一種笛卡爾坐標下的多功能3D 打印系統設計

杜 睿楊東獅宋順富

(中國船舶集團有限公司第八研究院,江蘇 揚州 225101)

0 引言

3D 打印是一種以數字模型為文件的快速成型技術,近年來3D 打印技術日漸成熟,因其具有節省材料、縮短生產周期等特點,故而被逐漸應用于產品制造、工程設計、生物醫學、科學驗證,甚至是航空航海、微波天線等各個方面。目前3D 打印機分為結構和三角洲結構,如圖1、圖2所示。在打印一點時,三角洲3D 打印機只需要3個反向疊加,而結構需要4個方向疊加。

圖1 三角洲結構3D 打印機打印一點工作示意圖

圖2 XYZ 結構3D 打印機打印一點工作示意圖

1 打印機機械結構設計

由于三角洲結構打印速度快、操作簡單、加工成本低,便于野外應用,本文選用三角洲結構進行打印系統設計。該結構3個垂直軸上的滑塊互相牽連制約,從而控制噴頭在三維空間內精確打印。同結構打印機相比,三角洲結構空間位置依賴于函數關系,轉換復雜。

如圖3所示,連桿長度值可通過勾股定理確定,為等邊三角形,根據三線合一性質,可確定點為的中心,在空間中===2/3,所以連桿長度即可確定。

圖3 三角洲打印機工作示意圖

噴頭在打印機內部工作,滑塊的空間位置變化依附于3個豎直軸,噴頭和所有滑塊通過長度相等的機械軸相接。坐標原點選為正三棱柱面邊中點,為軸,為軸,軸過點垂直于面建立笛卡爾坐標,假設噴頭口處位置坐標為(,,),、、各軸滑塊面的垂直距離組成坐標(L ,L ,L ),各軸長,===2 m,===。將噴頭位置坐標(,,)利用空間幾何關系轉成滑塊位置坐標(L ,L ,L )。

2 系統總體設計

本文設計打印機工作流程,如圖4所示。通過切片軟件對模型進行切片,轉換為G-code 代碼,在切片時要設置好打印參數,打印機通過USB口讀取上位機指令或通過SPI口讀取SD 卡數據,信息正確后,溫度控制電路啟動,噴頭、打印床開始預熱,當噴頭溫度大于設置溫度后,電機、擠出機復位初始化;收到主控制器的指令后,垂直方向電機同步轉動,將噴頭下降至剛與打印床接觸后,擠出機與軸3個電機同時開始工作。

圖4 打印機工作流程

為實現上述工作,如圖5 所示,控制系統采用220 V 交流電或12 V 蓄電池供電,以ATmega 2560加擴展板RAMPS1.4作為主控制電路,通過USB口與PC機連接進行數據通信;SPI接口讀取SD卡里的3D 打印模型、打印數據;通過溫度控制電路控制加熱床和擠出機噴頭中的加熱裝置加熱。溫度傳感器MLX90614經過模/數(A/D)轉換后將加熱床與擠出機噴頭的實時溫度傳送至主控制板2560,以便檢測和控制溫度;步進電機驅動電路通過傳送至步進電機的脈沖個數的不同來控制其角位移量,同時步進電機轉動的速度是通過不同脈沖頻率而產生。而步進電機的動作控制著螺旋軸的運動,3個方向的螺旋軸共同控制著噴頭的移動方向,從而通過主板控制步進電機的轉速及角位移量,即可達到對噴頭調速與準確定位的目的;行程軌跡電路通過復位開關控制起始點校準及各個方向的運動距離。

圖5 3D 打印機系統控制總圖

其中主控制器ATMega2560采用USB接口的核心電路板,它具有多達54路數字輸入輸出(其中用于PWM 輸出的為16 路),模擬輸入為16 路,UART 接口 為4 路,16 MHz晶體振蕩器、電源插座、USB 口、ICSP header和復位按鈕各一個。控制板如圖6所示。

圖6 ATMega2560控制板

參照G代碼標準定義的運動形式,在上位機中對Configuration.h 配置主板類型為 ATMega2560 配置打印機主板與上位機波特率為115 200 bps。

3 步進電機系統設計

軸和擠出機驅動芯片均采用A4988 步進電機驅動模塊,A4988 包括一個固定關斷時間電流穩壓器,該穩壓器可以在慢或混合衰減模式下工作。、、通 過42 系列步進電機帶動Allegro 帶轉換器轉動,從而帶動傳送帶運動,實現噴頭在三維空間中運動。步進電機驅動電路如圖7所示。

