作，固件負責解釋打印應用程序發(fā)送過來控制指令（解析代碼、控制電機和加熱頭、將溫度信息和噴頭的位置信息實時上傳給上位機）,然后讓電子器件執(zhí)行，直接影響到機器打印物品的質(zhì)量[10]。本設(shè)計中固件是在Arduino板中自定義相關(guān)函數(shù)。2.2增材制造系統(tǒng)的工作原理及流程2.2.1增材制造系統(tǒng)的工作原理3D打印系統(tǒng)的工作原理與傳統(tǒng)打印機工作原理基本相同,也是用噴頭一點點“磨”出來的。只不過3D打印機噴的不是墨水，而是液體或粉末等“打印材料"，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把圖形變成實物.3D打印系統(tǒng)控制原理如圖2.3所示.圖2.33D打印系統(tǒng)控制原理2.2.2增材制造系統(tǒng)的工作過程本設(shè)計中3D打印的設(shè)計過程是通過UG建模，生成STL的文件格式，再將建成的三維立體模型導入Printerinterface分區(qū)成逐層的截面，即切片，再使用對應的算法生成噴頭行進路徑，即GCode文件,再將路徑信息發(fā)送到下位機Arduino控制器，Arduino控制器解碼控制信息，并根據(jù)控制信息中的位置和溫度等信息，控制進給電機和打印噴頭，以及風扇和加熱裝置，控制噴頭的行進以及耗材的擠出，這樣耗材就按照路徑打印在工作臺上，每次打印一層，逐層打印累積，最終完成整個三維實體的打印。如圖2.4為3D打印的整體工作流程圖。圖2.43D打印的整體工作流程圖2。3本章小結(jié)1.本章對3D打印的整體系統(tǒng)做了概述,并對3D打印機的控制中心，也是整個打印機的靈魂，Arduino2560控制板做了詳細的介紹，分析了其優(yōu)勢，豐富的片內(nèi)資源，以及部分資源在3D打印機中的具體應用。2.概述了打印機工作原理及流程,包括從建模到生成GCode，再到控制主板控制相關(guān)模塊的相關(guān)原理，方便后續(xù)相關(guān)理論分析和設(shè)計的展開。

第三章增材制造系統(tǒng)控制模塊硬件設(shè)計控制模塊主要是硬件和軟件兩個部分，硬件作為軟件運行的基礎(chǔ)，同時又依靠軟件發(fā)揮其功能，二者相互依靠、相輔相成,本章對軟件所基于的硬件平臺做簡要介紹。3.1控制模塊硬件方案本設(shè)計是基于Arduino的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖下所示。以ArduinoMega2560控制板，主要有顯示及鍵盤模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、溫度控制模塊和與上位機連接的通訊模塊等五個子模塊?？刂颇K硬件方案如圖3.1所示。圖3.1控制模塊硬件方案其中,溫度控制模塊是FDM型3D打印機的一個重要部分，其穩(wěn)定性直接影響打印質(zhì)量。電機驅(qū)動模塊根據(jù)打印數(shù)據(jù)或者用戶指令，控制XYZ軸及噴頭電機的運動。顯示模塊及鍵盤是用戶和打印機之間交流的渠道，它負責接收用戶指令,并將打印機的狀態(tài)信息反饋給用戶[10]。電源模塊主要是為各電機、加熱部件等提供工作電源。通訊模塊將上位機軟件模塊其功能控制其他模塊執(zhí)行打印任務的通訊功能。各個模塊相互協(xié)調(diào)、相互配合，共同完成打印任務。本系統(tǒng)中上位機負責運行切片，下傳G代碼生成打印機可識別的打印數(shù)據(jù)。3。1。1控制模塊硬件組成及其指標（1）主板Arduino微處理器決定了整個系統(tǒng)的性能，微處理器選型時，需兼顧處理速度、外部資源、價格等因素,如需批量生產(chǎn)還要考慮充足穩(wěn)定的貨源。本文選用的Arduinomega2560具有高性能、低成本、低功耗等特點，具有UART接口，16MHZ的晶體振蕩器，ICSPheader，USB口和復位按鈕。開發(fā)板可提供3.3V和5V電壓[11］。Arduinomega2560有一個二級微控制器ATmega16U2，因此主板能使用USB接口與其他設(shè)備通信。