FDM打印機精確控制系統的設計與實現

王永強，袁茂強，王 力，趙維剛

（上海航天設備制造總廠，上海 200245）

0 引言

熔絲沉積成形（Fused Deposition Modeling簡稱FDM）是快速成形（Rapid prototyping，RP）技術中的一種。與其他RP系統相比，FDM系統構造和操作簡單，維護成本低，運行安全，所使用的ABS等成形材料無毒無味；同時它原材料利用率高、體積小、噪音低，是辦公室環境的理想桌面制造系統[1]。

熔絲沉積成形技術是將絲狀的熱熔性材料加熱熔化，通過一個帶有微細噴嘴的擠出頭擠噴出來[2]。擠出頭與熱床的X軸和Y軸作相對運動，如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而剛成形部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面粘接在一起。一個層面沉積完成后，工作臺與擠出頭的距離按照預定的增量增加一個層的厚度，再繼續熔噴沉積，直至完成整個實體造型[3]。

目前市場流行的FDM設備的電機控制一般是開環的。文獻[4]設計了一種基于三軸步進電機控制卡的FDM步進電機開環控制系統，文獻[5]介紹了一種基于ARM的FDM控制系統設計，他們都直接或間接的通過控制步進電機的運動實現了對FDM開環控制系統的設計。但是，由于分層厚度較大、成形精度較低，成形件表面有明顯的條紋，對表面質量要求高的零件，無法滿足加工要求。而現有技術雖然在電機控制精度方面有了很大提高，但通過開環的FDM設備電機控制提高成形精度會大大增加了控制算法的復雜性與開發成本。因此，實現對FDM電機的精確控制并降低實現成本對FDM的普及具有重要的意義。

1 原型機控制系統設計及誤差分析

在控制系統作用下噴頭進行作兩軸半運動，包括X-Y聯動以及Z向運動，選取特殊材料可以在噴頭中被加熱接近流體狀；處于熔融狀態下的材料在噴頭掃描過程中被噴出，并急速冷卻形成一層加工面，層與層直接不斷的疊加連接在一起制作成一個空間實體[6]。

根據FDM打印機的工作原理，原控制系統可分為主控模塊、電機驅動模塊、溫控模塊、通信模塊和電源模塊。原FDM控制系統總體原理框圖如圖1所示。

圖1 原FDM控制系統總體原理框圖

主控模塊是FDM控制系統的管理中樞。主控模塊以數字信號處理芯片TMS320X2812為主控芯片，它主要包括電源電路、電平轉換電路、時鐘及復位電路、JTAG接口電路、存儲器擴展電路等。

電機控制模塊采用電機驅動芯片A4982，通過其PWM脈寬調制技術實現對3個步進電機的控制。溫控模塊主要包括對擠出頭、熱床和風扇的控制，本模塊采用MAX6675作為溫度感應電路的處理芯片，通過MAX6675對K型熱電偶進行采集，從而形成溫度的閉環控制。通信模塊包括實時調試的TIDSP-XDS510仿真器，與上位機進行通信的串口等。由于整個系統功率較大，考慮到大電流對控制芯片的影響，所以設計了多級電壓轉換模塊，對電源系統進行了分級設計。

在原型機設計完成后進行了聯調實驗，在打印實驗過程中便出現了成形精度低、系統效率低等問題。圖2為原設計打印機的打印效果圖，在控制軟件中，只設計了打印“口”字的程序，打印尺寸為X軸70mm，Y軸50mm。從圖中可以看到，X、Y軸均出現了較大偏差。隨著打印層數的增加，累積誤差便越來越大。左圖為原程序打印效果，右圖為進行補償后的打印效果。從圖中可以看出，補償后依然有誤差。

圖2 原型機打印效果圖

影響成形精度的因素有很多。分析原型機和其成形過程可知，FDM打印機成形是一個包含CAD/CAM、數控、材料、工藝參數設置及后處理的集成制造過程，每一環節都可能引起誤差?？偨YFDM打印機成形過程中影響成形精度的主要因素有以下三方面：

1）原理性誤差：包括文件擬合誤差、切片誤差、成形系統誤差。

2）成形誤差源：包括噴頭誤差、材料收縮誤差、工藝參數誤差。

3）后處理誤差：本文從FDM打印機設計角度考慮，主要分析了打印機設計過程中的成形系統誤差。因此，重點考慮了原型機的機械結構和控制系統誤差。為減少機械結構誤差對控制系統成形誤差的影響，設計中選擇了已有的成形系統的機械結構件，改進設計了控制系統，提高了成形精度與打印效率。

