基于ATmega2560的金屬FDM打印設備控制系統設計

劉 斌，龍健寧，吳晟霖，袁道明，張 濤

(1.華南理工大學聚合物成型加工工程教育部重點實驗室聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣東 廣州 510640;2.珠海天威飛馬打印耗材有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引言

作為3D打印技術的典型代表，FDM技術憑借著打印操作方便、機械結構簡單、成本低廉等優勢，在實際應用中越來越廣泛[1]。相比于激光型的金屬3D打印技術，金屬FDM 3D打印技術更具實際應用價值。本文針對金屬FDM打印設備的控制要求，提出一種以ATmega2560為主控制器，采用模塊化設計方法的金屬FDM打印設備硬件控制系統方案。ATmega2560片外資源豐富，可擴展性高，控制性能強[2]。

1 控制系統整體硬件設計方案

FDM打印設備的整個硬件控制系統框架如圖1所示。

圖1 硬件控制系統框架

a.主控制模塊。采用ATmega2560微控制器作為控制系統的下位機。

b.電機驅動模塊。采用5個步進電機實現控制系統的驅動功能。X軸、Y軸各選用1個步進電機實現擠出噴嘴的精確定位；Z軸選用2個步進電機驅動打印平臺的上下移動；此外，送絲機構采用1個步進電機驅動，通過步進電機的旋轉來實現熔融絲料的擠出。

c.溫度控制模塊。主要對打印平臺與擠出噴嘴進行加熱，并進行溫度的采集反饋。打印平臺溫度保證絲料能順利粘附，而擠出噴嘴的溫度要保證能熔融打印絲料，溫度的實時反饋則確保工作環境處于一個恒溫狀態。

d.串口通信模塊。主要用于上位機與下位機的數據通信，接收打印數據、控制命令，監控打印過程并適時根據反饋結果調整打印參數。

e.數據通信模塊。主要包括顯示屏和SD卡數據讀取。顯示屏顯示打印設備的打印狀態，包括打印速度、打印溫度、打印完成度等；SD卡負責讀取打印三維模型的G代碼。

溫度傳感器實時監測噴嘴和打印平臺的溫度，并將信息反饋給主控制器，主控制器繼而控制調節加熱器，形成一個溫度閉環控制系統。控制系統結構如圖2所示。

圖2 溫度閉環控制系統結構

2 最小系統的硬件電路設計

2.1 復位電路

系統在運行時往往要重新開始，清空上一次的運行數據，或當機器出現死機情況時都需要進行復位，重新開始工作[3]。常見的復位電路包括上電復位電路和外部復位電路，通過復位電路產生的復位信號(高電平有效)經RST引腳送入到微控制器的內部，完成復位功能。本次電路設計是通過外部按鍵把主控制器的RESET引腳設置為低平來復位。復位電路如圖3所示。

圖3 復位電路

2.2 時鐘電路

主控制器內部是由諸如觸發器等構成的時序電路組成的，只有通過時鐘才能使主控制器一步步地工作。具體工作時，主控制器外部接上振蕩器(也可以是內部振蕩器)提供高頻脈沖經過分頻處理后，成為主控制器內部時鐘信號，作為片內各部件協調工作的控制信號。如果沒有時鐘信號，觸發器的狀態就不能改變，主控制器內部的所有電路在完成一個任務后將最終達到一個穩定狀態而不能再繼續進行其他任何工作了。因此，主控制器可以看成是在時鐘驅動下的時序邏輯電路[4]。時鐘電路如圖4所示。

圖4 時鐘電路

2.3 電源電路

本控制系統主要需要12 V直流以及5 V直流2種等級的供電電壓，其中12 V為電源電壓，5 V主要為主控制器、溫度控制電路、步進電機驅動電路、串口通信電路以及數據通信電路等供電。本文采用DC-DC降壓方式，利用L5970AD降壓芯片，將12 V的電源電壓轉換為各個工作模塊所需的5 V電壓。這種降壓方式電流大，轉換效率高，工作效率能達到90%以上。電源電路如圖5所示。

圖5 電源電路

3 步進電機驅動電路設計

在3D打印過程中，步進電機驅動設備中的X軸、Y軸、Z軸及送絲機構由于主控制器發出的脈沖較小，無法直接驅動步進電機，因此需采用一個中間媒介——電機驅動器來放大脈沖[5]。本文采用A4988電機驅動器，其步進設置模式如表1所示。

