金屬高能脈沖熔積快速成型系統核心控制模塊研究

汪 靜

（甘肅省電力公司電力經濟技術研究院，甘肅 蘭州 730050）

1.引言：快速成型技術[1-4]集成現代數控技術、CAD/CAM技術、材料科學等領域的最新成果，以增材制造為思想，以降維制造為手段，實現三維原型件或功能件的先進制造技術。當前，快速成型技術基本用于非金屬樣件的加工，然而其加工出來的產品，在機械、力學及材料學等各方面的性能，還不能夠滿足工程上的實際需求。另外當前的快速成型技術成型的精度比較低有待進一步的提高。目前最主要的金屬快速成型裝置多為采用了激光器或者是電子束作為成型的探頭，然而此類設備的結構比較復雜、功耗較大、壽命卻相對來說比較短。工業生產對提高設備的成型精度和降低設備的運行成本有十分迫切的需求。因此，基于精密焊接技術基礎的快速金屬模型、模具的制造是一種非常實用又制造成本較低的方法, 其研究具有較高的理論意義和很大的實用價值。

2.研究內容：在金屬高能脈沖熔積快速成型系統中，控制模塊和軟件的設計與實現是其核心。主要包括模型建立、數據轉換、傳送、解析、電機控制模塊。系統采用 ATmega2560核心板為控制器，系統首先采用CAD制圖模塊制作出三維立體模型并導出其G碼，然后通過C#編寫上位機軟件將G碼傳遞給ATmega2560控制端，ATmega2560可以自動解析G碼，從而控制電機及噴頭的運動，最終實現三維立體成型?？刂颇K結構原理圖如下圖1-1所示：

圖1-1 控制模塊結構原理圖

2.1 控制電路總體結構

本系統控制核心采用ATmega2560，系統包括步進電機驅動、噴頭控制、走絲控制、紅外測溫控制四部分。ATmega2560控制板通過串口與上位機軟件進行通信，當接收到上位機發送的G碼后，進行傳遞解析并控制相應的步進電機動作。此外，固態繼電器實現噴頭的運動及溫度控制。紅外測溫模塊采用MS6520B紅外測溫槍，紅外測溫槍主要用于溫度的測量與顯示。控制電路采用ATmega2560控制板為核心控制器，與電機驅動電路、溫度控制電路相結合實現噴頭的運動及溫度控制?？刂齐娐返暮诵牟糠譃锳Tmega2560，其作用是解析從上位機端接收到的數據（G代碼），生成相應的控制信號，分別控制電機驅動模塊和SSR固態繼電器，進一步驅動XYZ軸步進電機及噴頭?？刂破髟O計如圖2-1所示：

圖2-2 控制器設計

2.2 關鍵模塊的設計與實現

金屬高能脈沖熔積快速成型系統關鍵模塊的設計與實現主要包括：核心控制模塊、USB通信模塊、XYZ軸運行控制模塊、電機驅動模塊、限位開關電路模塊。

2.2.1 核心控制模塊

本系統控制核心采用ATmega2560控制板，通過USB通信模塊與PC通信，接收數據并處理，通過控制步進電機帶動噴頭運動，根據三維模型快速成型工件。ATmega2560運算速度快、精度高，是一種簡單易用的開源形電子原型平臺。本研究采用ATmega2560控制步進電機驅動噴頭、走絲、紅外測溫動作，與PC機外圍設備相連，運行時與PC機上的軟件進行通信。

2.2.2 USB 通信模塊

成型機原型系統中計算機軟件模塊與ATmega2560控制板的交互，通過USB通信模塊來完成。USB通信模塊主要負責PC機端與ATmega2560端的信息傳輸，只需通過一根USB線就可實現接口轉換。使其在上位機中不需根據情況改變傳送數據類型，而直接傳送數據，該模塊通過轉換數據使得上位機和下位機能實現高效通信。由于電腦中并沒有串行UART接口，而ATmega2560控制板只能通過USB轉串口電路實現電腦與電腦之間的通信。接口轉換芯片采用FT232RL，可以實現USB到串行UART接口的轉換，也可轉換到同步、異步Bit-Bang接口模式。

