三維打印機中XJ-128噴頭驅(qū)動控制設(shè)計

程 爽，馬 海，劉祥謀，熊 烽

（華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

三維打印是一種逐層打印的生長型快速制造方法。粉末和粘接劑是三維打印機中一種主要的成型方式。其基本過程是在特定的粉材平面上噴射粘接劑，粘接劑液滴的擴展使每一層粉材上的粉末粘接成打印圖形，上下兩層粉材之間由于粘接劑的滲透作用而粘接。當(dāng)所有層打印完成之后，去除多余粉末，便可得到三維實體。粉末三維打印由于其成形的任意性、打印材料的廣泛性正得到快速的發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用。

本文實現(xiàn)了一種基于粉末和粘接劑的三維打印機噴頭的驅(qū)動控制設(shè)計。三維打印機主要由上位機、基于FPGA 的下位機控制板、伺服驅(qū)動部分和噴射部分組成。其中上位機完成STL文件的準備、分層及格式轉(zhuǎn)換，人機交互等功能，下位機完成接收并轉(zhuǎn)換分層打印數(shù)據(jù)、噴射控制、伺服驅(qū)動控制等功能。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

1 噴頭控制原理及時序

在三維打印機的硬件構(gòu)成中，噴頭處于核心位置，其技術(shù)參數(shù)和特性直接影響到三維打印機的工作性能和效率。噴頭的制造技術(shù)門檻很高，全球只有少數(shù)公司能夠生產(chǎn)。目前商品化的三維打印機設(shè)計中均選擇噴繪行業(yè)中已應(yīng)用廣泛的噴頭。從噴墨原理上分，現(xiàn)行噴頭主要有熱泡式和壓電式兩種。壓電式噴頭不依靠加熱，對噴射材料有廣泛的適應(yīng)性，且其對液體控制能力強，可達到精度高，更適合基于粉末和粘接劑原理的三維打印機。

本設(shè)計選用在國內(nèi)噴繪機市場上應(yīng)用廣泛成本較低的英國XAAR 公司XJ-128 噴頭。XJ-128是基于壓電晶體的按需噴射式噴頭，在噴嘴線上均勻分布有128 個噴嘴，其物理分辨率為200dpi[1]。噴頭實際分辨率可以通過調(diào)整其與打印前進方向X軸之間的偏轉(zhuǎn)角度θ而提高。

噴頭外部的工作特性參數(shù)影響著打印成型的效果，而其內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理和控制的原理則影響著控制系統(tǒng)相關(guān)邏輯的設(shè)計。本設(shè)計選用的XJ-128 噴頭上共排列有128 個噴嘴，在豎直方向排成一列。這128 個噴孔實際分為ABC 三相依次噴射，每兩相之間有固定的時間差。XJ128 內(nèi)部實際包括兩個相同的控制器，nSS1 和nSS2 是其選通信號，低電平時有效表示能夠輸入數(shù)據(jù)，實際上是兩個移位寄存器，每個控制器各控制64個噴頭，控制器1 控制噴頭0～63，控制器2 控制噴頭64～127。噴射前，控制器需以串行移位方式輸入一個128 位二進制數(shù)據(jù)，每個二進制位的值（0或1）對應(yīng)一個噴孔在噴射時的狀態(tài)（不噴或噴）。

XJ128 噴頭的接口共有30 個管腳，有用管腳20個，需要外部操作的主要管腳有7 個。nSS1 和nSS2 管腳是內(nèi)部控制器片選有效信號輸入端，SCK 是串行數(shù)據(jù)移入時鐘端，MOSI是串行數(shù)據(jù)輸入口，CLK 是噴頭專用的1 MHz 時鐘，nFIRE 是噴頭點火觸發(fā)脈沖，READY是用來同步脈沖時序的噴頭準備就緒信號。XJ-128數(shù)據(jù)裝載及控制信號時序圖如圖2所示。

圖2 XJ-128數(shù)據(jù)裝載及控制信號時序圖

2 噴頭控制信號的實現(xiàn)

2.1 控制信號產(chǎn)生模塊及步驟

噴頭控制信號實現(xiàn)模塊的基本思想是在每個模塊時鐘CLK1的上升沿檢測點火脈沖信號nFIRE是否到來，并對該4 MHz的CLK1時鐘計數(shù)，根據(jù)計數(shù)值落在的區(qū)間設(shè)置不同控制信號如nSS2、nSS1、SCK、READY 等的狀態(tài)，直到計數(shù)值滿或者下一個點火脈沖nFIRE 到來。其模塊圖如圖3所示。