圖7 步進電機驅動電路

在ATMega2560中,7腳為電機步進STEP,8腳為電機方向DIR;本文擠出機所在的軸稱為軸,不同于文中打印機軸,文中打印機軸包含打印機垂直方向3個電動機,假設ATMega2560電路板的驅動細分為1/,步進電機步距角為,如圖8所示,假設雙線絲桿導程為:

圖8 電機絲桿示意圖

式中:為螺紋的線數;為螺距。

步進電機旋轉一周需要的脈沖信號為:

軸上升或者下降每毫米需要的脈沖信號為:

本文采用1/16驅動細分的ATMega2560電路板驅動步距角為1.8°的步進電機,步進電機旋轉一周就需要3 200個脈沖信號。步進電機以一個雙頭螺距2 mm 的絲桿為軸,這樣的絲桿導程為4 mm,因此每毫米軸上升或者下降,需要3 200÷4=800個脈沖信號。

當然在Configuration.h中,會給出4個軸的分辨率(分辨率:在真實世界中前進1 mm,所對應的步進電機步數)。

4 噴頭系統設計

該打印系統保留傳統3D 打印機噴頭,噴頭中安裝MLX90614紅外溫度傳感器如圖9所示,可打印PLA、ABS 以及相應特質復合材料,采用了MLX90614紅外溫度傳感器監測打印機表面的溫度。MLX90614作為紅外溫度模塊與被測物品不直接接觸,其內部主要由低噪聲放大器、A/D 轉換器、數字信號處理(DSP)單元組成,因此其溫度分辨率和測量精度較高;對打印機熱床的溫度進行精確測量,防止打印機熱床上溫度過高或者過低。相對于簡單控制模式(無控制參數,當加熱器溫度小于目標溫度就打開,反之就關閉),該打印機采用PID 溫度控制模式(算法)。而PID 模式(PID controller,比例-積分-微分控制器)是歷史悠久的溫控方式,相比于簡單控制模式,PID 模式溫度更加穩定。

圖9 3D 打印系統擠出裝置和噴頭

用MLX90614 采集溫度,開關控制調節電流,便于控制噴頭和溫床不同溫度;在Configuration.h中配置主噴頭設置為單噴頭,其余噴頭不選擇,故在配置溫度時,可配置也可忽略。具體配置參數如下:

5 應用實例

3D 打印在天線行業有許多應用,西安某研究所設計了一款復雜的喇叭發射天線,由于該天線喇叭口相互交錯分布,相鄰間距小,形狀獨特,傳統的鑄件加工難以完成,采用3D 打印工藝可縮短周期,降低單件成本,在實驗應用中效果良好。

文獻[20]是一種直接金屬激光燒結(DMLS)打印金屬制作的喇叭天線,該喇叭天線為X 波段,以10.0 GHz為中心頻率。如圖10所示,采用3D 打印使金屬片穿孔,包含了整個X 波段,減小了傳統工藝制作的體重,縮短了周期,為輕質波導組件和天線制作提供了新途徑。

圖10 穿孔喇叭的幾何形狀

本文使用3D 建模軟件Solid Works對某電磁定位系統0.38～2 GHz頻段建模,如圖11 所示。左圖為某偵察系統0.38～2 GHz波段天線建模圖;右圖為利用該打印系統對相應建模圖的打印仿真圖。該電磁定位系統由腔體、FR-4板材螺旋面、支柱和天線蓋構成。應用本文所設計的3D 打印系統對其進行仿真切片,其中噴頭半徑、填充密度及打印機相關打印參數如表1所示。利用該3D 打印系統模擬打印,研究打印時間與質量。該打印系統對某電磁定位系統0.38～2 GHz頻段的理論打印質量為2.725 kg,傳統模具鑄造質量=5 kg,約為傳統工藝質量的一半。打印時間約為16 h,節省了時間,提高了打印效率。

圖11 某波段天線罩模擬建模與打印圖

表1 某電磁定位系統打印參數

6 結束語

本文討論了笛卡爾坐標下三角洲打印機運動方程與噴頭空間坐標,在該坐標系下,針對戰場上迅速隱藏、保護自身、欺騙敵方的需求,設計了一款多功能3D 打印系統。該系統以ATmega 2560 作為核心處理器,用A4988驅動步進電機和擠出機,采用模糊PID 控制算法,更加穩定精確地控制溫度;采用吸盤模塊與軸連接,并用該系統對某電磁定位系統0.38～2 GHz頻段建模及仿真打印。與傳統工藝相比,該系統縮短了生產周期,節省了原材料,仿真質量約為傳統工藝鑄件質量的一半,同時也為軍用偽裝、外場快速修補提出一種新思路。