基于三菱PLC的打印噴頭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁俊華 戴逸程 符育豪 龍浚玉 邵冬艷

摘?要：噴頭控制是3D打印系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，噴頭的控制系統(tǒng)對(duì)打印產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用，其中噴頭溫度的控制、步進(jìn)電機(jī)速度的控制都大大影響著模型成型的好壞。針對(duì)3D打印噴頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于三菱PLC的3D打印噴頭的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用三菱AD轉(zhuǎn)換器將溫度轉(zhuǎn)換成模擬量實(shí)現(xiàn)溫度的控制，并且PLC采用晶體管漏型輸出，利用特定輸出端口發(fā)送高速脈沖控制出絲速度。經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫度和進(jìn)料速度的控制。

關(guān)鍵詞：3D打印;三菱PLC;溫度控制

Design?of?printing?head?control?system?based?on?Mitsubishi?PLC

Yuan?Junhua?Dai?Yicheng?Fu?Yuhao?Long?Junyu?Shao?Dongyan

Guangzhou?College?South?China?University?of?Technology?GuangdongGuangzhou?510800

Abstract：Nozzle?control?is?an?important?part?of?3D?printing?system.The?control?system?of?nozzle?plays?an?important?role?in?the?quality?of?printing?products.The?temperature?control?of?nozzle?and?the?speed?control?of?stepping?motor?greatly?affect?the?quality?of?model?forming.Aiming?at?the?design?and?application?of?3D?printing?head?system，the?control?system?of?3D?printing?head?based?on?Mitsubishi?PLC?is?designed.The?system?uses?Mitsubishi?AD?converter?to?convert?the?temperature?into?analog?to?realize?the?temperature?control，and?the?PLC?uses?transistor?leakage?output?to?send?high-speed?pulse?through?a?specific?output?port?to?control?the?wire?speed.The?temperature?and?feeding?speed?can?be?controlled?by?debugging?the?system.

Key?words：3D?printing;Mitsubishi?PLC;temperature?control

3D打印技術(shù)作為一種新興的增材制造技術(shù)，是制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)快速發(fā)展的技術(shù)，包含多種類型的過程控制系統(tǒng)。其中，在熔融沉積成型過程控制系統(tǒng)中，噴頭控制是極為重要的環(huán)節(jié)，包括噴頭溫度和送絲機(jī)構(gòu)等的測(cè)控。[1-3]本文以三菱PLC為控制中心，結(jié)合一般3D打印噴頭的功能要求，完成基于三菱PLC的3D打印噴頭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1?方案及硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對(duì)一般3D打印噴頭結(jié)構(gòu)的功能模塊，包括溫度采集模塊、加熱扇熱模塊、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)模塊。基于三菱PLC控制中心的控制功能，包括利用AD模擬量轉(zhuǎn)換模塊對(duì)熱敏電阻采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和比較;利用開關(guān)量的控制控制加熱棒風(fēng)扇的啟停工作，利用能發(fā)送高速脈沖的端口控制驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)模塊;實(shí)現(xiàn)3D打印噴頭溫度和送絲機(jī)構(gòu)的測(cè)控。具體硬件模塊有以下四個(gè)部分構(gòu)成。

1.1?PLC處理器模塊

三菱PLC處理器采用的是FX3U-16MT-ES-A，晶體管漏型輸出，響應(yīng)快速，性能穩(wěn)定，可靠性非常高，抗干擾能力強(qiáng)。供電220V，一共16個(gè)點(diǎn)，能夠輸出高速脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。正好滿足了控制3D打印噴頭的控制特點(diǎn)和控制點(diǎn)位。

1.2?溫度采集模塊

溫度采集模塊是由AD轉(zhuǎn)換模塊，三菱PLC的Fx2n-4AD的AD轉(zhuǎn)換器和線性電路，熱敏電阻NTC?100K?3950和220k，33k兩電阻并聯(lián)構(gòu)成的。由于PLCFxn-4AD電壓輸入0-10V的輸入特點(diǎn)和熱敏電阻NTC系列只在-35°-130°區(qū)間成線性規(guī)律變化而在3D打印的大部分材料中熔融溫度是在190-230°左右的范圍，所以為了調(diào)高控制精度而采取了多段式溫度段控制。其中溫度的控制數(shù)據(jù)則根據(jù)熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而變化的特性，并根據(jù)電路中熱敏電阻分得的電壓獲得。