2.2.3 XYZ 軸運行控制模塊

金屬高能脈沖熔積快速成型系統的主體框架由直線光軸搭建，光軸之間用框架腳連接，并將步進電機固定在各軸上。中心的熔積噴頭由ATmega2560控制，X、Y、Z控制系統有四個步進電機驅動，電機由ATmega2560控制。X、Y、Z軸互為直角，X、Y軸是由同步帶分別接一個步進電機來定位，Z軸則是由絲桿控制，通過兩個步進電機驅動，噴頭由一個單獨的步進電機控制。

2.2.4 XYZ 運動電機驅動模塊

ATmega2560通過4塊A4988電機驅動芯片來控制系統X、Y、Z軸的移動，使控制系統精度高，穩定性好，同時A4988較小的結構節省了安裝空間。A4988芯片是一種帶轉換器和過流保護的DMOS 微步驅動器，驅動芯片通過響應ATmega2560發送的數據來控制步進電機運動。

2.2.5 限位開關電路模塊

限位開關是一種電氣開關，用以限定機械設備的運動極限位置。為了避免噴頭部分運動而碰到系統周圍框架，造成支撐桿和傳動帶損壞。在噴頭運動邊界部分安裝限位開關，當噴頭運動到極限范圍時會觸碰到限位開關，從而使電路斷開，及時保護系統。

2.3 通信軟件部分

通信軟件是一套由C#編寫的上位機控制軟件，它與ATmega2560通過串口進行通信，并且將需要成型的三維圖像信息轉換成可以識的G代碼，并將其傳輸給ATmega2560。本部分通信軟件的開發環境為Microsoft Visual Studio2010，采用C#為開發語言，通信方式通過USB進行串口通信。通信軟件工作的方式首先對電路板進行測試。設置發送數據方式為手動控制，可以通過改變X、Y、Z軸的坐標參數來控制快速成型機的運動。其次進行實物打印，設置發送數據方式為自動發送，打開串口，控制軟件可以將模型編輯器生成的G碼通過串口自動發送給ATmega2560。單片機對G碼進行解析，從而控制X、Y、Z軸的電機運動。整個環節中，ATmega2560編程采用IDE編程軟件，其界面友好，編程簡單，而且是開放源代碼的軟件，它還免費提供了豐富的函數庫可以隨時調用。并且只需要一根USB線就可以將編寫好的程序方便的下載。C#編程采用Microsoft Visual Studio2010進行編程，它不僅具備操作簡單、使用方便、易于編程與下載的功能，還具有集成的開發環境、上位機控制和實時測試的功能。

2.4 CAD 成型軟件接口

系統首先使用CAD繪圖軟件畫出所要成型件的CAD模型，然后用G碼轉換器把CAD模型轉換成G碼。再使用G代碼傳輸軟件讀取G碼，并把G碼信息解碼后通過串口傳送給ATmega2560完成相應控制動作。下圖中的2-1為CAD模型設計，2-2為G代碼傳輸到上位機。

圖2-2 CAD 模塊設計

圖2-3 G代碼傳輸到上位機

左圖直接將需要成型的模型生成G代碼文件，然后G代碼文件經過右圖打印機控制軟件傳送給ATmega2560，ATmega2560控制板可以自動解析G代碼，從而控制電機運動，實現快速成型。

總結：對金屬高能脈沖熔積快速成型系統的核心控制部分進行了詳細研究與實現，完成了核心控制電路的設計以及通信模塊的設計。完成了ATmega2560核心控制器與C#通信軟件的編程。實現了CAD成型軟件接口通過ATmega2560的G碼解析執行，并將其發送到上位機軟件，控制器可以很好的控制步進電機和噴頭動作。

[1]王位. 三維快速成型打印技術成型材料及粘結劑研制[D].華南理工大學,2012.

[2]劉杰. 面向快速成型的設備控制、工藝優化及成型仿真研究[D].華南理工大學,2012.

[3]尹希猛,王運贛,黃樹槐. 快速成型技術——90年代新的造型工具[J]. 中國機械工程,1993,06:30-32.

[4]顏永年,張偉,盧清萍,王剛,刁慶軍,時曉明. 基于離散／堆積成型概念的RPM 原理和發展[J]. 中國機械工程,1994,04:64-66.