基于FDM的3D打印動力驅動研究

魯守方　王兆強　童怡

【摘 要】3D打印技術是快速成型技術的一種，根據成形材料及打印加工過程的不同又可分為不同類型的技術，疊層實體制造法（LOM）、熔融沉積制造法（FDM）、光敏液相固化法（SLA）和選擇性激光燒結法（SLS）等是目前3D打印技術應用最為廣泛和成熟技術類型[1]。本文在研究打印原理的基礎上基于FDM打印，通過具體實例主要就3D打印電機驅動及控制原理進行了闡述，為電機的開環和閉環控制提出方案，為3D打印技術的精度改進提供原理依據。

【關鍵詞】3D打印；FDM；步進電機

1 打印原理

3D打印技術是一種具有前瞻性的可以應用于多行業多領域快速成型技術。它是數控技術、計算機技術以及精密控制技術這三種技術的綜合運用。其最根本的原理就是根據需要構建計算機三維模型，然后，將三維模型進行分切，這種分切是沿特定方向的，最后，就是對分切模塊進行分層打印，形成打印實物。關鍵點是如何進行伺服控制，軌跡生成，需要進行專業編程完成，也可以采用現在的運動。

2 電機驅動控制原理

圖2提供了一種打印機驅動控制的方案，可以清晰的看到，控制器分別對液晶屏、通信接口、供電系統、處理電路、各個限位開關和驅動器進行控制。而對于每一個步進機都有一個與之對應的驅動器，通過控制器的控制，實現精確的運動。同樣熱床和及噴頭溫度控制也是由驅動器驅動的，通過溫度傳感器反饋給控制器，控制器再通過驅動器分別控制各部分電路，實現對溫度的控制。

3 電機開環與閉環控制

目前，市場流行的FDM設備的電機控制一般是開環的。通俗來講，開環與閉環的差別就是是否具有控制的反饋，正是由于電機控制缺少了反饋，開環的電機控制在成型的精度、打印的分層厚度、表面打印的精細程度等方面存在較大差距。因此對于精度要求較高的零件是無法滿足要求的。而伺服電機在運行精度打印質量上都有優勢，但是，制造的成本要相對高一些。

本文就開環與閉環控制各介紹一種電機，步進電機與伺服電機。

3.1 步進電機的原理

步進電機的轉動是通過電流流過定子繞組時，定子繞組產生的矢量磁場帶動轉子實現的。當定子的矢量磁場旋轉一個角度，轉子也隨著該磁場轉一個角度。由一個電子脈沖信號產生的轉子轉過的角度就是步距角。電機的正反轉可以通過改變繞組通電的順序實現。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。[4]

3.2 伺服電機的原理

與步進電機不同的是，伺服電機內部有其自帶的編碼器，編碼器將信號反饋給驅動器，驅動器通過比較對轉子轉過的角度進行調整，實現電機預想的運動。編碼器的精度決定了伺服電機的精度，脈沖對應旋轉的一個角度，這樣就形成了伺服驅動器和伺服電機編碼器的脈沖形成了呼應的閉環控制，而步進電機是無法實現的[4]。

3.3 步進電機與伺服電機的區別[5]

步進電機和伺服電機的差異主要有以下幾點：一是，控制精度不同。拍數決定了電機的精度，對于伺服電機來說，它有自帶的編碼器，其上刻度越多，精度越高。二是，兩種電機的控制方式不同。步進電機是開環控制，伺服電機是閉環控制。三是，在低頻工作時，性能不同。步進電機在低速時由于采用的是阻尼技術或細分技術，易出現振動現象，而伺服電機由于其內部具有頻率解析機能，低頻工作時會很平穩。四是，力矩輸出特性不同。步進電機隨轉速升高下降，而伺服電機力矩是不變的。五是，承載能力不同。步進電機機會不能過載運行，而伺服電機承載過載的能力較好。六是，工作性能不同。步進電機由于沒有反饋易出現丟步或堵轉現象而伺服電機的反饋可以很好的防止這一點，同時，步進電機達到工作轉速時所用的時間遠比伺服電機要長。

下面就介紹一種伺服電機的實例。

本文介紹的伺服電機主要有五大軟件模塊組成，本文主要就驅動模塊和反饋模塊進行介紹（圖3）。

驅動模塊主要是對運動部件的驅動，在打印機中主要是對送絲電機和各個軸驅動電機的驅動。該伺服電機的驅動模式是PWM模式，對于每一個事件管理器都產生8路調制信號，3對互補的PWM波形由其中的3個比較單元產生。使用2812的GPIOA0、GPIOA2、GPIOA4作為驅動芯片的PWM信號輸入引腳，由這事件管理器A的3個比較單元產生的3路互不影響的波形控制X、Y、Z軸電機，這就避免了各軸運動的相互干擾。使用GPIOB5引腳確保了使用事件管理器B的一個比較單元產生送絲電機需要的PWM信號。通用定時器1和通用定時器3分別是它們的時鐘基準。在定時器設置上，采用連續遞增的計數模式，選擇高速時鐘，系統時鐘設置為75M。為了產生占空比為50%的PWM信號，此電機設置比較單元值為定時器周期值的一半。通過I/O接口輸出到驅動芯片的運動代碼和反饋信息是由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的[2]。

溫度反饋，限位反饋和QEP電路組成了伺服電機里必不可少的模塊—反饋模塊。打印機反饋模塊的各反饋機制都是通過不同的途徑實現的。溫度反饋是將反饋信號轉換為實際溫度值后（下轉第201頁）（上接第199頁）與實際設定溫度值比較進行的反饋。大多數溫度反饋是通過溫度處理芯片傳入可以轉換為實際溫度值的DSP實現的。限位反饋是通過限位開關實現的，初始信號和異常處理信號就是通過限位開關反饋的I/O信號控制的。對于QEP電路反饋，在本文介紹的電機中由圖4中的電路可知，只加入了X軸和Y軸的反饋，對于Z軸來說，運動量小，故造成的誤差不大。GPIOA8、GPIOA9接入事件管理器A完成對X軸的反饋，GPIOB8、GPIOB9接入事件管理器B完成對Y軸的反饋。他們分別對應定時器2和4。

4 結語

本文簡要介紹了FDM控制系統的打印機的工作原理以及電機驅動控制的原理，主要就電機驅動開環閉環控制的區別，通過實例的講解進行了介紹，為提高3D打印的精度提供了理論依據。

【參考文獻】

[1]劉薇娜，郭遵站，楊立峰.3D打印機控制系統的開發[J].機械工程師，2014，12：116-118.

[2]王永強，袁茂強，王力，趙維剛.FDM打印機精確控制系統的設計與實現[J].制造業自動化，2015，16：1-4.

[3]張斌.3D打印驅動關鍵技術研究[D].北京印刷學院，2015.

[4]王志強.步進電機和交流伺服電機性能綜合比較[J].天津職業院校聯合學報，2006，05：14-17.

[5]王勇.步進電機和伺服電機的比較[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2010，12：311-312.

[責任編輯：王楠]