2 閉環電機控制模塊設計

在原FDM設備的電機控制系統中，采用DSP加驅動模塊的方式實現了對步進電機的開環控制[6]。雖然步進電機沒有累計誤差，角位移與接收到的脈沖數成正比，可以使用開環控制，但步進電機容易產生失步現象，尤其在速率變化頻繁時，這種現象尤為明顯[7]。這使得電機加減速、轉向控制時算法相當復雜，給軟件設計帶來了很大困難。同時由于傳動誤差的存在，無法滿足高精度零件的加工要求。

為了提高FDM裝備打印精度，簡化算法、軟件設計的復雜性，在本系統中采用了運動電機閉環控制的方法，根據優化的工藝參數設計了控制軟件系統，從而提高了成形精度。圖3為改進后的FDM電機閉環控制系統原理框圖。

圖3 FDM閉環電機控制系統原理框圖

主控模塊、電機驅動模塊、溫控模塊、通信模塊和電源模塊與原系統類似。電機控制模塊采用電機驅動芯片A4982，通過DSP發出的控制和PWM脈寬調制信號實現了對步進電機的控制，通過光柵及其解碼器實現對步進電機的閉環控制，閉環回路反饋給控制器精確的轉速、位置以及轉動方向。從而實現了對電機位置的精確控制。圖4為該系統的控制原理圖。

圖4 FDM打印機控制原理圖

2.1 閉環電機控制模塊硬件設計

FDM電機控制系統是一種特殊的專用控制系統，它區別于一般的數控系統，采用直寫技術（如基于離散/堆積思想的分層制造技術）來加工零件的；它的控制對象是噴頭和工作臺，噴頭進行XY軸運動，工作臺進行Z軸運動；它的控制量是送絲速度、填充速度、路徑寬度和層高等。

為減少機械系統誤差對控制系統設計的影響，本系統采用原打印機所用的42型步進電機，其額定電壓為24V，額定電流為1.5A，步距角1.8°。步進電機驅動器模塊采用Allegro公司的A4982芯片進行硬件模塊設計。A4982可在全、半、1/4及1/16步進模式下操作雙極步進電動機，輸出驅動性能可達35V±2A。同時A4982帶有內置轉換器，易于操作。只要在“步進”輸入中輸入一個脈沖，即可驅動電動機產生微步。設計中采用DSP事件管理器EVA的比較單元產生三路獨立的PWM脈沖輸出，A4982接收三路PWM脈沖便可產生驅動3個步進電機運動的信號，從而實現了對電機的運動控制。圖5為電機驅動原理圖與實物圖。

圖5 電機驅動原理圖與實物圖

在設計中為了使步進電機的啟動與停止、變速度控制趨于平緩，采用數字滑動變阻模塊MCP4018控制A4982集成電路模塊的參考電壓。MCP4018通過IIC總線輸入目標值控制可變電阻輸出可變電壓供給A4982的參考電壓引腳，因此本設計中采用通用I/O口引腳實現該功能。同時由于MCP4018為RAM存儲器，因此每次上電時需要重新初始化輸入A4982需要的參考電壓。

在運動電機反饋模塊設計上，采用180DPI型號的光柵，光柵解碼器為捷達750型。為了增加光柵解碼器的穩定性與可靠性，設計了解碼器與運動機構連接的接插件，很好地解決了解碼器相對運動帶來的干擾。光柵解碼器騎行在固定到打印機身的光柵上。圖6為光柵、解碼器及接插件實物圖。

光柵解碼器在隨各軸運動過程中，便可獲取包含運動信息的正交脈沖信號。正交脈沖信號包含兩路相差90°的脈沖信號，通過判斷兩路信號的前后順序便可確定電機運動方向。通過對脈沖信號的計數可獲取電機的位置信息，通過核心芯片的計時功能和簡單的算法即可實現對電機加減速的反饋。

圖6 反饋回路實物圖

由于反饋回路較長，反饋信號衰減、干擾嚴重，因此在獲取正交脈沖信號后，設計了如圖7所示的隔離、濾波電路。這樣既增強了反饋信號，也保護了主板電路。

圖7 隔離、濾波電路

由于Z軸電機運動方式較固定，它對成形精度影響不大，因此沒有加入Z軸反饋。X、Y軸經過處理后的反饋信號輸入到DSP的兩個QEP電路，QEP電路可以對固定在電機上的光柵解碼器產生的正交編碼脈沖A、B路信號進行解碼和計數，從而獲得電機的位置和速率等信息。

2.2 閉環電機控制模塊軟件設計

本控制系統的軟件采用模塊化設計思想，包含的模塊有系統模塊、溫控模塊、驅動模塊、反饋模塊和通訊模塊。五大模塊相互作用，協調工作，共同完成打印機的協調運動，如圖8所示。本設計是在原設計基礎上，加入了反饋模塊并完善了驅動模塊。因此，本文主要介紹這兩部分的設計。

