基于逐點比較插補法水泥構件3D打印系統的分析與設計

趙洪河

(山東華宇工學院 電氣工程學院 山東 德州 253034)

0 引言

常用的3D打印技術有熔融沉積快速成型、光固化成型、選擇性激光燒結、三維粉末粘接等[1]。3D打印設計方法是通過專門的3D掃描儀，掃描打印件實物，完成建模。或者通過CAD圖紙完成建模。建模完成后，將建模得到的數據分成逐層的截面，打印機通過這些截面信息，使用3D打印材料完成打印件的打印[2]。隨著3D打印技術的發展，現在3D打印廣泛應用于建筑、醫療、教育、航空航天、機加工、模具制造、工程施工等諸多方面。

建筑3D打印是3D打印在建筑方面的應用。根據打印工藝和材料的不同，常用的打印方法有基于材料擠出的打印方法與基于材料選擇性粘黏的打印方法。建筑3D打印起源于1997年美國學者Joseph Pegna水泥逐層疊加的建筑方法。2001年，Behrokh Khoshnevis提出輪廓工藝的3D打印建筑方式。這是一種用噴頭擠出水泥打印材料，材料層層疊加，最終形成打印物的建筑方式。2007年，Monolite公司推出了D-shape技術，這是一種噴頭噴出黏合劑選擇性粘黏建筑打印材料粉末的建造方式。2008年，Bichard Buswell推出了混凝土打印技術，這也是一項基于水泥等建筑材料擠出成型的3D打印建筑方法[3]。

1 硬件分析

分析設計了一種基于擠出技術的3D打印系統。與常見將打印實物轉化成CAD模型再生成STL類程序不同[4]，本系統的工作原理是直接通過CAD模型編寫程序，之后將程序存儲到西門子PLC中，通過PLC控制XYZ軸電機與進料電機，從而完成3D打印機的控制。而在電機方面，選用了伺服電機與伺服控制器，在出料控制中選用伺服電機控制螺旋桿完成出料。

在電機選擇方面，因為料斗與噴嘴同時運動質量巨大，需要大馬力且控制精準的電機。常見的有步進電機與伺服電機，但因噴嘴口徑大，噴嘴的運動速度不宜過快。步進電機工作在低速狀態下易出現失步現象，所以系統選取伺服電機為系統使用電機。

在控制器方面，選擇西門子S7-200PLC。S7-200PLC具有價格便宜、功能強大等諸多優點并且可以滿足系統的控制需求。對于西門子S7-300PLC來說，實現多軸插補只需要使用多軸定位模板FM357-2。而對于西門子S7-200PLC而言，可以通過編程來實現直線插補與圓弧插補。直線插補時，可以利用PLC內置的脈沖輸出指令，常用的方法有頻率分解法與時間分割法。頻率分解法是根據插補直線與坐標軸的角度，將原本頻率分解成X、Y兩軸的脈沖頻率，從而執行PLC的梯形脈沖輸出指令，實現直線插補。

2 軟件設計

基于擠出技術的建筑3D打印系統的工作原理是：通過打印物體的模型繪制CAD圖紙，根據CAD圖紙結合插補算法編寫PLC程序。每個打印件都有自己對應的程序，打印時，將打印件的程序下載到PLC中，通過控制XYZ三軸電機控制噴頭的運行路徑，通過控制噴頭電機，完成旋桿驅動擠出水泥，從而完成打印件的層層打印。

噴頭打印時，計算了中間點(起點與終點之間的點)，噴頭按規定速度依次通過所有中間點，并完成打印。而找出適合的中間點辦法叫做插補算法。

插補算法在數控系統中有著舉足輕重的地位，它決定著整個數控系統的總體價值，所以插補算法一直是國內外專家及各大廠商的研究重點。

插補算法多種多樣，按控制方法可以分成基于硬件控制的插補與應用軟件進行的插補。按照發出脈沖信號或發出二進制編碼又可以分為基準脈沖插補與數字增量插補。

基準脈沖插補每完成一次插補運算，都會向各個軸發出脈沖。常見的基準脈沖插補方法有逐點比較法、數字積分法等。

數字增量插補的特點是它產生的是二進制數。它的插補算法共兩步，第一步是進行粗差補，第二步是進行精插補，即在第一步粗插補的基礎上進行第二步的精插補。常見的數據采樣插補方法有直接函數法、擴展數字積分法、二階遞歸擴展數字積分圓弧插補法等。

本研究的主要編程原理就是基準脈沖插補中的逐點比較插補法，因為這種方法成型時間長，有著大量配套資源與相應案例。

3 設備生產過程與產品

設計分析了一種生產大型水泥構件的3D打印設備(如圖1)，該設備可以生產多種類型的水泥構件(如圖2)。

圖1 分析設計的3D水泥打印機Fig.1 3D cement printer based on analysis design

設備生產過程：第一步建模，第二步通過模型編寫所需程序，第三步將程序儲存到PLC中。當設備有打印任務時，直接用電腦控制PLC，完成打印工作。

4 結語

建筑3D打印是一種高效節能的新型建筑方式。分析與設計了一種生產大型水泥構件的基于PLC控制的3D打印系統設備，并使用。實際生產證明，該系統設備可以使用3D打印技術生產多種符合實際應用的大型水泥構件。