如圖3 所示，當(dāng)點火脈沖信號nFIRE 下降沿到來時，load拉高，使能兩個32位fifo讀信號進行讀操作，并且使64位移位寄存器進行數(shù)據(jù)裝載操作，并從此開始對該模塊的4 MHz 時鐘CLK1 計數(shù)。第一個點火脈沖信號nFIRE 送入到噴頭時噴頭內(nèi)部沒有數(shù)據(jù)但相應(yīng)的噴孔仍執(zhí)行一次空噴射。

圖3 控制信號產(chǎn)生模塊圖

在等待2 μs 即兩個噴頭時鐘周期CLK（不同于時鐘CLK1）后，READY 信號被置低，表示此時噴頭準備就緒可以開始向噴頭發(fā)送數(shù)據(jù)了。在READY 信號穩(wěn)定后，隨即nSS2 信號被拉低，表示內(nèi)部控制器芯片2 被選中有效，開始向其傳送噴印數(shù)據(jù)。此時SCK信號用作64移位寄存器的移位時鐘。每一個SCK 時鐘周期，寄存器移除一位數(shù)據(jù)到MOSI口并最終送入到噴頭內(nèi)部。SCK脈沖產(chǎn)生的基本原理是判斷CLK1 時鐘計數(shù)值的奇偶性，相應(yīng)的將SCK 置低或者拉高，于是產(chǎn)生了二分頻于CLK1 時鐘的SCK 脈沖，其頻率即為2 MHz。

在經(jīng)過128個CLK1時鐘周期后，即依次送完了從高到低128至65共64位數(shù)據(jù)，此時并不能立刻切換到nSS1有效nSS2無效的狀態(tài)。依據(jù)噴頭控制信號時序圖，為保證時序的穩(wěn)定性和正確性，需要設(shè)置一短暫的過渡狀態(tài)。在此狀態(tài)中，SCK始終維持高電平無效狀態(tài)。在nSS1保持高電平無效的同時，nSS2也置高。

在過渡狀態(tài)之后，在CLK1 的第一個時鐘將nSS1置低有效，同時保持nSS2高電平不變。同樣根據(jù)CLK1 計數(shù)值的奇偶設(shè)置SCK 的高低變化來產(chǎn)生脈沖。其中l(wèi)oad 信號再次產(chǎn)生一高電平，使兩個32位的fifo一次性送入64位數(shù)據(jù)到64位移位寄存器中。同樣在經(jīng)過128 個CLK1 時鐘周期后，低64位待打印數(shù)據(jù)被移出寄存器送入噴頭中。

在所有128 個數(shù)據(jù)送完之后，將nSS2 和nSS1都拉高，SCK 置高保持無效，計數(shù)值清零，隨后READY信號也拉高，等待下一個點火脈沖nFIRE的到來。

2.2 數(shù)據(jù)位寬的轉(zhuǎn)換

在有大量數(shù)據(jù)需要進行跨時鐘域進行傳輸且傳輸速度要求較高的場合，為避免跨時鐘域操作而出現(xiàn)系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，一般使用RAM 或FIFO的方法完成異步時鐘域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[2]。由于XJ128噴頭含128 個噴頭，兩個內(nèi)部控制器，分別裝載64位數(shù)據(jù)。利用Altera公司提供的LPM可在FPGA芯片上方便的構(gòu)建出FIFO。設(shè)計中將噴頭數(shù)據(jù)在兩個交替寫使能wr1、wr2 的作用下分別依次寫入兩個32位的異步FIFO中并在讀使能load的控制下輸出64位并行數(shù)據(jù)信號，最后在2 MHz移位時鐘作用下經(jīng)過64位的移位寄存器變?yōu)榇袊娚鋽?shù)據(jù)輸出信號，即對應(yīng)噴頭MOSI管腳輸入。

設(shè)計中采用異步FIFO，即讀寫時鐘相互獨立。兩個異步fifo 的寫使能信號wr1、wr2 交替有效。基于這一交替有效的特性，可以分別使用時鐘的上升沿和下降沿作為wr1和wr2的使能。讀使能共用一個使能信號load，load 有效時兩個fifo 同時將32位噴射數(shù)據(jù)打到64位并串轉(zhuǎn)換移位寄存器中。

