基于PTA增材制造的模型分層及運(yùn)動控制

仇文杰，陳克選，包學(xué)強(qiáng)，許可可

（蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

0 前言

快速成形技術(shù)（Rapid Prototyping，簡稱RP）是集計(jì)算機(jī)學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)以及其他學(xué)科于一體并且將零件的三維CAD模型通過制造設(shè)備堆積成具有一定結(jié)構(gòu)和功能的零件或原型的一種先進(jìn)制造技術(shù)[1]。它不同于傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨等去除成型，也不同于鑄、鍛、粉末冶金等受迫成型的加工方法，而是采用材料累加的方法[2]。較傳統(tǒng)加工方法，快速成型制造技術(shù)具有技術(shù)集成度高、自由成型制造、高柔度性、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。本研究采用的絲材等離子電弧增材制造技術(shù)適用于大尺寸且形狀較復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速成型，是與目前發(fā)展較成熟的激光增材制造方法優(yōu)勢互補(bǔ)的3D增材成型技術(shù)，克服了激光或電子束設(shè)備成本高、成型效率低的缺點(diǎn)[5]。通過三維建模，全過程由計(jì)算機(jī)控制將材料逐層累加制造實(shí)體零件，縮短了加工周期，減少工序，提高了原材料的使用率，并且形狀越復(fù)雜其優(yōu)勢越明顯。

1 系統(tǒng)組成

等離子弧金屬快速成型技術(shù)是以等離子弧作為熱源，熔化金屬基體（或前層熔積金屬）和金屬填充材料，由計(jì)算機(jī)控制三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)和變位機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的層積路徑提供運(yùn)動軌跡掃描，控制等離子弧在層積路徑形成移動的金屬熔池，熔融金屬經(jīng)過快速凝固形成所需的金屬功能零件[6]。

等離子弧快速成型系統(tǒng)主要由運(yùn)動控制系統(tǒng)、焊接電源、送絲系統(tǒng)、水冷循環(huán)系統(tǒng)等組成。本研究采用2臺獨(dú)立的焊接電源供電，其中一臺為主弧電源，另一臺為維弧電源，由于兩者互不干擾，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和零件的成型精度。送絲系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用Visual C++6.0開發(fā)運(yùn)動控制卡控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)送絲，配合焊槍運(yùn)動，進(jìn)一步提高成型精度，減小變形。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

2 控制卡及運(yùn)動平臺的搭建

2.1 運(yùn)動控制卡

運(yùn)動控制卡是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的核心部分，為滿足快速成型系統(tǒng)長時(shí)間、高精度的運(yùn)行要求，采用AVR2系列ATMEGA2560單片機(jī)作為控制卡的處理器，ATMEGA2560多達(dá)100個(gè)引腳，有多個(gè)輸入/輸出口，具有通訊速率高、處理速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

控制卡通過數(shù)據(jù)總線與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，通訊速率可達(dá)200 kB/s，能夠同時(shí)對多個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行協(xié)同控制[7]。輸出4路單脈沖（脈沖+方向）信號，其中3路控制x、y、z三軸協(xié)同運(yùn)動，完成對運(yùn)動路徑的掃描，第四路信號控制送絲電機(jī)配合掃描路徑實(shí)現(xiàn)步進(jìn)送絲?？刂瓶ㄅc驅(qū)動器的接口電路采用共陽極接法，具體接口電路示意如圖2所示。

圖2 控制卡和驅(qū)動器接口電路Fig.2 Control card and driver interface circuit

2.2 運(yùn)動平臺的搭建

運(yùn)動機(jī)構(gòu)將等離子焊槍固定在滑臺的滑塊上，由步進(jìn)電機(jī)通過滑臺的絲桿旋轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的移動，實(shí)現(xiàn)焊槍對運(yùn)動路徑的掃描。由于等離子焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、槍體較重，對導(dǎo)軌和電機(jī)均有一定的要求。因此選定3個(gè)1610型絲杠搭建成3軸滑臺，采用雷塞86HS85步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，完成了運(yùn)動平臺的搭建。

3 軟件設(shè)計(jì)及部分系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

3.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為讀取G指令、解析和編譯、信號輸出三大模塊。讀取指令模塊主要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，識別并讀取G代碼送到指令存儲區(qū)；解析和編譯模塊的功能是將存儲區(qū)的G代碼轉(zhuǎn)化為脈沖信號；信號輸出模塊則是將信號從控制卡單向傳輸?shù)讲竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，最終實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制[8]。軟件的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程Fig.3 Main program flow chart

