王蘇洲,舒志兵,李 俊

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211816)

基于ARM的桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王蘇洲,舒志兵*,李 俊

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211816)

在分析傳統(tǒng)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上,選用ARM Cortex-M3內(nèi)核 LPC1768為微控制器。采用熔融沉積造型技術(shù)(FDM),針對(duì)傳統(tǒng)采用單路固定數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致打印速度過(guò)慢的問(wèn)題,采用打印效率和打印速度對(duì)偶分析方法,融入頻分多路復(fù)用方法實(shí)現(xiàn)桌面型3D打印機(jī)的多目標(biāo)集優(yōu)化控制,并對(duì)速度量化指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估,根據(jù)不同頻率傳送各路打印請(qǐng)求信息,實(shí)現(xiàn)打印速度提升。通過(guò)仿真并搭建測(cè)試平臺(tái),最后對(duì)設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試,驗(yàn)證該桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性與有效性。

3D打印機(jī);頻分多路復(fù)用;提高速度;優(yōu)化控制系統(tǒng)

3D打印技術(shù)作為新型制造技術(shù)的典型代表,如今得到了快速發(fā)展,逐步成為引領(lǐng)未來(lái)制造行業(yè)的重要技術(shù)[1]。進(jìn)行3D打印不需要機(jī)械加工或模具,可以直接用計(jì)算機(jī)繪圖軟件生成任意形狀的物體,借助三維制圖軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模,并通過(guò)用塑料、粉末化、特殊蠟質(zhì)材料逐層“打印”出實(shí)物。當(dāng)前桌面型3D打印機(jī)大都采用單路的固定數(shù)據(jù)傳輸,這樣的傳輸方式嚴(yán)重影響了打印速度。3D打印機(jī)的打印速度是打印機(jī)工作效率的重要體現(xiàn),通過(guò)提高3D打印和三維建模的可以提高生產(chǎn)效率,所以對(duì)提升桌面型3D打印機(jī)速度算法的研究具有重要意義[2]。

本文選用NXP公司的ARM Cortex-M3內(nèi)核 LPC1768為微控制器,采用基于頻分多路復(fù)用(FDM)的3D打印機(jī)速度控制方法,詳細(xì)介紹了3D打印機(jī)的硬、軟件設(shè)計(jì),提出了一款高速度、高精度FDM型桌面3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)傳統(tǒng)3D打印機(jī)采用單路固定數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致打印速度過(guò)慢的問(wèn)題,本系統(tǒng)對(duì)基于ARM的桌面型3D打印機(jī)速度進(jìn)就行了優(yōu)化[2]。

1 3D打印原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 3D打印機(jī)的工作原理

3D打印利用計(jì)算機(jī)繪制三維模型,并生成STL文件,憑借打印材料熔點(diǎn)低、成型快的特點(diǎn),通過(guò)噴頭加熱以及擠出機(jī)的擠壓,將打印材料以細(xì)絲狀形式擠出,按照三維模型“分區(qū)”成逐層的截面,即切片,然后進(jìn)行逐層打印,其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 3D打印機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

3D打印機(jī)控制系統(tǒng)由上位機(jī)及3D打印機(jī)兩個(gè)部分組成,上位機(jī)負(fù)責(zé)完成物體建模以及對(duì)模型的三維切片,生成打印機(jī)可以識(shí)別的Gcode文件,3D打印機(jī)按照指令使噴頭按照預(yù)先設(shè)定的路徑逐層完成3D打印任務(wù)[4]。要想順利完成3D打印任務(wù),需要確保模型的大小在打印機(jī)最大打印范圍內(nèi),如果超出了打印范圍則需修改模型的尺寸。

