基于ARM的桌面型3D打印機控制系統的設計與優化

王蘇洲,舒志兵,李 俊

(南京工業大學電氣工程與控制科學學院,南京 211816)

基于ARM的桌面型3D打印機控制系統的設計與優化

王蘇洲,舒志兵*,李 俊

(南京工業大學電氣工程與控制科學學院,南京 211816)

在分析傳統3D打印機結構組成和工作原理的基礎上,選用ARM Cortex-M3內核 LPC1768為微控制器。采用熔融沉積造型技術(FDM),針對傳統采用單路固定數據傳輸導致打印速度過慢的問題,采用打印效率和打印速度對偶分析方法,融入頻分多路復用方法實現桌面型3D打印機的多目標集優化控制,并對速度量化指標進行評估,根據不同頻率傳送各路打印請求信息,實現打印速度提升。通過仿真并搭建測試平臺,最后對設計的3D打印機進行性能測試,驗證該桌面型3D打印機控制系統設計的可行性與有效性。

3D打印機;頻分多路復用;提高速度;優化控制系統

3D打印技術作為新型制造技術的典型代表,如今得到了快速發展,逐步成為引領未來制造行業的重要技術[1]。進行3D打印不需要機械加工或模具,可以直接用計算機繪圖軟件生成任意形狀的物體,借助三維制圖軟件進行計算機建模,并通過用塑料、粉末化、特殊蠟質材料逐層“打印”出實物。當前桌面型3D打印機大都采用單路的固定數據傳輸,這樣的傳輸方式嚴重影響了打印速度。3D打印機的打印速度是打印機工作效率的重要體現,通過提高3D打印和三維建模的可以提高生產效率,所以對提升桌面型3D打印機速度算法的研究具有重要意義[2]。

本文選用NXP公司的ARM Cortex-M3內核 LPC1768為微控制器,采用基于頻分多路復用(FDM)的3D打印機速度控制方法,詳細介紹了3D打印機的硬、軟件設計,提出了一款高速度、高精度FDM型桌面3D打印機的設計方案。針對傳統3D打印機采用單路固定數據傳輸導致打印速度過慢的問題,本系統對基于ARM的桌面型3D打印機速度進就行了優化[2]。

1 3D打印原理及機械結構設計

1.1 3D打印機的工作原理

3D打印利用計算機繪制三維模型,并生成STL文件,憑借打印材料熔點低、成型快的特點,通過噴頭加熱以及擠出機的擠壓,將打印材料以細絲狀形式擠出,按照三維模型“分區”成逐層的截面,即切片,然后進行逐層打印,其數據處理流程如圖1所示。

圖1 3D打印機數據處理流程

3D打印機控制系統由上位機及3D打印機兩個部分組成,上位機負責完成物體建模以及對模型的三維切片,生成打印機可以識別的Gcode文件,3D打印機按照指令使噴頭按照預先設定的路徑逐層完成3D打印任務[4]。要想順利完成3D打印任務,需要確保模型的大小在打印機最大打印范圍內,如果超出了打印范圍則需修改模型的尺寸。

在打印前,利用切片軟件對3D模型進行切片,切片的目的是將模型分割成逐層的截面,切片軟件將切片后模型的尺寸大小、形狀等轉換成打印機能夠是別的指令,最終把計算機上的模型變為實物。

1.2 機械結構設計

本文設計的桌面型3D打印機屬于一種常見的封閉式打印機的機種,完成3D打印的執行機構是3D打印機的機械結構本體,它主要由熱床、步進電機、擠出機、零位傳感器等部件組成[5]。其機械結構如圖2所示。

圖2 3D打印機機械結構示意圖

2 3D打印機控制系統硬件設計

選用NXP公司生產的ARM Cortex-M3內核 LPC1768作為微控制器,控制系統主要控制步進電機、擠出機加熱電阻和加熱床的溫度、擠出機工作零點與行程;與上位機通信采用USB?？刂葡到y框圖如圖3所示。通過電源電路向控制系統供電;獲取 SD 卡里的打印數據主要由LPC1768 微控制器的片內 SPI 接口主負責,通過片內 USB 接口與上位 PC 機完成可靠、快速的通信,確保打印數據及時無誤的傳送,同時上位PC機還可以通過 USB 接口對系統發送指令。兩路輸出的信號分別控制加熱床加熱電路和擠出機加熱電路中的低通電阻 NMOS 功率開關管,實現加熱床及擠出機中加熱電阻的加熱。片內A/D將溫度傳感器電路內的兩路模擬量轉換經通道輸入,實現對加熱床、擠出機溫度的檢測與控制。四路步進電機驅動電路主要負責控制X、Y、Z這3個軸的步進電機及擠出機的步進電機,實現打印件的打印。三路行程開關電路主要負責定位X、Y、Z軸的原點和運動相對位移量。ISP/JTAG接口主要負責測試程序的燒寫與調試[6]。

