金屬粉末3D打印裝備的控制系統設計*

曾齊高，羅 飛，李積彬

（1.深圳市龍崗職業技術學校，廣東深圳 518172；2.深圳技師學院，廣東深圳 518040；3.深圳市模具先進制造技術重點實驗室，廣東深圳 518060）

0 引言

為滿足日益苛刻的工業低成本和高性能要求，結合快速成形技術和金屬粉末注射成形技術的優點，李積彬［1］提出了粉末冶金快速成形敏捷制造概念，用金屬粉末材料制造產品樣品零件，從而降低成形機成本，提高零件機械性能。

金屬粉末3D打印成形技術［2－3］是基于粉末冶金快速成型敏捷制造概念而提出并升級的新技術、新工藝，是集金屬粉末注射成形技術和快速成形技術優點所提出的一項新工藝。與現有的成形技術相比，該技術具有以下幾個特點：（1）無需模具，傳統的成形方法需要開模，而模具的成本較高，并且模具加工周期一般都較長；（2）無需大功率激光器，傳統的激光燒結快速成形技術需要大功率激光頭，其成本較高，少則幾十萬，多則上百萬，非一般企業所能承受；（3）成形材料不局限于塑料，可適用于熔點較高的金屬粉末、陶瓷粉末等。

金屬粉末3D打印裝備的開發是實現金屬粉末3D打印工藝的基本保證，也是驗證金屬粉末3D打印工藝可行性的重要保障。金屬粉末3D打印裝備系統開發可分為4個層次，最高層為工藝原理層，其次為軟件系統，再其次為控制系統層，最底層為機械系統層［4］。

本文旨在解決金屬粉末3D打印裝備控制系統的設計，控制系統是裝備的關鍵所在，是裝備功能實現的保證。

1 裝備控制系統總體設計

金屬粉末3D打印裝備控制系統包括三維快速成形平臺運動控制系統、單螺桿擠出裝置運動控制系統、料筒加熱溫度控制系統、平臺溫度控制系統等4部分。

控制系統采用工控機（PC機）作為上位機，基于PCI總線的運動控制卡作為下位機。以ADT－8940A1運動控制卡為核心，開發了一套快速成形系統的硬件平臺，包括三維快速成形運動平臺、擠出螺桿動力驅動裝置。

裝備中三維快速成形平臺的X、Y、Z軸伺服電機，單螺桿擠出裝置中的螺桿驅動電機A軸電機，以及X、Y、Z滑臺的限位需要控制?；赑CI總線的運動控制卡核心是由DSP和FPGA組成，具有功能強大、軟件系統開發便利（支持VB，VC，Delphi等編程語言）、界面友好等優點，因此被廣泛應用于運動控制領域。溫度控制系統包括溫度采集、溫度控制兩部分。熱電偶作為最普通的溫度傳感器應用于本研究，其所測溫度轉化為微弱電勢信號，經一體化溫度變送器將其信號放大，最終模擬信號通過數據采集卡輸入PC機中顯示。通過所測溫度與設定溫度值比較，通過ADT－8940A1四軸運動控制卡的通用I／O輸出控制固態繼電器，進而控制加熱圈的通斷。

軟件系統以Visual C＋＋6.0為開發平臺，開發了快速成形控制軟件。其中包括運動測試模塊、監控模塊和成形模塊3部分。

2 硬件設計

控制系統硬件系統由工控機（PC機）、運動控制卡、伺服電機、伺服驅動器、光電限位開關、固態繼電器、加熱圈、熱電偶等組成，控制系統結構如圖1所示。

圖1 控制系統結構

控制系統的“大腦”工控機（PC機），作為控制系統的上位機，主要提供與用戶的友好交互界面、控制狀態的監控以及顯示。由于系統采用的是基于PCI總線的運動控制卡，所以作為上位機必須擁有即插即用的PCI擴展槽，計算機系統必須具備高級編程語言如VC＋＋、VB、LabVIEW、Delphi、C＋＋Builder等［5］。

本文選用深圳市眾為興數控技術有限公司的ADT－8940A1四軸運動控制卡。ADT－8940A1控制卡是基于PCI總線的高性能四軸伺服控制卡，一個系統中可支持多達16塊控制卡，可控制64路伺服／步進電機，支持即插即用。脈沖輸出方式可用單脈沖（脈沖＋方向）或雙脈沖（脈沖＋脈沖）方式，最大脈沖頻率2 MHz，采用先進技術，保證在輸出頻率很高的時候，頻率誤差小于0.1%。支持任意2～4軸直線插補，最大插補速度1 MHz。速度控制可用定速和梯形加減速。位置管理采用2個加／減計數器，1個用于管理內部驅動脈沖輸出的邏輯位置計數器，1個用于接收外部的輸入，輸入信號是A／B相輸入的編碼器或光柵尺，作為實際位置計數器位數高達32位，最大范圍－2 147 483 648～＋2 147 483 647。提供各種語言函數庫和Windows動態鏈接庫，實現復雜的控制功能。

