基于FPGA 的生物3D 打印機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

劉藝煒，張博，張文棟

（太原理工大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，山西 晉中 030600）

生物3D 打印這一技術(shù)概念最早由美國(guó)Clemson University、University of Missouri、Drexel University 等大學(xué)的教授在2000 年左右提出[1]，是一種能夠在數(shù)字三維模型驅(qū)動(dòng)下，按照增材制造原理要求裝配生物細(xì)胞、柔性材料或生物材料，制造組織生物制支架、醫(yī)用器械的技術(shù)[2-3]。目前，打印機(jī)技術(shù)根據(jù)原理可分為熔融沉技術(shù)（FDM）、噴墨打印技術(shù)和立體光刻技術(shù)（SLA），均有其優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和局限性[4]。目前降低打印成本、提高打印的精度、實(shí)現(xiàn)快速打印成為急需解決的問(wèn)題[5]。

目前，國(guó)內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)多使用Arduino 軟件來(lái)設(shè)計(jì)打印機(jī)，使用FPGA 芯片控制生物打印機(jī)的研究少見[6-7]。

FPGA 集成度高、資源豐富、處理速度快、通信方式多種多樣，為開發(fā)者的設(shè)計(jì)提供了便利，也帶來(lái)了更多的發(fā)揮空間，可重復(fù)編程、設(shè)計(jì)周期短、研發(fā)費(fèi)用低、可嵌入高性能處理器的優(yōu)點(diǎn)使得FPGA 可極大地提升產(chǎn)品質(zhì)量[8]。

文中以FPGA 芯片為核心控制芯片，先將打印的支架參數(shù)數(shù)字化，再進(jìn)行數(shù)字處理、編碼，使其能精確控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和噴頭的開啟。通過(guò)引入梯形運(yùn)動(dòng)控制算法，提高了支架的打印精確度。

1 電路設(shè)計(jì)

生物打印系統(tǒng)主要包括機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制模塊、氣動(dòng)控制模塊、控制程序四大部分，如圖1 所示。為了實(shí)現(xiàn)噴頭擠出、空間定位和環(huán)境控制，機(jī)械系統(tǒng)又包括三維運(yùn)動(dòng)部件、供料系統(tǒng)、噴頭部件3 個(gè)部分。上位機(jī)通過(guò)串口通信發(fā)送打印命令給FPGA主控制板。主控制板通過(guò)分析打印指令，將三維運(yùn)動(dòng)的控制命令進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并發(fā)送給三維運(yùn)動(dòng)控制模塊。然后DM422 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將細(xì)分要求、位移要求命令發(fā)送給三維移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)位移的控制。噴頭部件通過(guò)接收FPGA 主板的開啟關(guān)斷命令實(shí)現(xiàn)微閥的開啟與關(guān)斷，從而控制噴頭。在打印過(guò)程中FPGA 主控制板通過(guò)與運(yùn)動(dòng)控制模塊、溫控加熱模塊的反饋，校正打印指令，提高打印精度。

圖1 整體設(shè)計(jì)框架

打印機(jī)采用噴墨式打印方式，選用孔徑為0.1 μm的電磁閥噴頭，使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿，通過(guò)絲桿的位移控制噴頭的位移[9]。采用4 000 細(xì)分驅(qū)動(dòng)，理論上的步進(jìn)角[10]達(dá)到了0.007°，使電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)、停止和加減速[11]。

1.1 噴頭控制模塊

采用微流閥噴頭作為打印噴頭，開啟電壓為24 V，保持電壓為5 V。上位機(jī)發(fā)送步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)命令時(shí)，噴頭控制程序發(fā)送脈沖控制信號(hào)CONTROL，當(dāng)控制信號(hào)為高時(shí)，拉高電磁閥噴頭開啟信號(hào)CH1_CONTROL_VOLTAGE。電路原理圖如圖2 所示。

