基于FDM的3D打印動(dòng)力驅(qū)動(dòng)研究

魯守方　王兆強(qiáng)　童怡

【摘 要】3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，根據(jù)成形材料及打印加工過程的不同又可分為不同類型的技術(shù)，疊層實(shí)體制造法（LOM）、熔融沉積制造法（FDM）、光敏液相固化法（SLA）和選擇性激光燒結(jié)法（SLS）等是目前3D打印技術(shù)應(yīng)用最為廣泛和成熟技術(shù)類型[1]。本文在研究打印原理的基礎(chǔ)上基于FDM打印，通過具體實(shí)例主要就3D打印電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制原理進(jìn)行了闡述，為電機(jī)的開環(huán)和閉環(huán)控制提出方案，為3D打印技術(shù)的精度改進(jìn)提供原理依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】3D打?。籉DM；步進(jìn)電機(jī)

1 打印原理

3D打印技術(shù)是一種具有前瞻性的可以應(yīng)用于多行業(yè)多領(lǐng)域快速成型技術(shù)。它是數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及精密控制技術(shù)這三種技術(shù)的綜合運(yùn)用。其最根本的原理就是根據(jù)需要構(gòu)建計(jì)算機(jī)三維模型，然后，將三維模型進(jìn)行分切，這種分切是沿特定方向的，最后，就是對分切模塊進(jìn)行分層打印，形成打印實(shí)物。關(guān)鍵點(diǎn)是如何進(jìn)行伺服控制，軌跡生成，需要進(jìn)行專業(yè)編程完成，也可以采用現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理

圖2提供了一種打印機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的方案，可以清晰的看到，控制器分別對液晶屏、通信接口、供電系統(tǒng)、處理電路、各個(gè)限位開關(guān)和驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。而對于每一個(gè)步進(jìn)機(jī)都有一個(gè)與之對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，通過控制器的控制，實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)。同樣熱床和及噴頭溫度控制也是由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的，通過溫度傳感器反饋給控制器，控制器再通過驅(qū)動(dòng)器分別控制各部分電路，實(shí)現(xiàn)對溫度的控制。

3 電機(jī)開環(huán)與閉環(huán)控制

目前，市場流行的FDM設(shè)備的電機(jī)控制一般是開環(huán)的。通俗來講，開環(huán)與閉環(huán)的差別就是是否具有控制的反饋，正是由于電機(jī)控制缺少了反饋，開環(huán)的電機(jī)控制在成型的精度、打印的分層厚度、表面打印的精細(xì)程度等方面存在較大差距。因此對于精度要求較高的零件是無法滿足要求的。而伺服電機(jī)在運(yùn)行精度打印質(zhì)量上都有優(yōu)勢，但是，制造的成本要相對高一些。

本文就開環(huán)與閉環(huán)控制各介紹一種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)。

3.1 步進(jìn)電機(jī)的原理

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生的矢量磁場帶動(dòng)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個(gè)角度。由一個(gè)電子脈沖信號(hào)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度就是步距角。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可以通過改變繞組通電的順序?qū)崿F(xiàn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。[4]

3.2 伺服電機(jī)的原理

與步進(jìn)電機(jī)不同的是，伺服電機(jī)內(nèi)部有其自帶的編碼器，編碼器將信號(hào)反饋給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器通過比較對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電機(jī)預(yù)想的運(yùn)動(dòng)。編碼器的精度決定了伺服電機(jī)的精度，脈沖對應(yīng)旋轉(zhuǎn)的一個(gè)角度，這樣就形成了伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)編碼器的脈沖形成了呼應(yīng)的閉環(huán)控制，而步進(jìn)電機(jī)是無法實(shí)現(xiàn)的[4]。

3.3 步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的區(qū)別[5]