(2）溫度控制模塊溫度控制模塊實現(xiàn)MCU對打印機噴頭溫度的精確控制，包括測溫設(shè)備和加設(shè)備。溫度采集采用熱電偶傳感器和專用的芯片實現(xiàn)。熱電偶是一種常用的測溫元器件，其基本原理是兩種特殊金屬材料組成閉合回路，當兩個連接端（一般分為冷端和熱端）存在溫度差的時候,回路中會有電流產(chǎn)生，兩端產(chǎn)生微小的電動勢,把溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號。捕捉這一微小電動勢，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換巧標定將其轉(zhuǎn)化為濕度值。由于熱電偶測量的是冷端和熱端的溫度差，因此芯片還要測量冷端的溫度進行補償，得到實際的熱端溫度。還提供SPI通信接口，將測得的溫度值反饋給MCU[20］。加熱設(shè)備采用專用加巧管,24V供電。借助MOS管用3.3V管腳電平控制24V電的通斷［21］.本文對溫度的控制采用的是PID算法，從而改變PWM占空比，使PWM輸出更為準確控制加熱電壓，以達到溫度的準確控制的目的。（3）電機的驅(qū)動模塊電機驅(qū)動模塊包括行程控制和電機驅(qū)動。行程信號采集通過在XYZE個軸的六個極限位置設(shè)置行程開關(guān)，根據(jù)相應IO口的電平信號，判斷噴頭是否在行程范圍之內(nèi),防止超出行程范圍發(fā)撞擊。（4）顯示及鍵盤模塊LCD+KEY的人機交互。輸出由LCD顯示屏實現(xiàn)，將打印機的動態(tài)反饋給用戶；輸入主要是由選擇不同按鍵來實現(xiàn),向打印機發(fā)送不同指令，同時用LCD屏來顯示信息。本文LCD顯示屏選用彩色液品中文顯示屏。(5）通訊模塊PC端的串口工作TTL信號是12V，而我們一般使用的TTL電平是5V的，為了使信號能夠匹配，需要做串口的電平轉(zhuǎn)換。一般的單片機與計算機進行通信時,都需要使用專用的通訊接口芯片進行USB協(xié)議轉(zhuǎn)換。采用AVRUSB作為通信接口芯片，只需要普通的低成本AVR單片機以及附屬的電子元器件，就可以構(gòu)成一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),并且，AVRUSB還可以應用到USB加密狗USB、接口的系統(tǒng)控制、低速USB數(shù)據(jù)采集等［23]。本成形系統(tǒng)采用USB2.0通用串行總線標準將經(jīng)上位機軟件的成形控制數(shù)據(jù)信息經(jīng)數(shù)據(jù)線發(fā)送給數(shù)據(jù)處理芯片Atmega16,數(shù)據(jù)經(jīng)其轉(zhuǎn)換后發(fā)送給主控芯片Atmega2560芯片，并通過USB接口傳回打印過程中的各類監(jiān)控信息和當前的打印狀態(tài)。(6）電源模塊Arduinomega2560有三種供電方式，而且能自動選擇供電方式外部直流電源通過電源插座供電。電池連接電源連接器的GND和VIN引腳。USB接口直接供電。電源引腳說明:VIN當外部直流電源接入電源插座時，可以通過VIN向外部供電；也可以通過此引腳向Mega2560直接供電；VIN有電時將忽略從USB或者其他引腳接入的電源。5V通過穩(wěn)壓器或USB的5V電壓，為UNO上的5V芯片供電。3。3V通過穩(wěn)壓器產(chǎn)生的3。3V電壓,最大驅(qū)動電流50mA。GND地腳。另外提供12V電壓外部電源作為電機驅(qū)動、加熱噴頭、托盤的電源使用3。1.2控制模塊硬件工作流程電源模塊在每個環(huán)節(jié)中均有涉及，主板從上位機獲取G代碼翻譯后控制各個模塊，同時上傳運行數(shù)據(jù)。主板將G代碼翻譯后首先控制溫度控制模塊將噴頭、托盤加熱至預設(shè)溫度時，反饋回主板，主板控制定位電機歸回到打印原點。由限位開關(guān)將是否歸零反饋回主板.若到原點，主板一邊控制定位電機移動，同時控制吐絲電機配合工作，直至打印完成.控制模塊硬件工作流程如圖3.2所示。圖3.2控制模塊硬件工作流程3。2步進電機選型3。