圖3 3D打印機控制系統框圖

3 3D打印機控制系統軟件設計

3.1 控制系統主程序設計

控制系統軟件能夠實現通信、數字信號控制和數據讀取與處理等功能。系統主程序主要負責系統初始化和應用函數的聲明;通過SP1接口讀取SD卡中的配置文件;判斷是否有上位機發送的數據通過USB接口,若有上位機發送的數據,讀取數據并保存在串口接收的緩存區;若沒有上位機發送的數據,讀取SD卡中打印數據并保存到SD卡接收緩存區,然后處理接收的數據,如果超過30 s沒有數據處理,關閉程序控制功能并停止步進電機。系統主流程圖如圖4所示。

圖4 系統主流程圖

3.2 上位機控制軟件的設計

本文設計的3D打印機可以實現遠程控制功能,具有良好的人機控制界面,借助開源切片軟件Slic3r的優點,調用Slic3r提供的API實現三維切片的功能,點擊文件的加載模型按鈕可加載STL文件,在切片中完成3D模型的切片并適當調整模型位置,點擊文件中“生成geode格式文件”,即可生成Crcode文件,通過USB網絡遠程或直接使用SD卡將數據導入3D打印機,開始打印實物,打印過程中可以預覽打印物體的3D效果圖,也可以查看打印進度及參數。上位機軟件界面如圖5所示。

圖5 上位機軟件界面

3.3 3D打印機速度提升與優化

根據對FDM型3D打印機工作原理詳述,對打印控制的參數模型進行分析。本文設計的打印機系統可看成是一個頻分多路復用,則打印機的過程控制參數可以表示為:

(1)

S={S1,S2,…,Snum}為打印物體的模具集合;P為正在打印生產的作業數;Nq為可進行第q項工作時的組別數量;Ni為參與第i項作業的區域熔融沉積材料的厚度;Y(i)為3D打印各路作業輸入信號的頻譜向量和打印通道之前的干擾矩陣為X(i),打印機激發態躍遷矩陣的維數分別為N(i)x1和N(i)xm。

對于3D打印速度制約參數模型的建立,根據打印機逐層級聯退激基態分解的子矩陣規模為L×m,打印效率和速度為Bu與Bv,采用對偶分析法對打印效率和打印速度建立模型[7]:

(2)

(3)

由式中Bik生產組別K完成后端數據進行存儲,進行3D打印輸出,得到i項打印的經濟成本為:

(4)

以此為基礎,對3D打印機的速度控制優化設計。

對于桌面型3D打印機的FDM控制,確定變量和數組的儲存空間是前提。本文采用熱塑性材料FDM控制方法,根據介質不同,使得打印后的物體具有良好的三維特征。在打印作業中,為了提高打印效率與速度,控制噴頭內對加熱熔化的材料至關重要。數學模型建立如下:

設T為打印機噴頭熔料控制的因變量,X1,X2,…,Xn-1為對T有自相關性的n-1個自變量,則噴頭熔料之間線性關系可表示為:

T=β0+β1X1+…βn-1Xn-1+e

(5)

e為打印機噴頭熔料各路之間的誤差干擾項,即外界其他因素對T的影響。由于多路信號之間的頻譜會有部分重疊,則打印機噴頭熔料控制信號的觀測值為:

(Xi,1,Xi,2,…,Xi,n-1,Ti)

(6)

打印機的分辨率應滿足:

(7)

打印機噴頭熔料控制模型可改寫為矩陣:

Y=Xβ+e

(8)

式中:Y為熔料控制觀測量;X為打印機陣列矩陣;β為參數向量;e為打印機任務指派量。

本文將廣泛應用于通信領域的頻分多路復用來提升3D打印機的速度控制,所謂的頻分多路就是依照不同頻率傳送各類消息,實現多路通信。假設對3D打印的經濟與效益評價指標之間具有藕合性,用不同頻率傳送各路打印熔料控制消息,得到最優打印控制Fu與最劣打印控制Fv的頻分多路復用藕合狀態為:

(9)

(10)

為了提高打印調度性能,用頻分多路復用對打印數據進行處理,得到優化后的實際打印速度效益Si為:

(11)

考慮到熔料控制矩陣秩的虧損即n

(12)

每次將打印傳送數據輸入到頻分多路迭代中,將打印機分辨率矩陣分解成一個正交矩陣,由矩陣保范型可得:

