FDM打印機(jī)精確控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王永強(qiáng)，袁茂強(qiáng)，王 力，趙維剛

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

0 引言

熔絲沉積成形（Fused Deposition Modeling簡稱FDM）是快速成形（Rapid prototyping，RP）技術(shù)中的一種。與其他RP系統(tǒng)相比，F(xiàn)DM系統(tǒng)構(gòu)造和操作簡單，維護(hù)成本低，運行安全，所使用的ABS等成形材料無毒無味；同時它原材料利用率高、體積小、噪音低，是辦公室環(huán)境的理想桌面制造系統(tǒng)[1]。

熔絲沉積成形技術(shù)是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過一個帶有微細(xì)噴嘴的擠出頭擠噴出來[2]。擠出頭與熱床的X軸和Y軸作相對運動，如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而剛成形部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面粘接在一起。一個層面沉積完成后，工作臺與擠出頭的距離按照預(yù)定的增量增加一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體造型[3]。

目前市場流行的FDM設(shè)備的電機(jī)控制一般是開環(huán)的。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種基于三軸步進(jìn)電機(jī)控制卡的FDM步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[5]介紹了一種基于ARM的FDM控制系統(tǒng)設(shè)計，他們都直接或間接的通過控制步進(jìn)電機(jī)的運動實現(xiàn)了對FDM開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計。但是，由于分層厚度較大、成形精度較低，成形件表面有明顯的條紋，對表面質(zhì)量要求高的零件，無法滿足加工要求。而現(xiàn)有技術(shù)雖然在電機(jī)控制精度方面有了很大提高，但通過開環(huán)的FDM設(shè)備電機(jī)控制提高成形精度會大大增加了控制算法的復(fù)雜性與開發(fā)成本。因此，實現(xiàn)對FDM電機(jī)的精確控制并降低實現(xiàn)成本對FDM的普及具有重要的意義。

1 原型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計及誤差分析

在控制系統(tǒng)作用下噴頭進(jìn)行作兩軸半運動，包括X-Y聯(lián)動以及Z向運動，選取特殊材料可以在噴頭中被加熱接近流體狀；處于熔融狀態(tài)下的材料在噴頭掃描過程中被噴出，并急速冷卻形成一層加工面，層與層直接不斷的疊加連接在一起制作成一個空間實體[6]。

根據(jù)FDM打印機(jī)的工作原理，原控制系統(tǒng)可分為主控模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、溫控模塊、通信模塊和電源模塊。原FDM控制系統(tǒng)總體原理框圖如圖1所示。

圖1 原FDM控制系統(tǒng)總體原理框圖

主控模塊是FDM控制系統(tǒng)的管理中樞。主控模塊以數(shù)字信號處理芯片TMS320X2812為主控芯片，它主要包括電源電路、電平轉(zhuǎn)換電路、時鐘及復(fù)位電路、JTAG接口電路、存儲器擴(kuò)展電路等。

電機(jī)控制模塊采用電機(jī)驅(qū)動芯片A4982，通過其PWM脈寬調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)對3個步進(jìn)電機(jī)的控制。溫控模塊主要包括對擠出頭、熱床和風(fēng)扇的控制，本模塊采用MAX6675作為溫度感應(yīng)電路的處理芯片，通過MAX6675對K型熱電偶進(jìn)行采集，從而形成溫度的閉環(huán)控制。通信模塊包括實時調(diào)試的TIDSP-XDS510仿真器，與上位機(jī)進(jìn)行通信的串口等。由于整個系統(tǒng)功率較大，考慮到大電流對控制芯片的影響，所以設(shè)計了多級電壓轉(zhuǎn)換模塊，對電源系統(tǒng)進(jìn)行了分級設(shè)計。

