基于ATmega2560的金屬FDM打印設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 斌，龍健寧，吳晟霖，袁道明，張 濤

(1.華南理工大學(xué)聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心，廣東 廣州 510640;2.珠海天威飛馬打印耗材有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

作為3D打印技術(shù)的典型代表，F(xiàn)DM技術(shù)憑借著打印操作方便、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越廣泛[1]。相比于激光型的金屬3D打印技術(shù)，金屬FDM 3D打印技術(shù)更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)金屬FDM打印設(shè)備的控制要求，提出一種以ATmega2560為主控制器，采用模塊化設(shè)計(jì)方法的金屬FDM打印設(shè)備硬件控制系統(tǒng)方案。ATmega2560片外資源豐富，可擴(kuò)展性高，控制性能強(qiáng)[2]。

1 控制系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)方案

FDM打印設(shè)備的整個(gè)硬件控制系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 硬件控制系統(tǒng)框架

a.主控制模塊。采用ATmega2560微控制器作為控制系統(tǒng)的下位機(jī)。

b.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。采用5個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功能。X軸、Y軸各選用1個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)擠出噴嘴的精確定位；Z軸選用2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)打印平臺(tái)的上下移動(dòng)；此外，送絲機(jī)構(gòu)采用1個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)熔融絲料的擠出。

c.溫度控制模塊。主要對(duì)打印平臺(tái)與擠出噴嘴進(jìn)行加熱，并進(jìn)行溫度的采集反饋。打印平臺(tái)溫度保證絲料能順利粘附，而擠出噴嘴的溫度要保證能熔融打印絲料，溫度的實(shí)時(shí)反饋則確保工作環(huán)境處于一個(gè)恒溫狀態(tài)。

d.串口通信模塊。主要用于上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，接收打印數(shù)據(jù)、控制命令，監(jiān)控打印過(guò)程并適時(shí)根據(jù)反饋結(jié)果調(diào)整打印參數(shù)。

e.數(shù)據(jù)通信模塊。主要包括顯示屏和SD卡數(shù)據(jù)讀取。顯示屏顯示打印設(shè)備的打印狀態(tài)，包括打印速度、打印溫度、打印完成度等；SD卡負(fù)責(zé)讀取打印三維模型的G代碼。

溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴嘴和打印平臺(tái)的溫度，并將信息反饋給主控制器，主控制器繼而控制調(diào)節(jié)加熱器，形成一個(gè)溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 最小系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)位電路

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)往往要重新開(kāi)始，清空上一次的運(yùn)行數(shù)據(jù)，或當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)死機(jī)情況時(shí)都需要進(jìn)行復(fù)位，重新開(kāi)始工作[3]。常見(jiàn)的復(fù)位電路包括上電復(fù)位電路和外部復(fù)位電路，通過(guò)復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)(高電平有效)經(jīng)RST引腳送入到微控制器的內(nèi)部，完成復(fù)位功能。本次電路設(shè)計(jì)是通過(guò)外部按鍵把主控制器的RESET引腳設(shè)置為低平來(lái)復(fù)位。復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 復(fù)位電路

2.2 時(shí)鐘電路

主控制器內(nèi)部是由諸如觸發(fā)器等構(gòu)成的時(shí)序電路組成的，只有通過(guò)時(shí)鐘才能使主控制器一步步地工作。具體工作時(shí)，主控制器外部接上振蕩器(也可以是內(nèi)部振蕩器)提供高頻脈沖經(jīng)過(guò)分頻處理后，成為主控制器內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，作為片內(nèi)各部件協(xié)調(diào)工作的控制信號(hào)。如果沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)，觸發(fā)器的狀態(tài)就不能改變，主控制器內(nèi)部的所有電路在完成一個(gè)任務(wù)后將最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)而不能再繼續(xù)進(jìn)行其他任何工作了。因此，主控制器可以看成是在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下的時(shí)序邏輯電路[4]。時(shí)鐘電路如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘電路

2.3 電源電路

本控制系統(tǒng)主要需要12 V直流以及5 V直流2種等級(jí)的供電電壓，其中12 V為電源電壓，5 V主要為主控制器、溫度控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、串口通信電路以及數(shù)據(jù)通信電路等供電。本文采用DC-DC降壓方式，利用L5970AD降壓芯片，將12 V的電源電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)工作模塊所需的5 V電壓。這種降壓方式電流大，轉(zhuǎn)換效率高，工作效率能達(dá)到90%以上。電源電路如圖5所示。

圖5 電源電路

3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在3D打印過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備中的X軸、Y軸、Z軸及送絲機(jī)構(gòu)由于主控制器發(fā)出的脈沖較小，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此需采用一個(gè)中間媒介——電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)放大脈沖[5]。本文采用A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其步進(jìn)設(shè)置模式如表1所示。

表1 A4988步進(jìn)設(shè)置模式

圖6 X軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

STEP，DIR和ENABLE分別連接主控制器控制端口來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。STEP端口控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性，當(dāng)輸入微步信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。DIR端口控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)：當(dāng)輸入高平電壓時(shí)，DIR端口控制步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入低平電壓時(shí)，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)轉(zhuǎn)。ENABLE端口控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)：該端口輸入高平電壓時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)輸入低平電壓時(shí)，電機(jī)正常運(yùn)行。MS1，MS2和MS3端口控制步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分步進(jìn)量，該模塊設(shè)置成1/16步進(jìn)值。X軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