2.1步進電機介紹步進電機的性能直接影響到了整個系統(tǒng)的性能，隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展,步進電機技術(shù)不斷成熟，現(xiàn)在越來越多的領(lǐng)域都離不開步進電機，步進電機是一種增量運動的電磁執(zhí)行元件，其基本結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。步進電機接收外部的電脈沖信號并將其轉(zhuǎn)換為相應的角度位移或者直線位移，電脈沖如PWM波等數(shù)字信號。每接收到一個脈沖步進電機便移動一個角度，步進電機每次轉(zhuǎn)過的角度跟其本身的特性有關(guān),要想對步進電機實現(xiàn)精確的定位，可以采用控制輸給步進電機的脈沖的個數(shù),若控制步進電機的轉(zhuǎn)速，則可采用控制輸入脈沖的頻率的方法，即步進電機的輸出步數(shù)總是和輸入到步進電機的電脈沖的個數(shù)相等,它可以作為開換位置系統(tǒng)工作。圖3。3步進電機基本結(jié)構(gòu)市場上的步進電機種類非常多，一般情況可分為反應式(VariableReluctance，VR)、永磁式（PermanentMagnet,PM）和混合式(HybridStepping,HS）三種。構(gòu)造不同其特性的差別也非常大,各有其特點。其中:反應式：步進電機定子上有繞組，轉(zhuǎn)子由軟磁材料組成。結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、步距角小（可達1。2°）、但動態(tài)性能差、效率低、容易發(fā)熱，性能不穩(wěn)定。永磁式：轉(zhuǎn)子是用永磁材料制造而成，它的轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩較大,但永磁式電機的精度差，步矩角相對較大（一般為7。5°或15°)?；旌鲜?綜合了反應式和永磁式的優(yōu)點，其定子上有多相繞組、在轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度.其特點是輸出力矩大、較好的動態(tài)性能，步距角較小.綜合考慮本設(shè)計采用的是兩相混合式步進電機，其內(nèi)部線路結(jié)構(gòu)如圖3。4示。圖3.4兩相混合式步進電機內(nèi)部線路結(jié)構(gòu)3。2.2X、Y軸電機的計算X軸的電機需要帶動成形平臺做前后運動、Y軸的電機需要帶動成形平臺做左右運動，精度要求為0。05mm左右，假設(shè)成形平臺為一個200*200*10mm平臺，其材料為鋁合金,密度為，質(zhì)量m約為1。032kg，對滾珠絲杠螺母副進行計算和選型：導軌選取圓形導軌,則有：移動部件總重工作載荷G=10.11N,工作載荷；（3-1）查機械設(shè)計手冊可知：K為1.15,之間,取為0。16，在此處為進給方向載荷，由于成形工作臺在進給方向載荷為0，故可得:工作載荷為.接下來求最大動載荷，工作臺最快的進給速度為0。75mm/s，初選絲杠基本導程，則此時絲杠轉(zhuǎn)速為：;(3—2）求得，滾珠絲杠的使用壽命,代入求解絲杠壽命系數(shù)；(3-3）代入上式得：，查載荷系數(shù)表,運動狀態(tài)為平穩(wěn)或輕度沖擊，載荷系數(shù)選為1。15，硬度系數(shù)，求最大動載荷；(3-4)求得，查機械設(shè)計手冊選擇型滾珠絲杠副，公稱直徑為12mm，基本導程為2mm，精度等級取為3級，額定動載荷為2400N，滿足要求。滾珠絲杠的螺距選為，螺線單頭,，A為步進電機的步距角，為滾珠絲桿的基本導程為400mm，為移動件的脈沖當量，滾珠絲杠的傳動比；（3—5)求得求得，故負載力矩該平臺的轉(zhuǎn)動慣量為：；(3-6)計算可得滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量:；（3—7）為0。7295kg，滾珠絲杠材料為鋼，密度為。計算可得轉(zhuǎn)動慣性矩：;(3—8）其中β為角加速度,大小定為3計算可得加減速轉(zhuǎn)矩：；（3-9）為轉(zhuǎn)子慣量，大小為,為全負載轉(zhuǎn)動慣量,為步進電機的步距角1.2°，f是自啟動運行時的運轉(zhuǎn)脈沖速度,取為100Hz。