表1 A4988步進設置模式

圖6 X軸步進電機驅動電路

STEP，DIR和ENABLE分別連接主控制器控制端口來控制步進電機。STEP端口控制電機驅動的穩定性，當輸入微步信號時，步進電機穩定驅動。DIR端口控制步進電機的正反轉：當輸入高平電壓時，DIR端口控制步進電機順時針方向運轉；當輸入低平電壓時，步進電機逆時針方向運轉。ENABLE端口控制步進電機的運行狀態：該端口輸入高平電壓時，電機停止運行；當輸入低平電壓時，電機正常運行。MS1，MS2和MS3端口控制步進電機的細分步進量，該模塊設置成1/16步進值。X軸步進電機驅動電路如圖6所示。

4 溫度控制電路設計

該模塊主要負責加熱以及溫度采集。加熱保證打印過程熔融絲料的順利擠出以及打印制品能夠順利粘附，而溫度采集則實現了對溫度的反饋，從而進行恒溫調節。該模塊的溫度控制是一個閉環控制系統，能對溫度進行精確控制。

加熱主要包括打印平臺加熱與擠出噴嘴加熱。打印平臺的加熱采用PCB加熱的方式，該方式主要是依靠電阻熱效應來加熱，相比較于其他的加熱方式，PCB加熱效果優良。打印平臺加熱電路如圖7所示。擠出噴嘴采用鋁棒加熱的方式，其加熱電路如圖8所示。

溫度采集部分，采用K型熱電偶溫度傳感器來實現溫度的監測與反饋。由熱電偶的測溫原理可知，熱電偶檢測反饋的溫度數據需經過數字轉換才能傳遞給主控制器，為此需選用一個模數轉換器[6]。

本文選用MAX6675轉換器，它能夠處理信號放大、冷端補償、線性化處理及數字轉換等問題，同時，它的數據輸出是12位的、SPI兼容的格式。由此可以看出，該溫度數字轉換芯片無需過多復雜的外圍電路，I/0接口電路簡單，大大簡化了溫度控制電路的設計。

圖7 打印平臺加熱電路

圖8 噴嘴加熱電路

MAX6675轉換芯片與主控器的接口硬件電路如圖9所示，其中，T+接熱電偶的測量端，T-接冷端；SCK為串行時鐘電路輸入接口，為設備提供采樣時鐘；SO為SPI串行輸出端口，主控制器與SO連接接受轉換數據；CS為片選信號，主要作用是使主控制器選中通信設備。

圖9 溫度控制電路

5 串口通信電路設計

串口通信是主控制器與PC機交互的重要部分，完成主控制器與上位機的數據交換功能。

ATmega2560內含UART接口，是異步通信方式，而且能夠全雙工接收和發送數據，其硬件具有TXD發送端和RXD接收端2個引腳。計算機普遍采用USB串行通信接口，而UART采用TTL邏輯標準，故需要電平轉換才能完成數據傳遞。本文采用FT232RL電平轉換芯片，其轉換方式為：主控制器串口—FT232RL轉換芯片—USB接口。串口通信電路如圖10所示。USBDP接入D+，USBDM接入D-，用來傳輸數據。主控制器TXD和RXD分別接入FT232RL芯片的RXD和TXD，從而完成從PC端到主控制器的數據傳遞。

圖10 串口通信電路

6 溫度控制策略研究

溫度控制是FDM型3D打印設備控制系統的重要一部分，對打印質量與效率起著至關重要的作用[7]。本文采用了模糊PID算法，利用模糊規則對傳統PID控制中的系數KP，KI和KD進行調節。相比于傳統PID控制，模糊PID控制更具自適應性與合理性[8]。應用MATLAB里的Simulink模塊建立了溫度的模糊PID控制仿真系統，如圖11所示。

得到的溫度響應曲線如圖12所示。由仿真結果可知，在基于自適應模糊PID控制的溫度控制系統中，噴嘴加熱到205 ℃需要60 s左右，超調量約2.3%，達到穩態值需要130 s左右。該溫度控制系統的響應迅速，魯棒性較強，能夠滿足金屬FDM打印設備的溫度控制要求。

7 結束語

針對金屬FDM 3D打印設備的控制要求，以ATmega2560為主控制器設計了一整套硬件電路控制方案，主要包括ATmega2560最小系統電路、步進電機驅動電路、溫度控制電路和串口通信電路的設計。此外，還針對溫度控制，采用模糊PID算法進行了溫度控制策略的研究，使得溫度控制更加合理。通過在金屬FDM打印設備上的測試，該控制系統方案的實際運行效果良好，能夠對金屬FDM的整個工藝過程實現有效的控制。

圖11 溫度的模糊PID控制仿真系統

圖12 溫度響應曲線