圖8 軟件部分結構

2.2.1 驅動模塊軟件設計

驅動模塊包括X、Y、Z軸運動電機和送絲電機的驅動。本設計使用PWM模式實現對電機的驅動，DSP2812的每個事件管理器都可以同時產生8路脈寬調制（PWM）信號，其中3個比較單元產生3對互補的PWM波形。為了避免各軸運動產生干擾，這里使用事件管理器A的3個比較單元產生的3路互不影響的PWM波形控制X、Y、Z軸電機，即使用2812的GPIOA0、GPIOA2、GPIOA4作為驅動芯片的PWM信號輸入引腳。使用事件管理器B的一個比較單元產生送絲電機需要的PWM信號，即使用GPIOB5引腳。它們分別使用通用定時器1和通用定時器3作為時鐘基準。設計中定時器采用連續遞增的計數模式，設置系統時鐘為75M，選擇高速時鐘。設置比較單元值為定時器周期值的一半，即產生占空比為50%的PWM信號。驅動芯片需要的方向、啟停信號通過對運動代碼和反饋信息共同決定，然后通用I/O接口輸出到驅動芯片。

2.2.2 反饋模塊軟件設計

反饋模塊軟件包括溫度反饋，限位處理和QEP電路。溫度反饋信號是通過溫度處理芯片MAX6675處理后送入DSP，然后對接收到的數據進行移位、轉換得到實際的溫度值，再與設定的擠出溫度進行比較決定是否加熱。這里設定的擠出溫度為220℃～225℃。限位信號為三個軸的限位開關反饋的I/O信號，為擠出頭初始定位信號與異常處理信號。

QEP電路為正交編碼脈沖（QEP）信號處理電路，光柵解碼器反饋的信號即為正交編碼脈沖，通過QEP電路的處理形成控制驅動芯片的信號。DSP2812的每個事件管理器都有一個QEP電路，最多可同時處理兩路QEP信號。由于Z軸運動較少且比較規律，所以其對成形誤差影響不大，因此設計中只加入了X、Y軸反饋。X軸反饋信號通過GPIOA8、GPIOA9接入事件管理器A，Y軸反饋信號通過GPIOB8、GPIOB9接入事件管理器B。它們作為基準時鐘分別輸入通用定時器2和4，通過禁用捕獲功能來使能QEP，檢測方式設置為上升沿檢測。通過實驗測得，打印機運動的極限位移計數值不超過9000，遠小于定時器的最大計數值，定時器設定為定向增計數模式，因此程序中只考慮計數值有沒有超過計數極限值，若超過了則將原計數個數保存，加上新的計數值即為電機位移值，若沒有則總的計數個數代表電機的位移值。通過邏輯轉換則可得到電機相對位移量，再與設定值比較得到控制信號。

3 實驗驗證

在搭建好的原型機平臺基礎上，完成了軟硬件的改進設計，然后進行了調試實驗。通過工藝實驗研究發現，當送絲速度設為100mm/min，掃描速度設為20mm/s、層厚的最佳取值為0.1mm、噴嘴與底板之間的距離設置為0.15mm左右時，這樣能獲得最佳的打印效果，如圖9所示。通過改進設計增加了電機控制精度，實現了電機的精確控制。

圖9 改進后系統打印效果圖

4 結論

本文介紹了FDM控制系統中步進電機的精確控制方法設計與實現。通過對硬件系統、軟件編程和相關的打印參數的改進設計，完成了步進電機的閉環控制，實現了對步進電機的精確控制。實驗結果表明，采用本文提出的控制系統，能提高打印精度、簡化控制算法，這對FDM的普及具有重要的意義。

[1]Bellini Anna.New developments in fused deposition modeling of ceramics[J].Rapid Prototyping Journal.2005,11(4):214-220.

[2]Iagar A, Sora I, Radu D, et al.Technological practicability of the numerical modeling of induction heating process in steel pieces[J].REVISTA DE METALURGIA,v45,n1,February,2009:20-25.

[3]陳明,王從軍,張李超.熔絲沉積快速成形的控制及軟件系統的研究[J].計算機工程與應用,2004,40(29):1-2.

[4]朱利松,葉春生,黃樹槐.FDM快速成形系統的控制系統研究[J].機床與液壓,2005,11(1):28-29.

[5]張軍偉,葉春生,莫建華,張鴻平.基于ARM的FDM控制系統[J].儀表技術與傳感器,2011,1(1):28-29.

[6]張軍偉.基于ARM的溶絲沉積成形機控制系統[D].武漢:華中科技大學,2011:1-2.

[7]張怡,劉成剛,邢登鵬.小型仿人機器人電機控制系統的設計與實現[J].計算機工程,2009,35(24):247-248.

[8]張勁松,許殿國.步進電機開環控制系統的微機實現[A].第九屆全國電氣自動化、電控系統學術年會論文集[C].1998,10.