計算可得故必要的電機力矩，S為安全系數(shù)，一般取值為1。5～2，現(xiàn)取2,所以3.2。3Z軸電機的計算Z軸電機主要作用是驅(qū)動噴頭的上升與下降。Y、Z相關(guān)聯(lián).精度要求為0。05mm.Z軸的功能是通過滾珠絲杠驅(qū)動噴頭在垂直方向上的上下移動。在此，傳動方式選用滾珠絲杠。擬采用微型失電剎車器,24V直流電流可實現(xiàn)對其的驅(qū)動，剎車力矩大小為2。5~4.0 N。M。其工作方式:直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸的末端,一旦斷電可瞬時間產(chǎn)生一制動力矩,使軸的旋轉(zhuǎn)運動立即停止；Z軸需要提升的東西包括有噴頭,噴頭的固定座,軸的驅(qū)動電機以及滾珠絲杠,噴頭的移動導軌等。Z軸兩個導軌支撐件合計重約1kg。要完成步進電機對噴頭的的提升任務，需要克服這些元件的自重以及摩擦力產(chǎn)生的力矩，而重力產(chǎn)生的力矩為：;噴頭固定座產(chǎn)生的最大力矩：；電機產(chǎn)生的力矩：在這里，將電機的質(zhì)量設(shè)為1kg,導軌的摩擦系數(shù)取為0.2，滾珠絲杠副的摩擦系數(shù)大約為0.05，故而滾珠絲杠副的摩擦力矩可以忽略不計.步進電機及其轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩的計算快速空載啟動時電機轉(zhuǎn)軸所承受的最大加速度轉(zhuǎn)矩；(3—10）為快速空載啟動時折算到電機轉(zhuǎn)軸上的最大加速度力矩，;(3-11）為步進電機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，單位為，包括了滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，以及導軌的轉(zhuǎn)動慣量。；(3-12）計算可得導軌的轉(zhuǎn)動慣量為：為電動機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min，由于在這里步進電機的作用是提升打印噴頭，故而對轉(zhuǎn)速要求并不髙，轉(zhuǎn)速設(shè)為10r/min;為電動機加速所用的時間，單位為s,一般設(shè)定在0.3~1.0，取為0。5s,故有導軌的摩擦轉(zhuǎn)矩為；(3-13)其中,為導軌的摩擦力，單位為N；為滾珠絲杠的導程，單位為mm，大小為2mm；為傳動鏈總線率，一般取0.7～0.85，現(xiàn)取為0.8；i為傳動鏈的總傳動比,,為電動機轉(zhuǎn)速,為絲杠的轉(zhuǎn)速;i為1；導軌的摩擦力為：;（3—14)其中表示導軌的摩擦因數(shù)，滑動導軌取0.15~0.18；垂直方向的工作負載；滾珠絲杠預緊后折算到電機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩：;（3—15）為滾珠絲杠的預緊力，一般取為絲杠工作載荷的1/3,單位為N；為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取0。9;但是由于滾珠絲杠副的傳動效率很高，故而很小，可以忽略不計。最大工作負載狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩；；（3—16）其中為進給方向的最大工作載荷,單位為N，現(xiàn)取20N;滾珠絲杠自身的轉(zhuǎn)矩通過對上式的計算可得：3。2。4步進電機的選取考慮到在實際的運用中，電壓降低時，步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步,甚至堵轉(zhuǎn)，所以，在選擇步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩的時候，需要考慮安全系數(shù)，對于開環(huán)控制,一般在2.5~4之間選取,此處選取為3[19］對于X、Y、Z三個軸驅(qū)動電機的選取,只需滿足最大等效力矩最大要盡量使之一致，這樣便于打印過程中的控制,因而按照最大的轉(zhuǎn)矩選取電機。