3 點火觸發(fā)脈沖的獲得

3.1 噴頭打印區(qū)間確立

為保證電機啟動和停止的平滑性，送出的驅(qū)動脈沖指令頻率是通過FPGA 內(nèi)部設(shè)置的查找表而送出的頻率漸變信號。故盡管伺服電機的驅(qū)動是依靠FPGA 送入的驅(qū)動脈沖指令進行的，但不能直接對驅(qū)動指令脈沖計數(shù)作為噴頭點火觸發(fā)脈沖。

伺服電機在啟動和停止過程中的速度是不均勻的，噴頭打印需要跳過此段區(qū)間。當(dāng)FPGA 收到開始打印信號時，噴頭X 軸運動控制模塊發(fā)送脈沖指令通過伺服驅(qū)動器帶動噴頭運動，同時檢測軸端編碼器信號并在設(shè)置的可逆計數(shù)器中進行計數(shù)。利用FPGA 中設(shè)置的分頻和判向模塊可得到電機運動的方向信號dir，并利用此方向信號作為計數(shù)器加減的標(biāo)志位。每次計數(shù)完成后將計數(shù)器值和保存在打印區(qū)域寄存器中的開始值和結(jié)束值進行比較，當(dāng)計數(shù)器值位于打印區(qū)間時，使能噴頭脈沖驅(qū)動模塊。

3.2 基于位置信號和硬件電路的點火脈沖

三維打印成型中，由于是逐層累加打印，因此對打印區(qū)域的重復(fù)定位精度要求較高，如噴頭兩次噴射之間的間隔為μm 量級[3]，否則會出現(xiàn)錯層、傾斜等變形而最終導(dǎo)致成型失敗。為保證噴頭在X 軸方向上的定位及噴射精度，采取如下措施：在將伺服電機設(shè)置為位置工作模式情況下，對電機編碼器位置信號四倍頻后進行計數(shù)，當(dāng)達到計數(shù)值時，輸出觸發(fā)脈沖觸發(fā)噴頭噴射，即時序圖中nFIRE。利用編碼器AB 相位相差90°的原理，可設(shè)計四倍頻及辨向電路。

此措施從兩個方面提高了噴射定位精度。第一，伺服電機速度波動在所難免。利用一定間隔的伺服電機編碼器位置信號來觸發(fā)噴頭噴射，這樣無論電機轉(zhuǎn)速有何種波動，噴頭兩次噴射之間的間隔始終均勻一致。第二，本設(shè)計中的控制板采用的是FPGA器件。FPGA器件的重要特點是基于硬件邏輯電路的并發(fā)性，即不同于一般處理器的是不采用軟件方式實現(xiàn)計數(shù)，避免了在一般處理器中因為CPU 資源時段的分配和中斷處理導(dǎo)致的計數(shù)值輸出時間不確定的延遲。在FPGA 器件中對編碼器脈沖信號計數(shù)，計數(shù)值滿并輸出的同時能保證一定有觸發(fā)脈沖的輸出，從而保證了在噴頭前進一定距離時總會觸發(fā)噴頭噴射，即噴射位置的準確無誤。

4 結(jié)束語

文章簡要介紹設(shè)計的打印機整體控制系統(tǒng)，重點研究了選用的壓電式噴頭及其驅(qū)動時序關(guān)系，提出了一種簡明的驅(qū)動脈沖實現(xiàn)思路。作為文章的創(chuàng)新點，闡述了不同于噴繪機中噴頭噴射控制，在三維打印中利用電機編碼器脈沖來直接觸發(fā)噴頭噴射。此外在此基礎(chǔ)上提及了利用LPM例化的雙FIFO 實現(xiàn)噴頭數(shù)據(jù)流暫存和位寬處理。實驗表明，產(chǎn)生的噴頭控制信號時序準確，噴頭能連續(xù)穩(wěn)定的噴射，并且能按照所傳送的數(shù)據(jù)逐層打印，在三維打印試驗機上最終得到了打印樣品。

［1］XJ128 Guide to Operation［EB/OL］.http：//www.xaar.co.uk/

［2］郝鑫.大幅面彩色噴墨打印機噴頭驅(qū)動控制電路的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

［3］李曉燕.3DP 成形技術(shù)的機理研究及過程優(yōu)化［D］.上海：同濟大學(xué)，2006.