步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的差異主要有以下幾點(diǎn)：一是，控制精度不同。拍數(shù)決定了電機(jī)的精度，對于伺服電機(jī)來說，它有自帶的編碼器，其上刻度越多，精度越高。二是，兩種電機(jī)的控制方式不同。步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制，伺服電機(jī)是閉環(huán)控制。三是，在低頻工作時(shí)，性能不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)由于采用的是阻尼技術(shù)或細(xì)分技術(shù)，易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，而伺服電機(jī)由于其內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能，低頻工作時(shí)會(huì)很平穩(wěn)。四是，力矩輸出特性不同。步進(jìn)電機(jī)隨轉(zhuǎn)速升高下降，而伺服電機(jī)力矩是不變的。五是，承載能力不同。步進(jìn)電機(jī)機(jī)會(huì)不能過載運(yùn)行，而伺服電機(jī)承載過載的能力較好。六是，工作性能不同。步進(jìn)電機(jī)由于沒有反饋易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象而伺服電機(jī)的反饋可以很好的防止這一點(diǎn)，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到工作轉(zhuǎn)速時(shí)所用的時(shí)間遠(yuǎn)比伺服電機(jī)要長。

下面就介紹一種伺服電機(jī)的實(shí)例。

本文介紹的伺服電機(jī)主要有五大軟件模塊組成，本文主要就驅(qū)動(dòng)模塊和反饋模塊進(jìn)行介紹（圖3）。

驅(qū)動(dòng)模塊主要是對運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)，在打印機(jī)中主要是對送絲電機(jī)和各個(gè)軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。該伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式是PWM模式，對于每一個(gè)事件管理器都產(chǎn)生8路調(diào)制信號(hào)，3對互補(bǔ)的PWM波形由其中的3個(gè)比較單元產(chǎn)生。使用2812的GPIOA0、GPIOA2、GPIOA4作為驅(qū)動(dòng)芯片的PWM信號(hào)輸入引腳，由這事件管理器A的3個(gè)比較單元產(chǎn)生的3路互不影響的波形控制X、Y、Z軸電機(jī)，這就避免了各軸運(yùn)動(dòng)的相互干擾。使用GPIOB5引腳確保了使用事件管理器B的一個(gè)比較單元產(chǎn)生送絲電機(jī)需要的PWM信號(hào)。通用定時(shí)器1和通用定時(shí)器3分別是它們的時(shí)鐘基準(zhǔn)。在定時(shí)器設(shè)置上，采用連續(xù)遞增的計(jì)數(shù)模式，選擇高速時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置為75M。為了產(chǎn)生占空比為50%的PWM信號(hào)，此電機(jī)設(shè)置比較單元值為定時(shí)器周期值的一半。通過I/O接口輸出到驅(qū)動(dòng)芯片的運(yùn)動(dòng)代碼和反饋信息是由驅(qū)動(dòng)芯片需要的方向、啟停信號(hào)通過對運(yùn)動(dòng)代碼和反饋信息共同決定的[2]。

溫度反饋，限位反饋和QEP電路組成了伺服電機(jī)里必不可少的模塊—反饋模塊。打印機(jī)反饋模塊的各反饋機(jī)制都是通過不同的途徑實(shí)現(xiàn)的。溫度反饋是將反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值后（下轉(zhuǎn)第201頁）（上接第199頁）與實(shí)際設(shè)定溫度值比較進(jìn)行的反饋。大多數(shù)溫度反饋是通過溫度處理芯片傳入可以轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度值的DSP實(shí)現(xiàn)的。限位反饋是通過限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，初始信號(hào)和異常處理信號(hào)就是通過限位開關(guān)反饋的I/O信號(hào)控制的。對于QEP電路反饋，在本文介紹的電機(jī)中由圖4中的電路可知，只加入了X軸和Y軸的反饋，對于Z軸來說，運(yùn)動(dòng)量小，故造成的誤差不大。GPIOA8、GPIOA9接入事件管理器A完成對X軸的反饋，GPIOB8、GPIOB9接入事件管理器B完成對Y軸的反饋。他們分別對應(yīng)定時(shí)器2和4。

4 結(jié)語

本文簡要介紹了FDM控制系統(tǒng)的打印機(jī)的工作原理以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的原理，主要就電機(jī)驅(qū)動(dòng)開環(huán)閉環(huán)控制的區(qū)別，通過實(shí)例的講解進(jìn)行了介紹，為提高3D打印的精度提供了理論依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉薇娜，郭遵站，楊立峰.3D打印機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)械工程師，2014，12：116-118.

[2]王永強(qiáng)，袁茂強(qiáng)，王力，趙維剛.FDM打印機(jī)精確控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，16：1-4.

[3]張斌.3D打印驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京印刷學(xué)院，2015.

[4]王志強(qiáng).步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)性能綜合比較[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2006，05：14-17.

[5]王勇.步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的比較[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2010，12：311-312.

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