在Z方向上，擬選用兩個電機帶動噴頭、固定座以及Y軸電機的移動,提升打印精度。初選電極型號為57HS09，此電機的最大轉(zhuǎn)矩為0。9N.m，可以滿足X、Y、Z軸驅(qū)動.57HS09參數(shù)如表3。5所示。表3。557HS09參數(shù)相數(shù)步距角（°)保持轉(zhuǎn)矩N.M額定電流A相電感mH相電阻Ω引線數(shù)量轉(zhuǎn)子慣量g。cm定位轉(zhuǎn)矩Kg.cm電機重量Kg機身長mm21.80。92。81.20.882600.40。6543。3定位電機驅(qū)動和部署設(shè)計步進電機的運行轉(zhuǎn)動時需要有一個電子裝置設(shè)備來進行驅(qū)動的，這種裝置設(shè)備我們就稱之為步進電機驅(qū)動器,它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號,從而加以進行放大來驅(qū)動步進電機運行。步進電機的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與其接受到的脈沖信號的頻率成正比例關(guān)系,控制步進脈沖信號的頻率，從而可以對其步進電機進行精確的調(diào)速；我們控制其步進電機的脈沖個數(shù),就可以對其步進電機進行精確的定位.3.3。1電機驅(qū)動的選擇根據(jù)上節(jié)內(nèi)容可知本設(shè)計選擇的電機是57HS09,則可以選用的驅(qū)動器的配置可參照表3.6。表3。6電機適配驅(qū)動器電機型號適配驅(qū)動器57HS04DM422/DM432C/DM556/DM856/DM542/M752/M860/M880A/

MA550/MA860/H850/ND556/ND882/M415B/M32557HS0657HS0957HSM0957HS13DM556/DM856/M752/M542/M860/M880A/MA550/H850/ND55657HS09電機適配的步進驅(qū)動器為DM442或者DM542.因為這兩款數(shù)字式中低壓步進電機驅(qū)動器,采用最新32位DSP技術(shù)，適合驅(qū)動57、86系列電機，具備優(yōu)秀的中低速性能，能夠滿足大多數(shù)中小型設(shè)備的應用需要。采用內(nèi)置微細分技術(shù),即使在低細分條件下，也能夠達到高細分的效果，中低速運行都很平穩(wěn)，噪音極小。驅(qū)動器內(nèi)部集成了參數(shù)自整定功能，能夠針對不同電機自動生成最優(yōu)運行參數(shù)，最大限度發(fā)揮電機的性能?？沈?qū)動4線，8線的兩相步進電機[28］。3.3.2電機部署設(shè)計本設(shè)計定位電機共使用5個分別驅(qū)動三個方向的機械臂的運動，其中在X、Y軸方向各安裝1個57HS09型步進電機，在Z軸方向兩邊軸上各安裝1個57HS09型步進電機.各個電機安裝于機架上,與絲桿連接從而驅(qū)動機械臂的運動工作.部署情況基本如圖3.7所示。圖3。7電機部署設(shè)計3.4控制模塊硬件電路設(shè)計4個定位電機及1個擠出電機分別由一個驅(qū)動板連接驅(qū)動,繼而連接到Arduinomega2560主板的引腳上；另外限位開關(guān)、溫度傳感器、風扇控制模塊、托盤和噴頭加熱與直接連接至主板；主板通過USB數(shù)據(jù)線與PC機連接，具體模塊見本節(jié)后文.3.4.1硬件開發(fā)平臺硬件平臺Arduino板是一個開源的單片機電子設(shè)計平臺，在單片機編程中很多常用的功能，如數(shù)據(jù)讀取和寫入、串口中斷、外部中斷、延時等，這些功能都被模塊化，開發(fā)者可以直接調(diào)上次的工作進程繼續(xù)進行打印。開發(fā)板可提供3.3V和5V電壓.Arduinomega2560有一個二級微控制器ATmega16U2，使主板能用USB接口與其他設(shè)備通信。Arduino2560的基本參數(shù)如表3.8所示.