在打印前,利用切片軟件對(duì)3D模型進(jìn)行切片,切片的目的是將模型分割成逐層的截面,切片軟件將切片后模型的尺寸大小、形狀等轉(zhuǎn)換成打印機(jī)能夠是別的指令,最終把計(jì)算機(jī)上的模型變?yōu)閷?shí)物。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的桌面型3D打印機(jī)屬于一種常見的封閉式打印機(jī)的機(jī)種,完成3D打印的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)本體,它主要由熱床、步進(jìn)電機(jī)、擠出機(jī)、零位傳感器等部件組成[5]。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 3D打印機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用NXP公司生產(chǎn)的ARM Cortex-M3內(nèi)核 LPC1768作為微控制器,控制系統(tǒng)主要控制步進(jìn)電機(jī)、擠出機(jī)加熱電阻和加熱床的溫度、擠出機(jī)工作零點(diǎn)與行程;與上位機(jī)通信采用USB。控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。通過(guò)電源電路向控制系統(tǒng)供電;獲取 SD 卡里的打印數(shù)據(jù)主要由LPC1768 微控制器的片內(nèi) SPI 接口主負(fù)責(zé),通過(guò)片內(nèi) USB 接口與上位 PC 機(jī)完成可靠、快速的通信,確保打印數(shù)據(jù)及時(shí)無(wú)誤的傳送,同時(shí)上位PC機(jī)還可以通過(guò) USB 接口對(duì)系統(tǒng)發(fā)送指令。兩路輸出的信號(hào)分別控制加熱床加熱電路和擠出機(jī)加熱電路中的低通電阻 NMOS 功率開關(guān)管,實(shí)現(xiàn)加熱床及擠出機(jī)中加熱電阻的加熱。片內(nèi)A/D將溫度傳感器電路內(nèi)的兩路模擬量轉(zhuǎn)換經(jīng)通道輸入,實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱床、擠出機(jī)溫度的檢測(cè)與控制。四路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要負(fù)責(zé)控制X、Y、Z這3個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)及擠出機(jī)的步進(jìn)電機(jī),實(shí)現(xiàn)打印件的打印。三路行程開關(guān)電路主要負(fù)責(zé)定位X、Y、Z軸的原點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)相對(duì)位移量。ISP/JTAG接口主要負(fù)責(zé)測(cè)試程序的燒寫與調(diào)試[6]。

圖3 3D打印機(jī)控制系統(tǒng)框圖

3 3D打印機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)通信、數(shù)字信號(hào)控制和數(shù)據(jù)讀取與處理等功能。系統(tǒng)主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化和應(yīng)用函數(shù)的聲明;通過(guò)SP1接口讀取SD卡中的配置文件;判斷是否有上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口,若有上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),讀取數(shù)據(jù)并保存在串口接收的緩存區(qū);若沒(méi)有上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù),讀取SD卡中打印數(shù)據(jù)并保存到SD卡接收緩存區(qū),然后處理接收的數(shù)據(jù),如果超過(guò)30 s沒(méi)有數(shù)據(jù)處理,關(guān)閉程序控制功能并停止步進(jìn)電機(jī)。系統(tǒng)主流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主流程圖

3.2 上位機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能,具有良好的人機(jī)控制界面,借助開源切片軟件Slic3r的優(yōu)點(diǎn),調(diào)用Slic3r提供的API實(shí)現(xiàn)三維切片的功能,點(diǎn)擊文件的加載模型按鈕可加載STL文件,在切片中完成3D模型的切片并適當(dāng)調(diào)整模型位置,點(diǎn)擊文件中“生成geode格式文件”,即可生成Crcode文件,通過(guò)USB網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程或直接使用SD卡將數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印機(jī),開始打印實(shí)物,打印過(guò)程中可以預(yù)覽打印物體的3D效果圖,也可以查看打印進(jìn)度及參數(shù)。上位機(jī)軟件界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件界面

3.3 3D打印機(jī)速度提升與優(yōu)化

根據(jù)對(duì)FDM型3D打印機(jī)工作原理詳述,對(duì)打印控制的參數(shù)模型進(jìn)行分析。本文設(shè)計(jì)的打印機(jī)系統(tǒng)可看成是一個(gè)頻分多路復(fù)用,則打印機(jī)的過(guò)程控制參數(shù)可以表示為:

(1)

