基于PTA增材制造的模型分層及運動控制

2018-05-03 03:12:04仇文杰陳克選包學強許可可

電焊機 2018年4期

關鍵詞：模型

仇文杰，陳克選，包學強，許可可

（蘭州理工大學材料科學與工程學院，甘肅蘭州730050）

0 前言

快速成形技術（Rapid Prototyping，簡稱RP）是集計算機學、光學、材料學以及其他學科于一體并且將零件的三維CAD模型通過制造設備堆積成具有一定結構和功能的零件或原型的一種先進制造技術[1]。它不同于傳統的車、銑、刨、磨等去除成型，也不同于鑄、鍛、粉末冶金等受迫成型的加工方法，而是采用材料累加的方法[2]。較傳統加工方法，快速成型制造技術具有技術集成度高、自由成型制造、高柔度性、應用領域廣泛等優點[3-4]。本研究采用的絲材等離子電弧增材制造技術適用于大尺寸且形狀較復雜構件的低成本、高效快速成型，是與目前發展較成熟的激光增材制造方法優勢互補的3D增材成型技術，克服了激光或電子束設備成本高、成型效率低的缺點[5]。通過三維建模，全過程由計算機控制將材料逐層累加制造實體零件，縮短了加工周期，減少工序，提高了原材料的使用率，并且形狀越復雜其優勢越明顯。

1 系統組成

等離子弧金屬快速成型技術是以等離子弧作為熱源，熔化金屬基體（或前層熔積金屬）和金屬填充材料，由計算機控制三維運動機構和變位機按照預先設定的層積路徑提供運動軌跡掃描，控制等離子弧在層積路徑形成移動的金屬熔池，熔融金屬經過快速凝固形成所需的金屬功能零件[6]。

等離子弧快速成型系統主要由運動控制系統、焊接電源、送絲系統、水冷循環系統等組成。本研究采用2臺獨立的焊接電源供電，其中一臺為主弧電源，另一臺為維弧電源，由于兩者互不干擾，提高了設備的穩定性和零件的成型精度。送絲系統設計利用Visual C++6.0開發運動控制卡控制步進電機實現步進送絲，配合焊槍運動，進一步提高成型精度，減小變形。其系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成Fig.1 System composition

2 控制卡及運動平臺的搭建

2.1 運動控制卡

運動控制卡是實現運動控制的核心部分，為滿足快速成型系統長時間、高精度的運行要求，采用AVR2系列ATMEGA2560單片機作為控制卡的處理器，ATMEGA2560多達100個引腳，有多個輸入/輸出口，具有通訊速率高、處理速度快、穩定性好等優點。

控制卡通過數據總線與上位機實現通訊，通訊速率可達200 kB/s，能夠同時對多個步進電機進行協同控制[7]。輸出4路單脈沖（脈沖+方向）信號，其中3路控制x、y、z三軸協同運動，完成對運動路徑的掃描，第四路信號控制送絲電機配合掃描路徑實現步進送絲。控制卡與驅動器的接口電路采用共陽極接法，具體接口電路示意如圖2所示。

圖2 控制卡和驅動器接口電路Fig.2 Control card and driver interface circuit

2.2 運動平臺的搭建

運動機構將等離子焊槍固定在滑臺的滑塊上，由步進電機通過滑臺的絲桿旋轉變為滑塊的移動，實現焊槍對運動路徑的掃描。由于等離子焊槍結構復雜、槍體較重，對導軌和電機均有一定的要求。因此選定3個1610型絲杠搭建成3軸滑臺，采用雷塞86HS85步進電機驅動絲桿旋轉，完成了運動平臺的搭建。

3 軟件設計及部分系統參數設定

3.1 軟件設計

軟件設計主要分為讀取G指令、解析和編譯、信號輸出三大模塊。讀取指令模塊主要實現與上位機通訊，識別并讀取G代碼送到指令存儲區；解析和編譯模塊的功能是將存儲區的G代碼轉化為脈沖信號；信號輸出模塊則是將信號從控制卡單向傳輸到步進電機驅動器，最終實現步進電機的控制[8]。軟件的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程Fig.3 Main program flow chart

3.2 部分參數設定

利用CAD軟件進行三維建模，再將模型進行切片處理生成G代碼，通過運動控制卡將G代碼編譯為脈沖驅動信號送入步進電機，最后由步進電機驅動絲桿轉動，實現焊槍對運動路徑的掃描，最終得到實體零件。但是，要保證零件的成型精度，需根據步進電機和絲杠的相關參數嚴格確定輸出脈沖。所選步進電機和滾珠絲杠的相關參數如表1和表2所示，通過式（1）計算得到控制卡輸出脈沖的個數。

表1 步進電機參數Table 1 Stepper motor parameters

表2 滾珠絲杠參數Table 2 Ball screw parameters

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT{320，320，320} //x，y，z軸移動 1mm 所需要的脈沖。

其次，零件的設計尺寸必須小于絲杠的最大行程，以下是軟件中相關參數的設定，0表示限位開關的位置。

#define X_MAX_POS 600//x軸運動的最大位移（單位：mm）；

#define X_MIN_POS 0 //x軸運動的最小位移（單位：mm）；

#define Y_MAX_POS 600//y軸運動的最大位移（單位：mm）；

#define Y_MIN_POS 0 //y軸運動的最小位移（單位：mm）；

#define Z_MAX_POS 500//z軸運動的最大位移（單位：mm）；

#define Z_MIN_POS 0 //z軸運動的最小位移（單位：mm）。

4 模型分層及驗證實驗

4.1 模型分層

經過軟件編寫、硬件電路連接、運動平臺搭建等步驟最終完成實驗設備的搭建工作。測試過程由CAD制圖軟件設計零件的三維模型如圖4a所示，并將模型保存為STL文件。而合理地實現STL文件模型分層是增材制造中極為重要的環節，也決定著最終實體零件的質量和精度。經過多次焊接實驗得到分層高度、成型速度等相關參數，切片采用Cura軟件根據實驗參數對STL文件模型進行分層切片，如圖4b所示。將經過切片處理得到的模型的G代碼文件通過USB數據總線傳輸到運動控制卡，再由運動控制卡驅動運動平臺按軌跡掃描最終得到實體零件。基于模型的STL文件分層參數如表3所示。