表3.8Arduino2560的基本參數(shù)項目參數(shù)MCUAtmega2560工作電壓5V輸入電壓7—12V數(shù)字I/O口54路（16路可提供PWM輸出）EEPROM4KBSRAM8KBFlash256KB工作時鐘16MHZ模擬量輸入端口16路I/O直流電流40mA3.3V端口電流50mAAtmega2560是一款使用CMOS技術(shù),具備RISC架構(gòu)的高速、低功耗、具有休眠功能的高檔8位單片機，它結(jié)合了PIC及8051等單片機的優(yōu)點，同時也在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上作了一些重大改進，它采用了Harvard的結(jié)構(gòu)，以及一級流水線的預取指令功能，即對程序的讀取和數(shù)據(jù)的操作使用不同的數(shù)據(jù)總線，因此，當執(zhí)行某一指令時，下一指令被預先從程序存儲器中取出,這使得指令可以在每一個時鐘周期內(nèi)被執(zhí)行。Atmega2560內(nèi)核具有多達135條的指令，32個8位通用工作寄存器,且均直接與算術(shù)邏輯單元相連接，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)，一條指令可以同時訪問兩個獨立的寄存器,這種結(jié)構(gòu)也使數(shù)據(jù)吞吐率比普通的復雜指令集高出10倍。用已經(jīng)封裝好的子函數(shù)，由于Arduino的高度模塊化以及可以在Windows、MacintoshOSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運行等特點，從而使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性高，移植方便,可拓展性強。為了便于進行二次開發(fā)，Arduino在設(shè)計之初就明確了其應用環(huán)境，作為開放和開源的平臺進行設(shè)計.Arduino的主要功能特色如下:（1）開源的軟硬件，可以免費獲得開發(fā)接口；(2）使用Atmel公司的Atmega系列低價微處理器，可使用USB接口進行供電；（3)芯片固化bootloader的程序是系統(tǒng)啟動后執(zhí)行的第一段程序，若程序損壞可使用ISP燒寫重新，引導程序?qū)懭雈lash區(qū)，同時完成自檢、配置端口等工作；（4）Arduino豐富的接口使其具有極強的擴展性,包括SPI、UART串口通信、TWI(兼容I2C)等，也支持各式傳感器和無線通信裝置；（5）具有簡便的編譯環(huán)境,極大的自由度.圖3。9Arduino2560開發(fā)板正面本設(shè)計采用Arduinomega2560控制板，其核心是ATmega2560微控制器,其正面如圖3.9所示,長91。6mm寬53.34mm，開發(fā)板具有54路數(shù)字I/O接口(D0～D53),16路模擬輸入端口（A0～A15)可用于輸入傳感器電壓類的模擬信號，然后通過內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本設(shè)計中的溫度傳感器使用到模擬輸入口，4KB的EEPROM，可以記憶打印機的工作進程，當打印機遭遇意外斷電，在重新上電之后可以接著上次的工作進程直接繼續(xù)進行打印。Arduinomega2560有一個二級微控制器ATmega16U2，使主板能用USB接口與其他設(shè)備通信[25］。3。4。2系統(tǒng)電路圖Arduinomega2560主板如圖3.10所示。圖3。10ArduinoMega2560主板本設(shè)計中的電機驅(qū)動回路如圖3。11所示。圖3.11電機驅(qū)動回路限位開關(guān)如圖3.12所示。