S={S1,S2,…,Snum}為打印物體的模具集合;P為正在打印生產(chǎn)的作業(yè)數(shù);Nq為可進(jìn)行第q項(xiàng)工作時(shí)的組別數(shù)量;Ni為參與第i項(xiàng)作業(yè)的區(qū)域熔融沉積材料的厚度;Y(i)為3D打印各路作業(yè)輸入信號(hào)的頻譜向量和打印通道之前的干擾矩陣為X(i),打印機(jī)激發(fā)態(tài)躍遷矩陣的維數(shù)分別為N(i)x1和N(i)xm。

對(duì)于3D打印速度制約參數(shù)模型的建立,根據(jù)打印機(jī)逐層級(jí)聯(lián)退激基態(tài)分解的子矩陣規(guī)模為L(zhǎng)×m,打印效率和速度為Bu與Bv,采用對(duì)偶分析法對(duì)打印效率和打印速度建立模型[7]:

(2)

(3)

由式中Bik生產(chǎn)組別K完成后端數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),進(jìn)行3D打印輸出,得到i項(xiàng)打印的經(jīng)濟(jì)成本為:

(4)

以此為基礎(chǔ),對(duì)3D打印機(jī)的速度控制優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于桌面型3D打印機(jī)的FDM控制,確定變量和數(shù)組的儲(chǔ)存空間是前提。本文采用熱塑性材料FDM控制方法,根據(jù)介質(zhì)不同,使得打印后的物體具有良好的三維特征。在打印作業(yè)中,為了提高打印效率與速度,控制噴頭內(nèi)對(duì)加熱熔化的材料至關(guān)重要。數(shù)學(xué)模型建立如下:

設(shè)T為打印機(jī)噴頭熔料控制的因變量,X1,X2,…,Xn-1為對(duì)T有自相關(guān)性的n-1個(gè)自變量,則噴頭熔料之間線性關(guān)系可表示為:

T=β0+β1X1+…βn-1Xn-1+e

(5)

e為打印機(jī)噴頭熔料各路之間的誤差干擾項(xiàng),即外界其他因素對(duì)T的影響。由于多路信號(hào)之間的頻譜會(huì)有部分重疊,則打印機(jī)噴頭熔料控制信號(hào)的觀測(cè)值為:

(Xi,1,Xi,2,…,Xi,n-1,Ti)

(6)

打印機(jī)的分辨率應(yīng)滿足:

(7)

打印機(jī)噴頭熔料控制模型可改寫為矩陣:

Y=Xβ+e

(8)

式中:Y為熔料控制觀測(cè)量;X為打印機(jī)陣列矩陣;β為參數(shù)向量;e為打印機(jī)任務(wù)指派量。

本文將廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域的頻分多路復(fù)用來(lái)提升3D打印機(jī)的速度控制,所謂的頻分多路就是依照不同頻率傳送各類消息,實(shí)現(xiàn)多路通信。假設(shè)對(duì)3D打印的經(jīng)濟(jì)與效益評(píng)價(jià)指標(biāo)之間具有藕合性,用不同頻率傳送各路打印熔料控制消息,得到最優(yōu)打印控制Fu與最劣打印控制Fv的頻分多路復(fù)用藕合狀態(tài)為:

(9)

(10)

為了提高打印調(diào)度性能,用頻分多路復(fù)用對(duì)打印數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到優(yōu)化后的實(shí)際打印速度效益Si為:

(11)

考慮到熔料控制矩陣秩的虧損即n

(12)

每次將打印傳送數(shù)據(jù)輸入到頻分多路迭代中,將打印機(jī)分辨率矩陣分解成一個(gè)正交矩陣,由矩陣保范型可得:

(13)

如果只考慮打印工作中的單個(gè)消息所需要的功率,可以忽略打印任務(wù)指標(biāo)函數(shù),打印功耗的最小化為:

(14)

降低每路打印輸入信號(hào)的干擾頻譜,推導(dǎo)出最小二階解為:

(15)

記Xij的秩為rij,rij≤m,通過(guò)上述對(duì)3D打印速度的控制,實(shí)現(xiàn)打印速度提高。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試本文提出的頻分多路復(fù)用速度提升法在打印速度和效益方面性能的優(yōu)越性,首先用MATLAB對(duì)算法進(jìn)行仿真,取多個(gè)打印任務(wù),用不同頻率傳送各路打印信息[8],得到打印輸出的各路信號(hào)頻譜如圖6所示。

