3D打印機控制系統的設計

徐 軍，王天倫

(哈爾濱理工大學 自動化學院，哈爾濱 150080)

3D打印機控制系統的設計

徐 軍，王天倫

(哈爾濱理工大學 自動化學院，哈爾濱 150080)

設計了一種3D打印機控制系統，采用微控制器ATmega2560為主控制器，集成了USB通信接口模塊、打印頭溫度檢測模塊、LCD控制器模塊以及電機驅動模塊等;利用計算機切片軟件將3D模型切片產生G代碼，通過串口送到主控制器，主控制器處理G 代碼并對電機驅動模塊發送控制信號，采用PWM脈沖寬度調制技術控制3D打印機的XYZ三軸電機及擠出機電機進行3D打印，為了保證打印頭快速達到打印溫度并保持溫度恒定，采用增量式PID算法實現對溫度的精確控制;測試結果表明，采用增量式PID算法后，擠出頭溫度控制在245℃，控制精度為1℃，將原來的300 s左右進入恒溫狀態提高到75 s左右進入恒溫狀態，提高了三維打印恒溫控制的性能，減少了打印過程中打印材料斷絲、粗細不均勻等現象，滿足了對打印質量的要求。

微處理器ATmega2560；3D打印機；PID控制；溫度控制

0 引言

3D打印機又叫快速成型機，始于20世紀90年代，基本原理是斷層掃描的逆過程，斷層掃描是把打印對象“切”成無數疊加的片，3D 打印則是一層一層地打印，然后疊加到一起，成為一個立體物體[1-3]。

在國外，發達國家十分關注3D打印技術，他們紛紛出臺相關政策來鼓勵其國家的企業開發3D打印技術，并已經把3D打印技術應用于實際項目。例如美國國家航空航天局(NASA)已利用3D打印技術生產了用于執行載人火星任務的太空探索飛行器(SEV)的零部件，并打算在該飛行器上搭載小型3D打印設備，實現“太空制造”[4-7]。 國內從事3D打印技術的科學人員也在該領域做出了突出的成果，比如HRP系列的打印機、打印精度實現40mm的突破、甚至研究出了八個噴頭的擠出機，這些進步證明了3D打印技術在國內也在飛速發展[8-10]。

本次設計采用目前比較流行的一種三維成型技術既熔融沉積成型工藝(FDM)，通過FDM工藝技術可以保證良好的打印質量和打印精度。其打印原理是對3D模型進行分層處理，把每層具體的數據以G代碼的形式保存起來，再通過主控芯片和擴展版，就可以控制打印頭在XYZ3個軸向上的運動，在打印頭噴出塑料之前有一個加熱的過程以便擠出塑料，同樣打印平臺也有一個加熱床來使噴出的塑料不會立刻降溫，以保證打印精度。利用以上原理，使用3D打印機對3D模型文件進行打印。

本文設計的3D打印機采用ATmega2560作為主控芯片，在實現打印的同時，降低了打印機功耗和價格。選用ABS作為打印材料，該材料具有優良的綜合性能，有極好的沖擊強度、尺寸穩定性好、電性能、成型加工性能較好，價格便宜，熔點在215 ℃到250 ℃間。加熱電路通過PID調節，將擠出頭溫度控制在245 ℃，溫床溫度控制在85 ℃，保證了打印溫度的恒定，減少了斷絲等現象，提高了打印機的打印質量。

1 控制系統

1.1 控制系統設計方案

3D打印機控制系統的設計方案如圖1所示：主要包括主控制器模塊、USB接口模塊、打印頭溫度檢測模塊、LCD控制器模塊以及電機驅動模塊等。

圖1 3D打印機控制系統設計圖

本系統將計算機切片產生的G代碼上傳發送給ATmega2560主控制器，使用者通過LCD人機接口來設置打印參數，主控制器控制擠出機內的加熱棒將打印材料加熱并從打印頭的噴嘴擠出，同時可以通過熱敏電阻實時的將打印材料的溫度反饋給主控制器。在打印頭下面的打印平臺上有加熱床來控制打印平臺溫度，也可以通過熱敏電阻反饋給主控板。同時LCD控制器與RAMPS1.4擴展板連接，擴展板上安裝了可以與主控制器通信的電機驅動芯片，主控制器分析機械指令后，驅動電機將G代碼的機械指令轉換為XYZ三軸電機和擠出機電機的運動，逐層完成模型的實體打印。

1.2 系統硬件設計

1.2.1 最小系統設計

本系統選用的控制器是ATmega2560，該控制器內部具有低功耗的CMOS結構，可進行8位數據傳輸，此外具有強大的執行指令的能力，這源于它的RISC型架構，這種架構可實現輸入頻率1MIPS/MHz，超強的數據處理能力使得它在在系統設計時能夠優化功耗和速度[11]。控制器ATmega2560的最小系統原理圖如圖2所示。

