基于逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法水泥構(gòu)件3D打印系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

趙洪河

(山東華宇工學(xué)院 電氣工程學(xué)院 山東 德州 253034)

0 引言

常用的3D打印技術(shù)有熔融沉積快速成型、光固化成型、選擇性激光燒結(jié)、三維粉末粘接等[1]。3D打印設(shè)計(jì)方法是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的3D掃描儀，掃描打印件實(shí)物，完成建模。或者通過(guò)CAD圖紙完成建模。建模完成后，將建模得到的數(shù)據(jù)分成逐層的截面，打印機(jī)通過(guò)這些截面信息，使用3D打印材料完成打印件的打印[2]。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在3D打印廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)療、教育、航空航天、機(jī)加工、模具制造、工程施工等諸多方面。

建筑3D打印是3D打印在建筑方面的應(yīng)用。根據(jù)打印工藝和材料的不同，常用的打印方法有基于材料擠出的打印方法與基于材料選擇性粘黏的打印方法。建筑3D打印起源于1997年美國(guó)學(xué)者Joseph Pegna水泥逐層疊加的建筑方法。2001年，Behrokh Khoshnevis提出輪廓工藝的3D打印建筑方式。這是一種用噴頭擠出水泥打印材料，材料層層疊加，最終形成打印物的建筑方式。2007年，Monolite公司推出了D-shape技術(shù)，這是一種噴頭噴出黏合劑選擇性粘黏建筑打印材料粉末的建造方式。2008年，Bichard Buswell推出了混凝土打印技術(shù)，這也是一項(xiàng)基于水泥等建筑材料擠出成型的3D打印建筑方法[3]。

1 硬件分析

分析設(shè)計(jì)了一種基于擠出技術(shù)的3D打印系統(tǒng)。與常見(jiàn)將打印實(shí)物轉(zhuǎn)化成CAD模型再生成STL類(lèi)程序不同[4]，本系統(tǒng)的工作原理是直接通過(guò)CAD模型編寫(xiě)程序，之后將程序存儲(chǔ)到西門(mén)子PLC中，通過(guò)PLC控制XYZ軸電機(jī)與進(jìn)料電機(jī)，從而完成3D打印機(jī)的控制。而在電機(jī)方面，選用了伺服電機(jī)與伺服控制器，在出料控制中選用伺服電機(jī)控制螺旋桿完成出料。

在電機(jī)選擇方面，因?yàn)榱隙放c噴嘴同時(shí)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量巨大，需要大馬力且控制精準(zhǔn)的電機(jī)。常見(jiàn)的有步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)，但因噴嘴口徑大，噴嘴的運(yùn)動(dòng)速度不宜過(guò)快。步進(jìn)電機(jī)工作在低速狀態(tài)下易出現(xiàn)失步現(xiàn)象，所以系統(tǒng)選取伺服電機(jī)為系統(tǒng)使用電機(jī)。

在控制器方面，選擇西門(mén)子S7-200PLC。S7-200PLC具有價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn)并且可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制需求。對(duì)于西門(mén)子S7-300PLC來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)多軸插補(bǔ)只需要使用多軸定位模板FM357-2。而對(duì)于西門(mén)子S7-200PLC而言，可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)。直線(xiàn)插補(bǔ)時(shí)，可以利用PLC內(nèi)置的脈沖輸出指令，常用的方法有頻率分解法與時(shí)間分割法。頻率分解法是根據(jù)插補(bǔ)直線(xiàn)與坐標(biāo)軸的角度，將原本頻率分解成X、Y兩軸的脈沖頻率，從而執(zhí)行PLC的梯形脈沖輸出指令，實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)插補(bǔ)。

2 軟件設(shè)計(jì)

基于擠出技術(shù)的建筑3D打印系統(tǒng)的工作原理是：通過(guò)打印物體的模型繪制CAD圖紙，根據(jù)CAD圖紙結(jié)合插補(bǔ)算法編寫(xiě)PLC程序。每個(gè)打印件都有自己對(duì)應(yīng)的程序，打印時(shí)，將打印件的程序下載到PLC中，通過(guò)控制XYZ三軸電機(jī)控制噴頭的運(yùn)行路徑，通過(guò)控制噴頭電機(jī)，完成旋桿驅(qū)動(dòng)擠出水泥，從而完成打印件的層層打印。

噴頭打印時(shí)，計(jì)算了中間點(diǎn)(起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的點(diǎn))，噴頭按規(guī)定速度依次通過(guò)所有中間點(diǎn)，并完成打印。而找出適合的中間點(diǎn)辦法叫做插補(bǔ)算法。

插補(bǔ)算法在數(shù)控系統(tǒng)中有著舉足輕重的地位，它決定著整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的總體價(jià)值，所以插補(bǔ)算法一直是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家及各大廠(chǎng)商的研究重點(diǎn)。

插補(bǔ)算法多種多樣，按控制方法可以分成基于硬件控制的插補(bǔ)與應(yīng)用軟件進(jìn)行的插補(bǔ)。按照發(fā)出脈沖信號(hào)或發(fā)出二進(jìn)制編碼又可以分為基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)與數(shù)字增量插補(bǔ)。

基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)每完成一次插補(bǔ)運(yùn)算，都會(huì)向各個(gè)軸發(fā)出脈沖。常見(jiàn)的基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)方法有逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法等。

數(shù)字增量插補(bǔ)的特點(diǎn)是它產(chǎn)生的是二進(jìn)制數(shù)。它的插補(bǔ)算法共兩步，第一步是進(jìn)行粗差補(bǔ)，第二步是進(jìn)行精插補(bǔ)，即在第一步粗插補(bǔ)的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二步的精插補(bǔ)。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)方法有直接函數(shù)法、擴(kuò)展數(shù)字積分法、二階遞歸擴(kuò)展數(shù)字積分圓弧插補(bǔ)法等。

本研究的主要編程原理就是基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)中的逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法，因?yàn)檫@種方法成型時(shí)間長(zhǎng)，有著大量配套資源與相應(yīng)案例。

3 設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程與產(chǎn)品

設(shè)計(jì)分析了一種生產(chǎn)大型水泥構(gòu)件的3D打印設(shè)備(如圖1)，該設(shè)備可以生產(chǎn)多種類(lèi)型的水泥構(gòu)件(如圖2)。

圖1 分析設(shè)計(jì)的3D水泥打印機(jī)Fig.1 3D cement printer based on analysis design

設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程：第一步建模，第二步通過(guò)模型編寫(xiě)所需程序，第三步將程序儲(chǔ)存到PLC中。當(dāng)設(shè)備有打印任務(wù)時(shí)，直接用電腦控制PLC，完成打印工作。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑3D打印是一種高效節(jié)能的新型建筑方式。分析與設(shè)計(jì)了一種生產(chǎn)大型水泥構(gòu)件的基于PLC控制的3D打印系統(tǒng)設(shè)備，并使用。實(shí)際生產(chǎn)證明，該系統(tǒng)設(shè)備可以使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)多種符合實(shí)際應(yīng)用的大型水泥構(gòu)件。