圖2 電路原理圖

為滿足不同噴頭的選擇，設(shè)計(jì)了如上電路。CH1_BASE_T4 為噴頭的使能信號(hào)，用來(lái)控制噴頭開啟電壓+24 V_SPIK 的接入。當(dāng)CH1_BASE_T4 為高時(shí)，T10、T19 器件依次開啟，24 V 電壓加到噴頭兩端，噴頭開啟。當(dāng)接入CH1_CONTROL_VOLTAGE后，達(dá)林頓三極管T20 導(dǎo)通，將5 V 的電壓源繼續(xù)保持在噴頭兩端CH1_VALVE_CONNECTION_6 和CH1_VALVE_CONNECTION_5。

1.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

采用線性光耦器HCPL082 將24 V 的限位信號(hào)轉(zhuǎn)換成3.3 V 傳輸給FPGA 主控制板。通過(guò)X_PLUS、X_DIR、X_ENA 3 個(gè)信號(hào)分別控制X 軸的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)使能[12]。這些控制信號(hào)通過(guò)增強(qiáng)型NMOS 管將電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器信號(hào)X_PLUS_DM、X_DIR_DM、X_ENA_DM。運(yùn)動(dòng)控制電路如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制電路

1.3 加熱模塊

加熱模塊采用DS18B20 采集載物臺(tái)和噴頭的加熱溫度。STM32 運(yùn)算溫度采集信號(hào)，發(fā)送給反饋控制Driv_Warm_Re，使其可在20～80 ℃下運(yùn)行。STM32將加熱命令Driv_Warm 發(fā)送給光耦MOC3022，通過(guò)開啟U8 器件控制加熱元件的接地端。在電路的上半部分，通過(guò)反饋控制信號(hào)Driv_Warm_Re 控制加熱的繼電器，從而實(shí)現(xiàn)溫度的負(fù)反饋控制[13]。加熱模塊驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。

圖4 加熱模塊驅(qū)動(dòng)電路

2 控制方法介紹

為實(shí)現(xiàn)噴頭的移動(dòng)，基于Xilinx Artix-7 系列FPGA 芯片編寫了Verilog 程序代碼，控制和固定了噴頭的步進(jìn)電機(jī)通信模塊，使用UART 串口傳輸控制信號(hào)，用于控制步進(jìn)電機(jī)模塊和噴頭模塊等[14]。硬件連接示意圖如圖5 所示。

圖5 硬件連接示意圖

上位機(jī)通過(guò)RS232 與打印機(jī)通信，通過(guò)特定的數(shù)據(jù)幀協(xié)議傳輸打印的指令，具體包括打印支架材料的尺寸、打印噴墨式噴頭的控制參數(shù)、打印步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)速度等，具體協(xié)議幀如表1、表2 所示[15]。

表1 打印層數(shù)據(jù)幀

表2 打印參數(shù)設(shè)置幀

在打印程序中，通過(guò)將打印尺寸分解、切片，轉(zhuǎn)化成蛇形線性移動(dòng)路徑，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打印噴頭的位移，通過(guò)程序計(jì)算，噴頭將會(huì)在特定的位置開啟一定的時(shí)長(zhǎng)，用來(lái)保證液滴的正常大小及正常噴射。通過(guò)測(cè)試不同的噴頭開啟時(shí)間，發(fā)現(xiàn)噴頭開啟時(shí)間在400 μs 時(shí)，液滴打印效果較好。通過(guò)打印測(cè)試，電機(jī)的移動(dòng)速度在5 mm/s 時(shí)，支架呈現(xiàn)出較好的形貌特征。具體處理流程如圖6 所示。

圖6 打印信號(hào)處理流程圖

2.1 步進(jìn)電機(jī)的梯形運(yùn)動(dòng)控制原理

為了提高步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)精準(zhǔn)度，加入了梯形加減速控制算法，在步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、轉(zhuǎn)向這些涉及到步進(jìn)電機(jī)啟停的特定時(shí)間點(diǎn)加入文中算法來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)[16]。加減速實(shí)現(xiàn)功能圖如圖7 所示。

圖7 加減速實(shí)現(xiàn)功能圖

加減速模塊通過(guò)Verilog 程序代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括頂層模塊sudu_control、位移計(jì)數(shù)模塊displace_count、脈沖發(fā)生模塊PWM_genrator、算術(shù)計(jì)算模塊arith_solve、狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊STATE＿change。

在狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊中包含有加減速狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)不同狀態(tài)之間的切換。具體狀態(tài)包含狀態(tài)等待、加速、減速、勻速、狀態(tài)停止、位移校正、停止等[17]。具體狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表3 所示。

表3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊用于讀取模塊的速度、位移等數(shù)據(jù)。根據(jù)速度和位移數(shù)據(jù)更改步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，完成加速的狀態(tài)識(shí)別和轉(zhuǎn)換。

為辨別各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻，通過(guò)分析各個(gè)階段的實(shí)時(shí)速度和位移數(shù)據(jù)，與速度和位移信號(hào)經(jīng)行比較。當(dāng)滿足條件時(shí)，即可進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換[18]。

具體的計(jì)算公式如下：

t1時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)換標(biāo)志：

其中，ΔS為加速距離。

t2時(shí)刻的位移點(diǎn)計(jì)算公式為：

t2時(shí)刻的判斷信號(hào)為當(dāng)前位移量displace_coun是否與目標(biāo)值aim_count 相等：

t3時(shí)刻的標(biāo)志位為：

2.2 頂層模塊綜合

頂層模塊讀取目標(biāo)位置、速度、加速度及當(dāng)前位置等數(shù)據(jù)，計(jì)算出每一周期速度增加量以及減速點(diǎn)等數(shù)據(jù)，再根據(jù)當(dāng)前位置、當(dāng)前速度自動(dòng)控制當(dāng)前速度的變化，完成加減速控制功能。

頂層模塊綜合圖如圖8 所示，加減速模塊通過(guò)Verilog 程序代碼實(shí)現(xiàn)，頂層模塊sudu_control 用于各個(gè)模塊的綜合；位移計(jì)數(shù)模塊displace_count 用于計(jì)數(shù)步進(jìn)電機(jī)的位移距離計(jì)算；脈沖發(fā)生模塊PWM_genrator 用于產(chǎn)生特定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度的脈沖波；算術(shù)計(jì)算模塊arith_solve 用于計(jì)算加減速轉(zhuǎn)換的標(biāo)志位；狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊state＿change 用于不同加減速狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換[19]。

圖8 頂層模塊綜合圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

在完成控制系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，搭建完整的控制系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，主要包括溫度調(diào)節(jié)測(cè)試、恒溫控制測(cè)試和實(shí)物打印測(cè)試。測(cè)試設(shè)備如圖9 所示，由上位機(jī)發(fā)送相關(guān)指令，觀測(cè)對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析。

圖9 測(cè)試設(shè)備

該研究進(jìn)行了模擬支架的打印實(shí)驗(yàn)。具體方法為：使用5%的海藻酸鈉溶液作為打印材料[20]，打印1 mm×1 mm 網(wǎng)格型支架材料；在完成30 mm×30 mm的網(wǎng)格型支架打印后，使用4%的CaCl2溶液噴霧固化，待凝固后進(jìn)行觀察。打印氣壓為35 kPa，行進(jìn)速度為5 mm/s，噴頭開啟時(shí)間為400 μs。

圖10 為穩(wěn)定成型的網(wǎng)格支架實(shí)物。從10（a）中可以看出，支架整體打印完整度較好，行列之間基本保持平行，也從側(cè)面說(shuō)明所設(shè)計(jì)加減速控制算法達(dá)到了較好的控制效果，位移控制相對(duì)精準(zhǔn)。從局部放大圖10（b）中可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)1 mm×1 mm 的正方形網(wǎng)格外輪廓一致性較好。

圖10 穩(wěn)定成型的網(wǎng)格支架實(shí)物

4 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA、擁有多噴頭可以打印柔性材料的生物3D 打印機(jī)。分析和設(shè)計(jì)了打印機(jī)的各功能模塊、電路，編寫了打印機(jī)控制程序。為提高打印機(jī)打印的精確性，加入了步進(jìn)電機(jī)的梯形控制算法，通過(guò)打印機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，基于FPGA的3D 打印機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)柔性材料的打印，滿足基本的柔性材料的打印需求。基于FPGA 的框架3D 打印機(jī)的設(shè)計(jì)，為生物凝膠材料固化成型技術(shù)提供了新的簡(jiǎn)便制備方法。