在原型機(jī)設(shè)計完成后進(jìn)行了聯(lián)調(diào)實驗，在打印實驗過程中便出現(xiàn)了成形精度低、系統(tǒng)效率低等問題。圖2為原設(shè)計打印機(jī)的打印效果圖，在控制軟件中，只設(shè)計了打印“口”字的程序，打印尺寸為X軸70mm，Y軸50mm。從圖中可以看到，X、Y軸均出現(xiàn)了較大偏差。隨著打印層數(shù)的增加，累積誤差便越來越大。左圖為原程序打印效果，右圖為進(jìn)行補償后的打印效果。從圖中可以看出，補償后依然有誤差。

圖2 原型機(jī)打印效果圖

影響成形精度的因素有很多。分析原型機(jī)和其成形過程可知，F(xiàn)DM打印機(jī)成形是一個包含CAD/CAM、數(shù)控、材料、工藝參數(shù)設(shè)置及后處理的集成制造過程，每一環(huán)節(jié)都可能引起誤差。總結(jié)FDM打印機(jī)成形過程中影響成形精度的主要因素有以下三方面：

1）原理性誤差：包括文件擬合誤差、切片誤差、成形系統(tǒng)誤差。

2）成形誤差源：包括噴頭誤差、材料收縮誤差、工藝參數(shù)誤差。

3）后處理誤差：本文從FDM打印機(jī)設(shè)計角度考慮，主要分析了打印機(jī)設(shè)計過程中的成形系統(tǒng)誤差。因此，重點考慮了原型機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)誤差。為減少機(jī)械結(jié)構(gòu)誤差對控制系統(tǒng)成形誤差的影響，設(shè)計中選擇了已有的成形系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，改進(jìn)設(shè)計了控制系統(tǒng)，提高了成形精度與打印效率。

2 閉環(huán)電機(jī)控制模塊設(shè)計

在原FDM設(shè)備的電機(jī)控制系統(tǒng)中，采用DSP加驅(qū)動模塊的方式實現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制[6]。雖然步進(jìn)電機(jī)沒有累計誤差，角位移與接收到的脈沖數(shù)成正比，可以使用開環(huán)控制，但步進(jìn)電機(jī)容易產(chǎn)生失步現(xiàn)象，尤其在速率變化頻繁時，這種現(xiàn)象尤為明顯[7]。這使得電機(jī)加減速、轉(zhuǎn)向控制時算法相當(dāng)復(fù)雜，給軟件設(shè)計帶來了很大困難。同時由于傳動誤差的存在，無法滿足高精度零件的加工要求。

為了提高FDM裝備打印精度，簡化算法、軟件設(shè)計的復(fù)雜性，在本系統(tǒng)中采用了運動電機(jī)閉環(huán)控制的方法，根據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)設(shè)計了控制軟件系統(tǒng)，從而提高了成形精度。圖3為改進(jìn)后的FDM電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖。

圖3 FDM閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖

主控模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、溫控模塊、通信模塊和電源模塊與原系統(tǒng)類似。電機(jī)控制模塊采用電機(jī)驅(qū)動芯片A4982，通過DSP發(fā)出的控制和PWM脈寬調(diào)制信號實現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)的控制，通過光柵及其解碼器實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，閉環(huán)回路反饋給控制器精確的轉(zhuǎn)速、位置以及轉(zhuǎn)動方向。從而實現(xiàn)了對電機(jī)位置的精確控制。圖4為該系統(tǒng)的控制原理圖。

圖4 FDM打印機(jī)控制原理圖

2.1 閉環(huán)電機(jī)控制模塊硬件設(shè)計

FDM電機(jī)控制系統(tǒng)是一種特殊的專用控制系統(tǒng)，它區(qū)別于一般的數(shù)控系統(tǒng)，采用直寫技術(shù)（如基于離散/堆積思想的分層制造技術(shù)）來加工零件的；它的控制對象是噴頭和工作臺，噴頭進(jìn)行XY軸運動，工作臺進(jìn)行Z軸運動；它的控制量是送絲速度、填充速度、路徑寬度和層高等。

