基于Arduino的選擇性激光燒結系統設計

郭艷玲 郭帥 李健 劉晨 劉泰淶

摘 ?要： 目前選擇性激光燒結設備均為工業級產品，不僅操作過程復雜，且設備成本高昂，因此設計一種基于Arduino的選擇性激光燒結系統。該系統以開源硬件Arduino DUE為控制單元，通過Arduino IDE進行程序編寫，下位機可實現讀取G代碼從而對激光、運動、溫度等進行控制實現。結果表明，采用近似于桌面級FDM設備的設計思路，在保證設備功能的前提下大幅度降低了燒結機的設備成本，而且其中的模塊化粉箱在縮小設備尺寸的同時也使裝卸粉箱工作更加便捷。

關鍵詞： Arduino; 選擇性激光燒結; 步進電機驅動; 定時器; 模塊化粉箱; 設備成本

中圖分類號： TN248?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2018）10?0055?03

Abstract： The current selective laser sintering equipment all belong to industrial grade products， which have not only complex operational process but also high cost. Therefore， a selective laser sintering system based on Arduino is designed. The system uses open source hardware Arduino DUE as the control unit and is programmed by using ArduinoIDE. The lower computer can read the G code to control and implement laser， motion and temperature. The results show that after adopting the design thought of near?to?desktop FDM device， the equipment cost of the sintering machine is largely reduced at the premise of guaranteeing the functions of the equipment， and the modular powder box in the equipment makes the loading and unloading work of powder box more convenient while reducing the size of the equipment.

Keywords： Arduino; selective laser sintering; stepper motor drive; timer; modular powder box; equipment cost

選擇性激光燒結快速成形（SLS）屬于快速成形制造技術，與其他快速成形方法比較，激光燒結成形法具有材料選擇范圍廣、適合多種用途、成形過程無需支撐等突出優點[1?2]。目前選擇性激光燒結設備均為工業級產品，不僅操作過程復雜，且高昂的設備成本也阻礙了該技術的推廣。本文采用Arduino DUE單片機作為選擇性激光燒結系統的控制單元，打破了目前廣泛使用工控機的局限，為低成本設備的開發提供新的思路。

1 ?系統總體方案設計

選擇性激光燒結系統由鋪粉機構、激光器、光學掃描系統、控制系統等部分組成[3]，如圖1所示。本文設計的選擇性激光燒結設備與工業級設備的區別在于控制系統部分采用Arduino DUE單片機作為中央處理器，控制程序基于桌面FDM 3D打印機最常用的Marlin固件進行深度定制，在保留基本的二維運動功能的同時增加了對鋪粉機構的控制和激光器及外圍輔助系統，使其可以滿足SLS的工藝需求。

2 ?機械結構設計

2.1 ?鋪粉裝置結構設計

鋪粉裝置主要由鋪粉輥、成型箱、供粉箱和驅動電機組成。鋪粉裝置在燒結過程中要滿足SLS對層厚精度和鋪粉質量的要求。目前工業級設備多數采用活塞式的成型箱和供粉箱。這種設計需要成型箱底部有足夠的空間來容納伸縮的絲杠。本文設計的SLS設備出于小型化及人性化的設計角度必須將工業級設備大而散的結構轉變為小而精。模塊化粉箱設計包含一個成型箱和分布其左右的兩個供粉箱，其特點是三個箱體通過滑軌可移動至機器外部從而極大地方便操作人員進行裝粉和清粉操作。模塊化粉箱還摒棄了活塞式的箱體，將驅動箱體底板的絲杠設計在箱體側壁，相比活塞式結構該設計可使粉箱整體尺寸在保持相同成型體積的條件下高度降低45%，模塊化粉箱結構如圖2所示。

2.2 ?光學掃描系統設計

本文設計的光學掃描系統基于光路飛行的方式實現激光光斑在二維平面上的快速掃描。與工業級激光燒結設備中廣泛使用振鏡掃描的方式相比，光路飛行方式成本低、維護方便且具有極佳的性價比，同時光路飛行的掃描幅面大且不存在掃描邊緣的光斑畸變，這使得其邊緣掃描精度優于振鏡掃描[4?6]。為了使設備可以燒結大部分非金屬材料例如：尼龍、樹脂、木塑等，本文設計的激光燒結設備光源選用功率為40 W的國產 CO2激光發生器。該激光器的優點在于價格低廉且激光驅動電源配置TTL電平開關，激光功率可由PWM信號調整大小，方便使用單片機控制。

3 ?控制系統硬件

3.1 ?Arduino DUE控制板

為了滿足選擇性激光燒結設備的控制需求，本文選用的控制單元為Arduino DUE單片機開發板。Arduino DUE是一塊基于Atmel SAM3X8E CPU的微控制器板，如圖3所示。它是第一塊基于32位ARM核心的Arduino，使用32位ARM核心的DUE相比于以往的使用8位AVR核心的其他型號Arduino更強大。它有54個數字I/O口（其中12個可用于PWM輸出）、12個模擬輸入口、4路UART硬件串口、84 MHz的時鐘頻率、一個USBOTG接口、兩路DAC（模/數轉換）、兩路TWI、一個電源插座、一個SPI接口、一個JTAG接口、一個復位按鍵和一個擦寫按鍵[7?9]。

3.2 ?粉床電機驅動電路設計

三個帶動粉床的42步進電機驅動選用A4988驅動器，這是一款完全的微步電動機驅動器，帶有內置轉換器，易于操作。該產品可在全、半、[14]、[18]及[116]步進模式時操作雙極步進電動機，輸出驅動性能可達35 V。該模塊只要在“step”端口中輸入一個脈沖，即可驅動電動機產生微步，無須進行相位順序表、高頻率控制或復雜的編程。A4988內的斬波控制可自動選擇電流衰減模式（慢或混合），在混合衰減模式下，該器件初始設置為在部分固定停機時間內快速衰減，然后在余下的停機時間慢速衰減。混合衰減電流控制方案能減少可聽到的電動機噪音、增加步進精確度并減少功耗，A4988電路圖4如圖所示。

4 ?軟件設計

4.1 ?主程序控制部分

選擇性激光燒結系統的主程序控制部分程序流程圖，如圖5所示，其主要實現的功能是獲取G指令、解析指令、處理指令、管理溫度和控制步進電機。將需要打印的STL模型在切片軟件中生成G代碼，下位機程序通過串口或SD卡讀取G代碼，再根據指令協調設備各部分操作來完成燒結作業。

4.2 ?運動控制部分

Arduino DUE中除RESET中斷和外部中斷外還有定時器中斷。控制程序中定時器1主要負責對步進電機進行控制，是燒結過程中運動控制部分的核心。在主程序中先設置好定時器1的初始定時時間，等待中斷后，在中斷執行block中的運動。首先從block緩沖池中取一個block，分析該block中的運動參數，設置運動方向，然后調控步進電機運動。定時器1的定時時間就是步進電機的運動速度，所以在控制步進電機的速度方面，可以通過時間計算來實現。每個中斷執行一個block中的1步或幾步，這個參數在系統初始化時進行相關設置，運動控制部分定時器1中斷流程圖，如圖6所示。

5 ?結 ?語

本文著重介紹了基于Arduino的選擇性激光燒結設備的設計方案，采用近似于桌面級FDM設備的設計思路，在保證設備功能的前提下大幅度降低了燒結機的設備成本。目前，本設備的燒結速度仍不能和工業級相媲美，但人性化的粉箱設計減少了設備的操作難度。本文研究的SLS設備具有較高的市場前景，未來將進一步改進設備結構及工作效率以適應市場化推廣。

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