圖2 ATmega2560最小系統

ATmega2560最小系統包含ATmega2560芯片、復位電路、通信接口和晶振。ATmega2560的標準工作電壓為5 V，由于本次設計電路板需要電腦配置硬件參數，因此使用USB給主控板供電。

1.2.2 USB接口電路設計

本設計中采用ATmega16U2作為USB接口電路芯片，ATmega16是基于增強型AVR RISC結構的CMOS微控制器。擁有指令集豐富、運行速度快和吞吐率高等優點，因此在降低功耗和處理速度方面有很大的優勢，USB接口電路設計如圖3所示。

圖3 USB接口電路圖

1.2.3 步進電機驅動電路設計

本設計采用A4988芯片作為步進電機驅動芯片。A4988是一種帶轉換器和過流保護的DMOS 微步驅動器[12]，電機驅動器通過RAMPS1.4擴展板連接到ATmega2560主控器，主控制器將指令發送給A4988芯片，在其內部有一個轉換器，只要輸入一個脈沖就可以讓電機轉動，從而控制擠出機和3個方向電機的運動。電機驅動板的工作原理是通過對步數和方向的調節來實現驅動，并且在電路中添加了保護電路和調節器，保證驅動正常的運行。在驅動芯片A4988的控制下本設計電機的最高分辨率為25 600步/轉，A4988電機驅動電路如圖4所示。

圖4 A4988電機驅動電路圖

1.3 溫度控制

FDM噴頭內部的打印材料是從固態轉變為液態的一個熱傳遞過程，FDM噴頭腔內的溫度控制不僅影響打印精度，也影響打印過程的持續性，更直接影響3D打印產品的質量，因此噴頭的溫度控制尤為重要。同樣，控制加熱床的溫度可以有效地減少打印材料斷絲等現象，可見溫度控制對3D打印十分重要。本設計的溫度控制采用PID算法，通過檢測溫度繪制出實際溫度曲線，實時觀察擠出頭和加熱床的溫度變化，若溫度過高則會反饋給主控板，使擠出量無效[13]。若擠出頭溫度低于擠出溫度，即使有擠出指令，也會停止擠出工作，從而保護了擠出頭。

根據經典PID控制理論，位置式PID表達式如式(1)所示：

(1)

式(1)中，k為采樣序號;u(k)為第k采樣時刻的PID計算輸出值;e(k)為第k采樣時刻輸入的偏差值即設定溫度與測得溫度之差T1-T；e(k-1)為第k-1采樣時刻輸入的偏差值；kP為比例系數;kI為積分系數;kD為微分系數。根據式(1)可推導出式(2)如下所示：

kD[e(k-1)-e(k-2)]

(2)

式(1)減去式(2)得到增量式PID控制算法表達式(3)如下所示：

Δu(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+kIe(k)+

kD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(3)

增量式PID控制算法具有計算量小，機器故障時影響范圍小等優點。令A=(kP+kI+kD)，B=(kP+2kD)，C=kD，可得增量式PID控制系統原理圖，如圖5所示。

圖5 增量式PID控制系統原理圖

2 系統軟件設計

3D打印機的軟件部分包括三部分，第一，下載固件并配置固件，這里用到的是Marlin軟件，運行前需要設置好固件參數并上傳固件。第二，利用切片軟件Slice3r將三維模型的STL文件進行切片分層，輸出一種機械代碼(G-code)給主控板。第三，機械代碼保存成一個文件，在上位機Print run中打開，然后連接打印機和電腦，至此可以對打印機直接進行操作。具體流程圖如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖

3 系統測試及結果分析

本次設計的3D打印機結構主要由木質框架、擠出機、XYZ軸螺桿、打印平臺、LCD控制器和電源等主要部分組成。

設計選用的3D打印材料為ABS，熔點在215 ℃到250 ℃之間[14]，所以3D打印機的擠出頭在工作中需要將溫度控制在230 ℃至250 ℃之間。擠出頭溫度過低會導致打印失敗或換料時預熱達不到耗材的熔點，換不了料；擠出頭溫度過高，則會嚴重影響其使用壽命，所以需要實時的監測并控制擠出頭的溫度[15]。

已知加熱升溫的傳遞函數為一階慣性環節如公式4所示：

(4)

式(4)中，k為放大系數，T為時間常數，在不加入PID算法控制前，設目標溫度為245 ℃，加熱電阻絲功率為60 W。微處理ATmega2560的采樣周期T是恒定的，值為40左右，通過飛升曲線法實驗計算得其K值約等于1，因此得到其傳遞函數如公式(5)所示：

(5)