為減少機(jī)械系統(tǒng)誤差對控制系統(tǒng)設(shè)計的影響，本系統(tǒng)采用原打印機(jī)所用的42型步進(jìn)電機(jī)，其額定電壓為24V，額定電流為1.5A，步距角1.8°。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器模塊采用Allegro公司的A4982芯片進(jìn)行硬件模塊設(shè)計。A4982可在全、半、1/4及1/16步進(jìn)模式下操作雙極步進(jìn)電動機(jī)，輸出驅(qū)動性能可達(dá)35V±2A。同時A4982帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，易于操作。只要在“步進(jìn)”輸入中輸入一個脈沖，即可驅(qū)動電動機(jī)產(chǎn)生微步。設(shè)計中采用DSP事件管理器EVA的比較單元產(chǎn)生三路獨立的PWM脈沖輸出，A4982接收三路PWM脈沖便可產(chǎn)生驅(qū)動3個步進(jìn)電機(jī)運動的信號，從而實現(xiàn)了對電機(jī)的運動控制。圖5為電機(jī)驅(qū)動原理圖與實物圖。

圖5 電機(jī)驅(qū)動原理圖與實物圖

在設(shè)計中為了使步進(jìn)電機(jī)的啟動與停止、變速度控制趨于平緩，采用數(shù)字滑動變阻模塊MCP4018控制A4982集成電路模塊的參考電壓。MCP4018通過IIC總線輸入目標(biāo)值控制可變電阻輸出可變電壓供給A4982的參考電壓引腳，因此本設(shè)計中采用通用I/O口引腳實現(xiàn)該功能。同時由于MCP4018為RAM存儲器，因此每次上電時需要重新初始化輸入A4982需要的參考電壓。

在運動電機(jī)反饋模塊設(shè)計上，采用180DPI型號的光柵，光柵解碼器為捷達(dá)750型。為了增加光柵解碼器的穩(wěn)定性與可靠性，設(shè)計了解碼器與運動機(jī)構(gòu)連接的接插件，很好地解決了解碼器相對運動帶來的干擾。光柵解碼器騎行在固定到打印機(jī)身的光柵上。圖6為光柵、解碼器及接插件實物圖。

光柵解碼器在隨各軸運動過程中，便可獲取包含運動信息的正交脈沖信號。正交脈沖信號包含兩路相差90°的脈沖信號，通過判斷兩路信號的前后順序便可確定電機(jī)運動方向。通過對脈沖信號的計數(shù)可獲取電機(jī)的位置信息，通過核心芯片的計時功能和簡單的算法即可實現(xiàn)對電機(jī)加減速的反饋。

圖6 反饋回路實物圖

由于反饋回路較長，反饋信號衰減、干擾嚴(yán)重，因此在獲取正交脈沖信號后，設(shè)計了如圖7所示的隔離、濾波電路。這樣既增強(qiáng)了反饋信號，也保護(hù)了主板電路。

圖7 隔離、濾波電路

由于Z軸電機(jī)運動方式較固定，它對成形精度影響不大，因此沒有加入Z軸反饋。X、Y軸經(jīng)過處理后的反饋信號輸入到DSP的兩個QEP電路，QEP電路可以對固定在電機(jī)上的光柵解碼器產(chǎn)生的正交編碼脈沖A、B路信號進(jìn)行解碼和計數(shù)，從而獲得電機(jī)的位置和速率等信息。

2.2 閉環(huán)電機(jī)控制模塊軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計思想，包含的模塊有系統(tǒng)模塊、溫控模塊、驅(qū)動模塊、反饋模塊和通訊模塊。五大模塊相互作用，協(xié)調(diào)工作，共同完成打印機(jī)的協(xié)調(diào)運動，如圖8所示。本設(shè)計是在原設(shè)計基礎(chǔ)上，加入了反饋模塊并完善了驅(qū)動模塊。因此，本文主要介紹這兩部分的設(shè)計。

圖8 軟件部分結(jié)構(gòu)