3.2 部分參數(shù)設(shè)定

利用CAD軟件進(jìn)行三維建模，再將模型進(jìn)行切片處理生成G代碼，通過運(yùn)動控制卡將G代碼編譯為脈沖驅(qū)動信號送入步進(jìn)電機(jī)，最后由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)焊槍對運(yùn)動路徑的掃描，最終得到實(shí)體零件。但是，要保證零件的成型精度，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)和絲杠的相關(guān)參數(shù)嚴(yán)格確定輸出脈沖。所選步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠的相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示，通過式（1）計(jì)算得到控制卡輸出脈沖的個(gè)數(shù)。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)Table 1 Stepper motor parameters

表2 滾珠絲杠參數(shù)Table 2 Ball screw parameters

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT{320，320，320} //x，y，z軸移動 1mm 所需要的脈沖。

其次，零件的設(shè)計(jì)尺寸必須小于絲杠的最大行程，以下是軟件中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，0表示限位開關(guān)的位置。

#define X_MAX_POS 600//x軸運(yùn)動的最大位移（單位：mm）；

#define X_MIN_POS 0 //x軸運(yùn)動的最小位移（單位：mm）；

#define Y_MAX_POS 600//y軸運(yùn)動的最大位移（單位：mm）；

#define Y_MIN_POS 0 //y軸運(yùn)動的最小位移（單位：mm）；

#define Z_MAX_POS 500//z軸運(yùn)動的最大位移（單位：mm）；

#define Z_MIN_POS 0 //z軸運(yùn)動的最小位移（單位：mm）。

4 模型分層及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

4.1 模型分層

經(jīng)過軟件編寫、硬件電路連接、運(yùn)動平臺搭建等步驟最終完成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的搭建工作。測試過程由CAD制圖軟件設(shè)計(jì)零件的三維模型如圖4a所示，并將模型保存為STL文件。而合理地實(shí)現(xiàn)STL文件模型分層是增材制造中極為重要的環(huán)節(jié)，也決定著最終實(shí)體零件的質(zhì)量和精度。經(jīng)過多次焊接實(shí)驗(yàn)得到分層高度、成型速度等相關(guān)參數(shù)，切片采用Cura軟件根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對STL文件模型進(jìn)行分層切片，如圖4b所示。將經(jīng)過切片處理得到的模型的G代碼文件通過USB數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)竭\(yùn)動控制卡，再由運(yùn)動控制卡驅(qū)動運(yùn)動平臺按軌跡掃描最終得到實(shí)體零件?；谀Ｐ偷腟TL文件分層參數(shù)如表3所示。

圖4 三維模型及其分層Fig.4 3D Model and 3D Model stratification

表3 模型分層參數(shù)Table 3 Model stratification parameters

4.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用2臺小型TIG-200等離子焊接電源作為快速成型系統(tǒng)的熱源，采用直徑為0.8mm的ER70S-6的金屬絲材和側(cè)向填絲工藝，配合運(yùn)動系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)獲得實(shí)體零件的工藝參數(shù)和零件的實(shí)際參數(shù)如表4和表5所示，實(shí)物如圖5所示。

表4 成型工藝參數(shù)Table 4 Forming process parameters

表5 實(shí)物參數(shù)Table 5 Entity parameters

圖5 等離子弧快速成型實(shí)物Fig.5 Plasma arc rapid prototyping

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了以運(yùn)動控制卡為核心的等離子弧快速成型系統(tǒng)，以PC機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了三維建模，模型分層，路徑編譯；以運(yùn)動控制卡和三軸運(yùn)動系統(tǒng)為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，焊槍運(yùn)動。

（2）整套設(shè)備實(shí)現(xiàn)了由三維模型到實(shí)體零件的自動化成型，減少了人工干預(yù)，克服了復(fù)雜零件加工困難、鑄造成本高的缺點(diǎn)。

（3）經(jīng)測試設(shè)備性能穩(wěn)定，零件成型良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭志飛，張虎.增材制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].機(jī)床與液壓，2015，43（5）：148-151.

[2]張培.基于快速成型的三維模型數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究[D].河南：河南科技大學(xué)，2013.

[3]王庭庭，張?jiān)?，謝岳良.絲材電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].電焊機(jī)，2017，47（8）：60-64.

[4]馮志明，李鋒軍，蔡安克，等.薄壁殼體件的快速成型技術(shù)開發(fā)研究[J].鑄造技術(shù)，2015，36（1）：230-233.

[5]耿海濱，熊江濤，黃丹，等.絲材電弧增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢[J].焊接，2015（11）：17-21.

[6]向永華，徐濱士，呂耀輝，等.基于微束等離子熔覆的直接金屬快速成形系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2010，38（5）：56-58.

[7]夏章龍.基于CAN總線的沖壓成型嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].湖北：武漢理工大學(xué)，2012.

[8]田永中，周建平，梁楚華.開放式數(shù)控系統(tǒng)中G代碼編譯器的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（3）：154-155.