圖6 3D打印各路打印頻譜

由圖6可見,采用頻分多路復(fù)用速度提升法,能有效實(shí)現(xiàn)3D打印的速度量化指標(biāo)的評(píng)估,降低各路打印輸人信號(hào)的干擾頻譜,提高打印速度。

在實(shí)際測(cè)試中,首先按照打印操作流程進(jìn)行打印模型測(cè)試。重點(diǎn)觀察打印速度及實(shí)物打印效果。利用三維制圖軟件自行設(shè)計(jì)模型,制作完畢后將模型導(dǎo)入切片軟件中,如圖7所示。

圖7 打印切片模型

設(shè)置打印模型層厚、加熱溫度和打印溫度后,分別用傳統(tǒng)打印與引用頻分多路復(fù)用法打印3D模型,在設(shè)定同樣材料、模型厚度后,對(duì)比兩種情況下打印模型所用的時(shí)間長(zhǎng)短。實(shí)物打印如圖8所示。

圖8 實(shí)物打印測(cè)試

打印完成所需時(shí)間觸摸屏顯示如圖9所示,采用頻分多路復(fù)用打印完3D模型比傳統(tǒng)速度快近0.5 h。由測(cè)試結(jié)果可見,本文提出的頻分多路算法,能大幅降低打印時(shí)間和內(nèi)存開銷,提高打印速度。

圖9 打印時(shí)間觸摸屏顯示

5 結(jié)論

本文以傳統(tǒng)3D打印機(jī)為研究對(duì)象,在分析其結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上,提出了一款速度快、

精度高的桌面型3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)方案,詳細(xì)介紹了3D打印機(jī)的硬、軟件設(shè)計(jì)。針對(duì)傳統(tǒng)3D打印機(jī)采用單路固定數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)致打印速度過(guò)慢的問(wèn)題,提出基于頻分多路復(fù)用的速度提升法,搭建測(cè)試平臺(tái),對(duì)設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試,頻分多路復(fù)用在3D打印機(jī)應(yīng)用,大大降低了模型打印時(shí)間和內(nèi)存空間,提高了打印速度。通過(guò)打印出來(lái)的實(shí)物與模型進(jìn)行比對(duì),驗(yàn)證該桌面型3D打印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性與有效性。

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DesignandImplementationofControlSystemforFDM3DPrinterBasedonARM

WANGSuzhou,SHUZhibing*,LIJun

(College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

Based on the analysis of traditional 3D structure and working principle of the printer,we selected ARM Cortex-M3 kernel LPC1768 as micro controller and adopted the fused deposition modeling(FDM). According to the traditional using of single fixed data transmission,the printing speed was too slow,we adopted the printing transfer and printing speed dual efficiency analysis method,integrated into the frequency division multiplexed method to implementation desktop of 3D printer set of multi-objective optimal control,and to evaluate speed quantitative assessment. According to the enquiring different frequencies of the printing system,the frequency division multiplexing method can be applied to transfer the printing request messages to all strips of the 3D printer system. Finally,we tested the performance of the designed 3D printer through simulation and built a test platform to verify the feasibility and effectiveness of the desktop 3D printer control system design.

3D printer;frequency division multiplexing;increase speed;optimal control system

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.052

2016-08-10修改日期2016-10-01

TP273

A

1005-9490(2017)05-1324-05

王蘇洲(1990-),男,漢族,江蘇連云港人,碩士研究生 主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)電一體化系統(tǒng)等,18795871558@139.com;

李俊(1993-),男,漢族,江蘇揚(yáng)州人,深圳市海目星激光科技有限公司,工程師,主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、智能機(jī)器人等,lj893434@163.com;

舒志兵(1965-),男,通信作者,漢族,江蘇南京市人,副教授,南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制研究所所長(zhǎng),主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制、交流伺服系統(tǒng)、DSP技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、數(shù)控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等。