1.3?加熱扇熱模塊

控制系統(tǒng)采用加熱棒24V，40W的加熱棒加熱，以加快3D打印系統(tǒng)在初始工作階段加熱材料溫度的時(shí)間。扇熱采用的是12V的強(qiáng)力風(fēng)扇，控制采用繼電器的停段控制，在加熱溫度超過后開啟扇熱。同時(shí)3D打印工作時(shí)間較長，長時(shí)間的高溫作業(yè)會(huì)印象到噴頭整體的溫度，以及影響步進(jìn)電機(jī)的使用壽命，所以該系統(tǒng)需要較高的扇熱性能需求。

1.4?驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)模塊

出絲料動(dòng)能器件采用的是42兩相的步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)角度1.8度，傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，低噪聲。傳動(dòng)部件采用U型環(huán)和步進(jìn)電機(jī)夾著材料，擠壓材料摩擦傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)模塊選用的是NL驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)，使用簡單性能可靠，驅(qū)動(dòng)電流最高可達(dá)到4A。

綜上各個(gè)模塊的功能將系統(tǒng)的PLC端口IO分配如下表所示。

2?軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試

根據(jù)硬件模塊的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了：采集數(shù)據(jù)程序、測(cè)溫分段電路程序、控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及控制速度的程序。程序如下所示：

2.1?采集數(shù)據(jù)程序

PLC和采集電路接通時(shí)，溫度數(shù)據(jù)開始采集，PLC通過FROM指令向AD轉(zhuǎn)換器讀取溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)采集電壓超過0-10V和采集數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，采集數(shù)據(jù)動(dòng)作停止。

LD?M8000

TO?K0?K0?H333?K1

FROM?K0?K29?K4M100?K1

ANI?M100

ANI?M110

FROM?K0?K8?D3?K1

2.2?測(cè)溫分段電路程序

當(dāng)采集的溫度D3在0-150度時(shí)候Y7開啟，熱敏電阻與220K電阻電路串聯(lián)電路接通，當(dāng)D3超過150度時(shí)通過CMP比較指令將Y7斷開，Y6開啟，熱敏電阻與3.3K電阻電路串聯(lián)電路接通。

LD?Y006

CMP?K44?D3?M10

CMP?D14?D3?M13

LD?M10

OR?Y007

AND?M1

ANI?M110

ANI?M16

OUT?Y007

LDI?Y007

OUT?Y006

2.3?控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和進(jìn)料速度程序

當(dāng)要求噴頭出絲時(shí)，X002停止，X001正轉(zhuǎn)信號(hào)開啟，電機(jī)按照頻率為D0的速度出絲。當(dāng)要求噴頭材料回料時(shí)，X001停止，X002反轉(zhuǎn)信號(hào)開啟，電機(jī)按照頻率為D0的速度回材料。

LD?X001

ANI?X002

PLSY?D0?K0?Y000

LD?X002

ANI?X001

OUT?Y004

PLSY?D0?K0?Y000

通過上述硬件搭建，并編寫PLC程序調(diào)試。控制系統(tǒng)為開始加熱到設(shè)定的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后，風(fēng)扇開啟扇熱，步進(jìn)電機(jī)允許開啟送料。如下圖為噴頭達(dá)到溫度后送出的絲狀材料。

噴頭出絲

3?小結(jié)

本文基于PLC和3D打印噴頭的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于PLC的3D打印噴頭控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料溫度的設(shè)定以及定溫的控制，對(duì)打印噴頭的出絲速度的控制，并且使噴頭能夠長時(shí)間的持續(xù)工作。本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于一般的3D打印工作場(chǎng)景的精度需求尚可滿足。目前，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較好，可實(shí)現(xiàn)最基本的3D打印作業(yè)。

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基金項(xiàng)目：華南理工大學(xué)廣州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（52-JY191401）