圖3。12限位開關(guān)在具體的應用中供電方面,ENDSTOP邏輯電壓VCC和GND由Arduino2560控制板提供+5V電源，引腳ENDSTOP將信號送回主板以確保每個軸在打印初始時回到了零點。3.5本章小結(jié)本章主要介紹了：1.硬件模塊控制方案，本設(shè)計是基于Arduino的控制系統(tǒng)，敘述了各模塊的指標和作用，以及各模塊間相互協(xié)調(diào)工作流程進行了闡述。2.以本次設(shè)計打印機的目標,步進電機及其驅(qū)動器的選擇.3.控制模塊硬件電路設(shè)計。

第四章增材制造系統(tǒng)控制程序設(shè)計4.1控制程序方案4。1。1控制目標增材系統(tǒng)控制程序是在Arduino開源硬件的支持下進行編寫的，這個開源硬件的好處是提供所有硬件上的外設(shè)部分的驅(qū)動，并且調(diào)用簡單，還有就是支持C++的編寫環(huán)境。?增材系統(tǒng)控制程序主要由四個部分組成，主程序控制部分、PID溫度調(diào)控部分、串口通信部分和運動控制部分,當然還有其他的,比如：液晶顯示,SD卡讀取等等,在此處不在一一介紹.增材系統(tǒng)控制程序中的運行過程主要有三個部分：主程序里面進行命令解析和處理，定時器1中斷進行步進電機的控制和打印頭的運動控制，定時器0中斷則進行溫度的檢測和加熱控制。這三個部分也都和?固件中的主要部分相關(guān)。4。1。2控制方案（1）增材制造系統(tǒng)控制程序有主程序和中斷程序。中斷程序用兩個定時器中斷:定時器0和定時器1。主程序的任務主要有:=1\＊GB3①與上位機進行通信，獲得G指令②進行G指令解析，區(qū)分指令內(nèi)容及指令參數(shù)，并將參數(shù)換算為整數(shù)③

G指令的分類執(zhí)行④溫度管理、限位開關(guān)和LCD的控制中斷程序的任務主要有：定時器0主要負責對擠出頭的溫度進行控制。在主程序中設(shè)置好定時器0的定時時間，等待定時中斷的產(chǎn)生,并在中斷中進行溫度檢測控制。定時器1主要負責對步進電機進行控制,是增材系統(tǒng)控制程序中運動控制部分的核心[33]。(2)主程序控制部分程序流程主要實現(xiàn)的功能也就是獲取G指令，解析指令，處理指令，相關(guān)溫度和活動軸管理。主程序控制部分程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1主程序控制部分程序流程圖4。2控制程序開發(fā)平臺軟件平臺ArduinoIDE與Arduino開發(fā)板一樣是開發(fā)源代碼的，由于其開放性，其另一個特點是在三大主流系統(tǒng)：Linux、MACOSX和Windows中的兼容性很好。Arduino的編程語言使用C++，官方在基于AVR單片機的基礎(chǔ)上進行了二次開發(fā)，將Arduino平臺的各種函數(shù)進行了封裝,AVR單片機的相關(guān)設(shè)置都參數(shù)化，無需在對進行底層的寄存器進行操作.Arduino編程兩個基本結(jié)構(gòu)函數(shù)“setup”、“l(fā)oop”，前者在系統(tǒng)上電或者復位時執(zhí)行,一般用于串口、I/O口的初始化等，后者為主函數(shù)體，類似于“main”函數(shù)中的while（1）無限循環(huán)函數(shù)，所有需要執(zhí)行的程序都放在這個函數(shù)之中[32]。表4.2介紹了Arduino編程語言中的常用基本函數(shù).表4。