(13)

如果只考慮打印工作中的單個消息所需要的功率,可以忽略打印任務指標函數,打印功耗的最小化為:

(14)

降低每路打印輸入信號的干擾頻譜,推導出最小二階解為:

(15)

記Xij的秩為rij,rij≤m,通過上述對3D打印速度的控制,實現打印速度提高。

4 仿真與實驗測試

為了測試本文提出的頻分多路復用速度提升法在打印速度和效益方面性能的優越性,首先用MATLAB對算法進行仿真,取多個打印任務,用不同頻率傳送各路打印信息[8],得到打印輸出的各路信號頻譜如圖6所示。

圖6 3D打印各路打印頻譜

由圖6可見,采用頻分多路復用速度提升法,能有效實現3D打印的速度量化指標的評估,降低各路打印輸人信號的干擾頻譜,提高打印速度。

在實際測試中,首先按照打印操作流程進行打印模型測試。重點觀察打印速度及實物打印效果。利用三維制圖軟件自行設計模型,制作完畢后將模型導入切片軟件中,如圖7所示。

圖7 打印切片模型

設置打印模型層厚、加熱溫度和打印溫度后,分別用傳統打印與引用頻分多路復用法打印3D模型,在設定同樣材料、模型厚度后,對比兩種情況下打印模型所用的時間長短。實物打印如圖8所示。

圖8 實物打印測試

打印完成所需時間觸摸屏顯示如圖9所示,采用頻分多路復用打印完3D模型比傳統速度快近0.5 h。由測試結果可見,本文提出的頻分多路算法,能大幅降低打印時間和內存開銷,提高打印速度。

圖9 打印時間觸摸屏顯示

5 結論

本文以傳統3D打印機為研究對象,在分析其結構組成和工作原理的基礎上,提出了一款速度快、

精度高的桌面型3D打印機的設計方案,詳細介紹了3D打印機的硬、軟件設計。針對傳統3D打印機采用單路固定數據傳輸導致打印速度過慢的問題,提出基于頻分多路復用的速度提升法,搭建測試平臺,對設計的3D打印機進行性能測試,頻分多路復用在3D打印機應用,大大降低了模型打印時間和內存空間,提高了打印速度。通過打印出來的實物與模型進行比對,驗證該桌面型3D打印機控制系統設計的可行性與有效性。

[1] 王至堯. 增材制造3D打印未來閉[J]. 知識就是力量,2013(6):14-17.

[2] 魏理豪,王甜,陳飛,等. 基于層次分析法的信息系統實用化評價研究[J]. 科技通,2014,30(2):142-148.

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[4] 李德振. 基于ARM的3D打印機控制系統研究[D]. 山東農業大學,2015.

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[6] 譚秀騰. 基于ARM的桌面型3D打印機控制系統設計[J]. 應用科技,2014,41(5):142-148.

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DesignandImplementationofControlSystemforFDM3DPrinterBasedonARM

WANGSuzhou,SHUZhibing*,LIJun

(College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)

Based on the analysis of traditional 3D structure and working principle of the printer,we selected ARM Cortex-M3 kernel LPC1768 as micro controller and adopted the fused deposition modeling(FDM). According to the traditional using of single fixed data transmission,the printing speed was too slow,we adopted the printing transfer and printing speed dual efficiency analysis method,integrated into the frequency division multiplexed method to implementation desktop of 3D printer set of multi-objective optimal control,and to evaluate speed quantitative assessment. According to the enquiring different frequencies of the printing system,the frequency division multiplexing method can be applied to transfer the printing request messages to all strips of the 3D printer system. Finally,we tested the performance of the designed 3D printer through simulation and built a test platform to verify the feasibility and effectiveness of the desktop 3D printer control system design.

3D printer;frequency division multiplexing;increase speed;optimal control system

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.052

2016-08-10修改日期2016-10-01

TP273

A

1005-9490(2017)05-1324-05

王蘇洲(1990-),男,漢族,江蘇連云港人,碩士研究生 主要研究方向為嵌入式系統、交流伺服系統、數控系統、運動控制、機電一體化系統等,18795871558@139.com;

李俊(1993-),男,漢族,江蘇揚州人,深圳市海目星激光科技有限公司,工程師,主要研究方向為嵌入式系統、智能機器人等,lj893434@163.com;

舒志兵(1965-),男,通信作者,漢族,江蘇南京市人,副教授,南京工業大學運動控制研究所所長,主要研究方向為機器人控制、交流伺服系統、DSP技術、現場總線、數控系統、運動控制系統等。