2.2.1 驅(qū)動模塊軟件設(shè)計

驅(qū)動模塊包括X、Y、Z軸運動電機(jī)和送絲電機(jī)的驅(qū)動。本設(shè)計使用PWM模式實現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動，DSP2812的每個事件管理器都可以同時產(chǎn)生8路脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中3個比較單元產(chǎn)生3對互補的PWM波形。為了避免各軸運動產(chǎn)生干擾，這里使用事件管理器A的3個比較單元產(chǎn)生的3路互不影響的PWM波形控制X、Y、Z軸電機(jī)，即使用2812的GPIOA0、GPIOA2、GPIOA4作為驅(qū)動芯片的PWM信號輸入引腳。使用事件管理器B的一個比較單元產(chǎn)生送絲電機(jī)需要的PWM信號，即使用GPIOB5引腳。它們分別使用通用定時器1和通用定時器3作為時鐘基準(zhǔn)。設(shè)計中定時器采用連續(xù)遞增的計數(shù)模式，設(shè)置系統(tǒng)時鐘為75M，選擇高速時鐘。設(shè)置比較單元值為定時器周期值的一半，即產(chǎn)生占空比為50%的PWM信號。驅(qū)動芯片需要的方向、啟停信號通過對運動代碼和反饋信息共同決定，然后通用I/O接口輸出到驅(qū)動芯片。

2.2.2 反饋模塊軟件設(shè)計

反饋模塊軟件包括溫度反饋，限位處理和QEP電路。溫度反饋信號是通過溫度處理芯片MAX6675處理后送入DSP，然后對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位、轉(zhuǎn)換得到實際的溫度值，再與設(shè)定的擠出溫度進(jìn)行比較決定是否加熱。這里設(shè)定的擠出溫度為220℃～225℃。限位信號為三個軸的限位開關(guān)反饋的I/O信號，為擠出頭初始定位信號與異常處理信號。

QEP電路為正交編碼脈沖（QEP）信號處理電路，光柵解碼器反饋的信號即為正交編碼脈沖，通過QEP電路的處理形成控制驅(qū)動芯片的信號。DSP2812的每個事件管理器都有一個QEP電路，最多可同時處理兩路QEP信號。由于Z軸運動較少且比較規(guī)律，所以其對成形誤差影響不大，因此設(shè)計中只加入了X、Y軸反饋。X軸反饋信號通過GPIOA8、GPIOA9接入事件管理器A，Y軸反饋信號通過GPIOB8、GPIOB9接入事件管理器B。它們作為基準(zhǔn)時鐘分別輸入通用定時器2和4，通過禁用捕獲功能來使能QEP，檢測方式設(shè)置為上升沿檢測。通過實驗測得，打印機(jī)運動的極限位移計數(shù)值不超過9000，遠(yuǎn)小于定時器的最大計數(shù)值，定時器設(shè)定為定向增計數(shù)模式，因此程序中只考慮計數(shù)值有沒有超過計數(shù)極限值，若超過了則將原計數(shù)個數(shù)保存，加上新的計數(shù)值即為電機(jī)位移值，若沒有則總的計數(shù)個數(shù)代表電機(jī)的位移值。通過邏輯轉(zhuǎn)換則可得到電機(jī)相對位移量，再與設(shè)定值比較得到控制信號。

3 實驗驗證

在搭建好的原型機(jī)平臺基礎(chǔ)上，完成了軟硬件的改進(jìn)設(shè)計，然后進(jìn)行了調(diào)試實驗。通過工藝實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)送絲速度設(shè)為100mm/min，掃描速度設(shè)為20mm/s、層厚的最佳取值為0.1mm、噴嘴與底板之間的距離設(shè)置為0.15mm左右時，這樣能獲得最佳的打印效果，如圖9所示。通過改進(jìn)設(shè)計增加了電機(jī)控制精度，實現(xiàn)了電機(jī)的精確控制。

圖9 改進(jìn)后系統(tǒng)打印效果圖

4 結(jié)論

本文介紹了FDM控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法設(shè)計與實現(xiàn)。通過對硬件系統(tǒng)、軟件編程和相關(guān)的打印參數(shù)的改進(jìn)設(shè)計，完成了步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，實現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)的精確控制。實驗結(jié)果表明，采用本文提出的控制系統(tǒng)，能提高打印精度、簡化控制算法，這對FDM的普及具有重要的意義。

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