2Arduino編程語言中的常用基本函數(shù)函數(shù)功能Serial.begin(9600）串口波特率定義函數(shù)Serial.available（）判斷串口接收緩沖器的狀態(tài)函數(shù)Serial.read(）讀取串口數(shù)據(jù)Serial.print（data)串口輸出數(shù)據(jù)函數(shù)pinMode(pin,mode)定義數(shù)位腳位(digitalpin)為輸入或輸出的函數(shù)digitalWrite(pin,value）將數(shù)位腳位指定為HIGH或LOWdelay(500)延時500msmillis（)上電后系統(tǒng)運行的時間attachInterrupt（interrupt，function，mode)外部中斷函數(shù)interrupt:中斷號function：中斷服務函數(shù)mode:中斷觸發(fā)模式LOW信號低觸發(fā)CHANGE信號翻轉(zhuǎn)觸發(fā)RISING信號上升沿觸發(fā)FALLING信號下降沿觸發(fā)圖4。3為ArduinoIDE編程界面,同其他開發(fā)環(huán)境類似界面上部分為菜單欄，提供了各種工具菜單，包括串口監(jiān)視器、開發(fā)板類型選擇、COM口選擇、官方庫函數(shù)和第三方庫函數(shù)導入等，界面中部白色區(qū)域為程序編輯區(qū)，界面下部黑色區(qū)域顯示程序編譯、燒錄信息，錯誤信息等。但ArduinoIDE存在一個很明顯的缺陷，沒有提供調(diào)試功能，程序運行出現(xiàn)錯誤，與預期的運行狀態(tài)不符時,無法快速到定位錯誤出現(xiàn)的可能位置。圖4.3ArduinoIDE編程界面4。3定位電機精度控制算法4.3。1運動控制原理在G指令的分類執(zhí)行中,增材系統(tǒng)控制程序用到了隊列的概念，將每條G指令變成一個運動block,一個block包含的與該G指令下運動所需的所有參數(shù)（終點坐標、速度、加速度、擠出絲量等）。在主程序中，程序只負責對G指令進行分析，并計算和生成一個block，并將block打入block緩沖池中。其他，則是與上位機進行交互［23].步進電機進行控制主要采用定時器1負責，是運動控制部分的核心。在主程序中先設(shè)置好定時器1的初始定時時間,等待中斷后，在中斷執(zhí)行block中的運動。首先從block緩沖池中取一個block，分析該block中的運動參數(shù),設(shè)置運動方向,然后調(diào)控步進電機運動。定時器1的定時時間實質(zhì)上就是步進電機的運動速度，所以步進電機的速度的控制可以通過時間計算來實現(xiàn)。每個中斷執(zhí)行一個block中的1步或幾步，這個參數(shù)在系統(tǒng)初始化時進行相關(guān)設(shè)置。運動控制部分定時器1中斷流程如圖4.4所示。圖4。4運動控制部分定時器1中斷流程4.3.2定位電機精度控制算法（Bresenham算法)在運動控制部分中用到了Bresenham算法,具體原理及實現(xiàn)過程如圖4.5所示。圖4。5運動控制部分Bresenham算法原理及實現(xiàn)過程設(shè)每個實際繪制點的縱坐標相對應得誤差為,那么這些點的數(shù)學真值為。這個誤差大致在到之間。從移動到間，我們對其數(shù)學上的縱坐標也增加了斜率大小的值。那么，若,我們將選擇繪制點。新的誤差將是：.否則，我們繪制點。新的誤差將是。，若設(shè)，則即當成立時，畫點，同時當成立時，畫點，同時控制程序中Bresenham算法的轉(zhuǎn)化：判斷條件改為:（當為長軸時，，若為軸，則，若為軸則（2）將定義為（3)（4）將長軸的判斷整合在一起,當某軸為長軸時，其軸的步進條件恒為真?zhèn)未a如下：本設(shè)計中算法實現(xiàn)流程如圖4。6所示：圖4.6算法實現(xiàn)流程4.4控制程序代碼設(shè)計 4.4。1運動控制代碼設(shè)計控制程序中對每個一個運動block塊都會有一個速度算法控制，因為步進電機在啟動進的速度不能太大，必須要有一個加速的過程，因此，在速度控制時，固件采用的是梯形曲線