4 溫度控制電路設(shè)計(jì)

該模塊主要負(fù)責(zé)加熱以及溫度采集。加熱保證打印過(guò)程熔融絲料的順利擠出以及打印制品能夠順利粘附，而溫度采集則實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的反饋，從而進(jìn)行恒溫調(diào)節(jié)。該模塊的溫度控制是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，能對(duì)溫度進(jìn)行精確控制。

加熱主要包括打印平臺(tái)加熱與擠出噴嘴加熱。打印平臺(tái)的加熱采用PCB加熱的方式，該方式主要是依靠電阻熱效應(yīng)來(lái)加熱，相比較于其他的加熱方式，PCB加熱效果優(yōu)良。打印平臺(tái)加熱電路如圖7所示。擠出噴嘴采用鋁棒加熱的方式，其加熱電路如圖8所示。

溫度采集部分，采用K型熱電偶溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測(cè)與反饋。由熱電偶的測(cè)溫原理可知，熱電偶檢測(cè)反饋的溫度數(shù)據(jù)需經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換才能傳遞給主控制器，為此需選用一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器[6]。

本文選用MAX6675轉(zhuǎn)換器，它能夠處理信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化處理及數(shù)字轉(zhuǎn)換等問(wèn)題，同時(shí)，它的數(shù)據(jù)輸出是12位的、SPI兼容的格式。由此可以看出，該溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片無(wú)需過(guò)多復(fù)雜的外圍電路，I/0接口電路簡(jiǎn)單，大大簡(jiǎn)化了溫度控制電路的設(shè)計(jì)。

圖7 打印平臺(tái)加熱電路

圖8 噴嘴加熱電路

MAX6675轉(zhuǎn)換芯片與主控器的接口硬件電路如圖9所示，其中，T+接熱電偶的測(cè)量端，T-接冷端；SCK為串行時(shí)鐘電路輸入接口，為設(shè)備提供采樣時(shí)鐘；SO為SPI串行輸出端口，主控制器與SO連接接受轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；CS為片選信號(hào)，主要作用是使主控制器選中通信設(shè)備。

圖9 溫度控制電路

5 串口通信電路設(shè)計(jì)

串口通信是主控制器與PC機(jī)交互的重要部分，完成主控制器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換功能。

ATmega2560內(nèi)含UART接口，是異步通信方式，而且能夠全雙工接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其硬件具有TXD發(fā)送端和RXD接收端2個(gè)引腳。計(jì)算機(jī)普遍采用USB串行通信接口，而UART采用TTL邏輯標(biāo)準(zhǔn)，故需要電平轉(zhuǎn)換才能完成數(shù)據(jù)傳遞。本文采用FT232RL電平轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換方式為：主控制器串口—FT232RL轉(zhuǎn)換芯片—USB接口。串口通信電路如圖10所示。USBDP接入D+，USBDM接入D-，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。主控制器TXD和RXD分別接入FT232RL芯片的RXD和TXD，從而完成從PC端到主控制器的數(shù)據(jù)傳遞。

圖10 串口通信電路

6 溫度控制策略研究

溫度控制是FDM型3D打印設(shè)備控制系統(tǒng)的重要一部分，對(duì)打印質(zhì)量與效率起著至關(guān)重要的作用[7]。本文采用了模糊PID算法，利用模糊規(guī)則對(duì)傳統(tǒng)PID控制中的系數(shù)KP，KI和KD進(jìn)行調(diào)節(jié)。相比于傳統(tǒng)PID控制，模糊PID控制更具自適應(yīng)性與合理性[8]。應(yīng)用MATLAB里的Simulink模塊建立了溫度的模糊PID控制仿真系統(tǒng)，如圖11所示。

得到的溫度響應(yīng)曲線如圖12所示。由仿真結(jié)果可知，在基于自適應(yīng)模糊PID控制的溫度控制系統(tǒng)中，噴嘴加熱到205 ℃需要60 s左右，超調(diào)量約2.3%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值需要130 s左右。該溫度控制系統(tǒng)的響應(yīng)迅速，魯棒性較強(qiáng)，能夠滿足金屬FDM打印設(shè)備的溫度控制要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)金屬FDM 3D打印設(shè)備的控制要求，以ATmega2560為主控制器設(shè)計(jì)了一整套硬件電路控制方案，主要包括ATmega2560最小系統(tǒng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、溫度控制電路和串口通信電路的設(shè)計(jì)。此外，還針對(duì)溫度控制，采用模糊PID算法進(jìn)行了溫度控制策略的研究，使得溫度控制更加合理。通過(guò)在金屬FDM打印設(shè)備上的測(cè)試，該控制系統(tǒng)方案的實(shí)際運(yùn)行效果良好，能夠?qū)饘貴DM的整個(gè)工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效的控制。

圖11 溫度的模糊PID控制仿真系統(tǒng)

圖12 溫度響應(yīng)曲線