汪 靜

（甘肅省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730050）

1.引言：快速成型技術(shù)[1-4]集成現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的最新成果，以增材制造為思想，以降維制造為手段，實(shí)現(xiàn)三維原型件或功能件的先進(jìn)制造技術(shù)。當(dāng)前，快速成型技術(shù)基本用于非金屬樣件的加工，然而其加工出來的產(chǎn)品，在機(jī)械、力學(xué)及材料學(xué)等各方面的性能，還不能夠滿足工程上的實(shí)際需求。另外當(dāng)前的快速成型技術(shù)成型的精度比較低有待進(jìn)一步的提高。目前最主要的金屬快速成型裝置多為采用了激光器或者是電子束作為成型的探頭，然而此類設(shè)備的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、功耗較大、壽命卻相對(duì)來說比較短。工業(yè)生產(chǎn)對(duì)提高設(shè)備的成型精度和降低設(shè)備的運(yùn)行成本有十分迫切的需求。因此，基于精密焊接技術(shù)基礎(chǔ)的快速金屬模型、模具的制造是一種非常實(shí)用又制造成本較低的方法, 其研究具有較高的理論意義和很大的實(shí)用價(jià)值。

2.研究?jī)?nèi)容：在金屬高能脈沖熔積快速成型系統(tǒng)中，控制模塊和軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是其核心。主要包括模型建立、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳送、解析、電機(jī)控制模塊。系統(tǒng)采用 ATmega2560核心板為控制器，系統(tǒng)首先采用CAD制圖模塊制作出三維立體模型并導(dǎo)出其G碼，然后通過C#編寫上位機(jī)軟件將G碼傳遞給ATmega2560控制端，ATmega2560可以自動(dòng)解析G碼，從而控制電機(jī)及噴頭的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)三維立體成型?？刂颇K結(jié)構(gòu)原理圖如下圖1-1所示：

圖1-1 控制模塊結(jié)構(gòu)原理圖

2.1 控制電路總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)控制核心采用ATmega2560，系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、噴頭控制、走絲控制、紅外測(cè)溫控制四部分。ATmega2560控制板通過串口與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的G碼后，進(jìn)行傳遞解析并控制相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。此外，固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)噴頭的運(yùn)動(dòng)及溫度控制。紅外測(cè)溫模塊采用MS6520B紅外測(cè)溫槍，紅外測(cè)溫槍主要用于溫度的測(cè)量與顯示?？刂齐娐凡捎肁Tmega2560控制板為核心控制器，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、溫度控制電路相結(jié)合實(shí)現(xiàn)噴頭的運(yùn)動(dòng)及溫度控制?？刂齐娐返暮诵牟糠譃锳Tmega2560，其作用是解析從上位機(jī)端接收到的數(shù)據(jù)（G代碼），生成相應(yīng)的控制信號(hào)，分別控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和SSR固態(tài)繼電器，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)XYZ軸步進(jìn)電機(jī)及噴頭。控制器設(shè)計(jì)如圖2-1所示：

圖2-2 控制器設(shè)計(jì)

2.2 關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金屬高能脈沖熔積快速成型系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要包括：核心控制模塊、USB通信模塊、XYZ軸運(yùn)行控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、限位開關(guān)電路模塊。

2.2.1 核心控制模塊

本系統(tǒng)控制核心采用ATmega2560控制板，通過USB通信模塊與PC通信，接收數(shù)據(jù)并處理，通過控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)噴頭運(yùn)動(dòng)，根據(jù)三維模型快速成型工件。ATmega2560運(yùn)算速度快、精度高，是一種簡(jiǎn)單易用的開源形電子原型平臺(tái)。本研究采用ATmega2560控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴頭、走絲、紅外測(cè)溫動(dòng)作，與PC機(jī)外圍設(shè)備相連，運(yùn)行時(shí)與PC機(jī)上的軟件進(jìn)行通信。

2.2.2 USB 通信模塊

成型機(jī)原型系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)軟件模塊與ATmega2560控制板的交互，通過USB通信模塊來完成。USB通信模塊主要負(fù)責(zé)PC機(jī)端與ATmega2560端的信息傳輸，只需通過一根USB線就可實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換。使其在上位機(jī)中不需根據(jù)情況改變傳送數(shù)據(jù)類型，而直接傳送數(shù)據(jù)，該模塊通過轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)使得上位機(jī)和下位機(jī)能實(shí)現(xiàn)高效通信。由于電腦中并沒有串行UART接口，而ATmega2560控制板只能通過USB轉(zhuǎn)串口電路實(shí)現(xiàn)電腦與電腦之間的通信。接口轉(zhuǎn)換芯片采用FT232RL，可以實(shí)現(xiàn)USB到串行UART接口的轉(zhuǎn)換，也可轉(zhuǎn)換到同步、異步Bit-Bang接口模式。