用MATLAB中的Simulink模塊對加熱升溫的傳遞函數進行了模擬，如圖7所示，其穩定時間為300 s左右。

圖7 模擬的加熱過程曲線

利用增量式PID算法，由于微處理ATmega2560的采樣周期T是恒定的，因此只要確定kP，kI，kD的值和前后3次測得的溫度偏差值就可以完成對溫度的控制。PID溫控系統中的kP，kI，kD值可通過 Simulink模塊中的PID功能模塊進行選擇，本次模擬分析設定的初始值為kP=1，kI=1，kD=0，其PID響應曲線如圖8中閉環響應所示，其超調量為設定恒溫溫度的1.6倍，穩定時間為250 s左右，因此kP，kI選擇不合理。通過調整響應時間多次修正后所得kP，kI，kD值如圖9中調諧響應所示，其超調量僅為設定恒溫溫度的5%。

圖8 在不同PID 3個參數下的響應曲線圖

如設定噴頭溫度為245℃，加熱電阻絲功率為60 W，則最大超調溫度為257.25℃，該超調溫度對打印材料的性質沒有顯著影響，其穩定時間為70 s，與不加PID算法時的300 s相比較，有大幅減小。在此狀態下，kP= 3.284，kI=0.088，kD= -18.235，所得加熱恒溫曲線如圖9所示。

圖9 加入PID算法后模擬的加熱過程曲線

加入PID算法后測得噴頭達到設定恒溫245℃時平均最大超調溫度為256.8℃，穩定時間為75.3 s，最大超調量為4.8%，其最大超調溫度對三維打印材料性質影響不大因此滿足3D打印頭恒溫控制的要求。打印機具有了溫度控制精度高，穩定后溫差小，溫度波動小，溫度達到穩定所用時間短的特點。

4 結語

本文就3D打印機的設計給出了具體的實現原理及程序流程，采用ATmega2560為主控制器，設計了硬件電路并完成了系統軟件的編寫。設計的3D打印機與傳統3D打印機相比，具有低功耗、價格低的特點。加熱電路通過PID調節，溫度控制在245℃，控制精度為1℃，減少了打印過程中打印材料斷絲、粗細不均勻的現象，滿足了對打印質量的要求。經實際驗證，本設計的3D打印機系統性能穩定。

[1] Walters P, Davies K. 3D printing for artists: research and creative practice[J]. Journal of the Norwegian Print Association, 2010,(1):12-15.

[2] 韓 霞.快速成型技術與應用[M]. 北京：機械工業出版社，2012.

[3] 王運贛. 三維打印技術[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2014：9-63.

[4] 郭日陽. 3D打印技術及產業前景[J]. 自動化儀表，2015(3)：5-8.

[5] 王燦才.3D打印的發展現狀分析[J]. 絲網印刷，2012,(9):37-41.

[6] Brian，Vans E.解析3D打印技術[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

[7] Christopher，Arnett B.3D打印：正在到來的工業革命[M]. 北京：人民郵電出版社，2014.

[8] 董子凡.3D打印：將虛擬“打”進現實[J]. 科技生活，2012(23)：5-6.

[9] 蔡恩澤.3D打印顛覆傳統制造業[J]. 中國中小企業，2012，(17)：46-47.

[10] 丁 萬. 微型FDM型3D打印機的研制[M]. 武漢:武漢理工大學，2014.

[11] 黃樹槐,肖躍加,莫健華.快速成型技術的展望[J]. 中國機械工程，2000：195-200.

[12] 劉光福,李愛平.快速成型與快速制模技術[M]. 上海：同濟大學出版社，2004.

[13] 王運贛.三維打印技術[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2013.

[14] Siti Afifah mohshim.Fast Prototyping and low Volume Manufacturing Using 3d printer[A]. Conference Proceedings of 3rd International Conference on Advances in Engineering & Technology (Kuala Lumpur)[C]. Kuala Lumpur University, Kuala Lumpur, 2014:645-650.

[15] 許向宏.FDM3D打印機及其適用材料分析[J]. 廣東印刷：技術專欄，2015，39(1)：46-49.

Design of 3D Printer Control System

Xu Jun, Wang Tianlun

(Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China)

A 3D printer control system is designed, using microprocessor ATmega2560 as the main controller, integrated USB interface module, print head temperature detection module, LCD controller module, motor drive module and so on. 3D model sliced produce G code with the help of computer chip software, through the serial port to the main controller, the master controller processes the G code and transmits the control signal to the motor drive module, using PWM pulse width modulation technology to control the 3D printer’s XYZ axis motor and the extruder's motor for 3D printing, in order to ensure that the printing head reaches the printing temperature quickly and keeps the temperature constant, the incremental PID algorithm is used to realize the precise control of temperature. Test results show that, after using the incremental PID algorithm, extrusion head temperature control in 245℃, the control precision is 1℃, the time to enter the constant temperature decreases from 300 s to 75 s, improve the performance of three dimensional printing’s constant temperature control. Reduce the phenomenon of printing material broken wire, uneven thickness in the printing process, meet the requirements of printing quality.

microprocessor ATmega2560；3D printer；PID control；temperature control

2016-09-23；

2016-11-03。

徐 軍(1968-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，主要從事自動控制，傳感器技術的研究。

1671-4598(2017)03-0051-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.015

TP23

A