溫度控制系統包括料筒加熱溫控系統和成形平臺溫控系統兩部分。溫控系統從功能上可分為溫度采集模塊和溫度控制模塊。溫度采集模塊一般采用熱電偶、溫度變送器和A／D轉化模塊等組成。熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結構簡單、使用方便等特點，因此在工業溫度控制過程中得到了廣泛應用。由于其直接和被測對象接觸，不受中間介質的影響，因而測量精度高，并且通?？梢栽冢?0～1 200℃進行連續測量。由于熱電偶所測電勢信號較弱，所以系統中還需一體化溫度變送器將熱電偶產生的電勢經冷節補償放大后，再由線性電路消除熱電勢與溫度的非線性誤差，最后放大轉化為4～20 mA電流輸出信號。

溫度控制模塊由固態繼電器控制加熱圈的通斷來實現，將熱電偶所測得的溫度與系統所設定的溫度值進行比較后，利用運動控制卡的通用I／O接口控制固態繼電器的開關，從而實現溫度的智能控制。系統中采用6個固態繼電器和多個大功率的加熱圈，溫度控制系統接線如圖2所示。

圖2 溫度控制系統

3 軟件設計

軟件系統是快速成形系統的靈魂，快速成形系統中所有的動作都需要軟件系統來執行。根據軟件在成形過程中所起的作用，快速成形軟件可分為模型數據處理軟件和快速成形加工軟件兩大部分。本文采用深圳大學SZU－RP模型數據處理軟件對3D模型進行切片，得到能夠與成形軟件進行通訊的.txt文件。數據處理軟件即快速成形切片軟件，是快速成形制造技術中的關鍵部分，軟件采用STL文件格式，通過STL文件記錄每個三角平面片的頂點坐標和法向矢量［6］。如圖3所示，SZU－RP系統用一系列垂直于Z軸的平面與三維實體的表面求截交線，所得的截交線通常為一個或多個封閉的曲線環，這些封閉的曲線環所包圍的面即為二維的層片，實現將三維數據離散為二維數據，得到能夠與成形軟件進行通訊的.txt文件。

圖3 STL切片原理

快速成形加工軟件是快速成形軟件系統中最重要的一部分，所有的成形功能均由此完成，所以該軟件設計的好與壞將直接影響到金屬粉末3D打印成形工藝成形零件質量的優劣。軟件系統是基于Visual C＋＋6.0平臺環境開發的，為用戶提供了良好的可視化編程環境。該環境由一套綜合的集成工具組成，在此環境下，可以對C和C＋＋應用程序進行各種操作，包括建立、打開、編輯、瀏覽、保存、編譯、鏈接和調試等，而這些操作都可以用鼠標單擊工具按鈕來完成［7］。

控制系統中采用ADT－8940A1運動控制卡，其提供了Windows系統下的動態鏈接庫，所以只要調用函數庫中的指令，就可以實現運動控制器的各種功能。

成形開始之前需要對控制卡初始化，電機上伺服，然后設定成形參數，包括成形溫度、擠出速度、成形平臺運動速度、加速度等，讀取切片軟件處理完成的數據文件，然后進行金屬粉末擠出堆積快速成形，其程序設計流程如圖4所示。

圖4 程序設計流程

軟件系統設計包括測試模塊、狀態監控模塊和成形模塊3部分。測試模塊主要包括單軸運動狀態測試、多軸插補運動測試、各軸正負限位測試、程序基本參數設置、運動控制卡IO測試等；狀態監控模塊主要包括運動實時路徑顯示，是用VC＋＋畫圖程序和TIMER控件完成；成形模塊包括讀取成形文件、計算零件成形時間等。金屬粉末擠出堆積快速成形軟件界面如圖5所示。

圖5 金屬3D打印軟件界面

成形程序由VC＋＋6.0編寫，許多的函數都是調用運動控制卡所封裝好的函數，程序中部分代碼如圖6所示。

圖6 部分代碼

4 結束語

本文詳細闡述了金屬粉末3D打印裝備控制系統的設計，控制系統是裝備的關鍵所在，是裝備功能實現的保證?？刂葡到y從功能上由硬件系統和軟件系統設計兩部分組成。

控制系統采用工控機（PC機）作為上位機，基于PCI總線的運動控制卡作為下位機。以ADT－8940A1運動控制卡為核心開發了一套快速成形系統的硬件平臺，包括三維快速成形運動平臺、擠出螺桿動力驅動裝置。軟件系統以Visual C＋＋6.0為開發平臺，開發了快速成形控制軟件，其中包括運動測試模塊、監控模塊和成形模塊3部分。

通過后續成形工藝實驗研究，測試了金屬粉末3D打印裝備控制系統的硬件和軟件功能，驗證了金屬3D打印成形工藝的正確性以及合理性。