2.2.3 XYZ 軸運(yùn)行控制模塊

金屬高能脈沖熔積快速成型系統(tǒng)的主體框架由直線光軸搭建，光軸之間用框架腳連接，并將步進(jìn)電機(jī)固定在各軸上。中心的熔積噴頭由ATmega2560控制，X、Y、Z控制系統(tǒng)有四個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)由ATmega2560控制。X、Y、Z軸互為直角，X、Y軸是由同步帶分別接一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來定位，Z軸則是由絲桿控制，通過兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，噴頭由一個(gè)單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)控制。

2.2.4 XYZ 運(yùn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

ATmega2560通過4塊A4988電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來控制系統(tǒng)X、Y、Z軸的移動(dòng)，使控制系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，同時(shí)A4988較小的結(jié)構(gòu)節(jié)省了安裝空間。A4988芯片是一種帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的DMOS 微步驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)芯片通過響應(yīng)ATmega2560發(fā)送的數(shù)據(jù)來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

2.2.5 限位開關(guān)電路模塊

限位開關(guān)是一種電氣開關(guān)，用以限定機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)極限位置。為了避免噴頭部分運(yùn)動(dòng)而碰到系統(tǒng)周圍框架，造成支撐桿和傳動(dòng)帶損壞。在噴頭運(yùn)動(dòng)邊界部分安裝限位開關(guān)，當(dāng)噴頭運(yùn)動(dòng)到極限范圍時(shí)會(huì)觸碰到限位開關(guān)，從而使電路斷開，及時(shí)保護(hù)系統(tǒng)。

2.3 通信軟件部分

通信軟件是一套由C#編寫的上位機(jī)控制軟件，它與ATmega2560通過串口進(jìn)行通信，并且將需要成型的三維圖像信息轉(zhuǎn)換成可以識(shí)的G代碼，并將其傳輸給ATmega2560。本部分通信軟件的開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio2010，采用C#為開發(fā)語言，通信方式通過USB進(jìn)行串口通信。通信軟件工作的方式首先對(duì)電路板進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)方式為手動(dòng)控制，可以通過改變X、Y、Z軸的坐標(biāo)參數(shù)來控制快速成型機(jī)的運(yùn)動(dòng)。其次進(jìn)行實(shí)物打印，設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)方式為自動(dòng)發(fā)送，打開串口，控制軟件可以將模型編輯器生成的G碼通過串口自動(dòng)發(fā)送給ATmega2560。單片機(jī)對(duì)G碼進(jìn)行解析，從而控制X、Y、Z軸的電機(jī)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)環(huán)節(jié)中，ATmega2560編程采用IDE編程軟件，其界面友好，編程簡(jiǎn)單，而且是開放源代碼的軟件，它還免費(fèi)提供了豐富的函數(shù)庫可以隨時(shí)調(diào)用。并且只需要一根USB線就可以將編寫好的程序方便的下載。C#編程采用Microsoft Visual Studio2010進(jìn)行編程，它不僅具備操作簡(jiǎn)單、使用方便、易于編程與下載的功能，還具有集成的開發(fā)環(huán)境、上位機(jī)控制和實(shí)時(shí)測(cè)試的功能。

2.4 CAD 成型軟件接口

系統(tǒng)首先使用CAD繪圖軟件畫出所要成型件的CAD模型，然后用G碼轉(zhuǎn)換器把CAD模型轉(zhuǎn)換成G碼。再使用G代碼傳輸軟件讀取G碼，并把G碼信息解碼后通過串口傳送給ATmega2560完成相應(yīng)控制動(dòng)作。下圖中的2-1為CAD模型設(shè)計(jì)，2-2為G代碼傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

圖2-2 CAD 模塊設(shè)計(jì)

圖2-3 G代碼傳輸?shù)缴衔粰C(jī)

左圖直接將需要成型的模型生成G代碼文件，然后G代碼文件經(jīng)過右圖打印機(jī)控制軟件傳送給ATmega2560，ATmega2560控制板可以自動(dòng)解析G代碼，從而控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速成型。

總結(jié)：對(duì)金屬高能脈沖熔積快速成型系統(tǒng)的核心控制部分進(jìn)行了詳細(xì)研究與實(shí)現(xiàn)，完成了核心控制電路的設(shè)計(jì)以及通信模塊的設(shè)計(jì)。完成了ATmega2560核心控制器與C#通信軟件的編程。實(shí)現(xiàn)了CAD成型軟件接口通過ATmega2560的G碼解析執(zhí)行，并將其發(fā)送到上位機(jī)軟件，控制器可以很好的控制步進(jìn)電機(jī)和噴頭動(dòng)作。

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