［毛磊 郭曉金］

基于Linux的FDM型3D打印機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

［毛磊 郭曉金］

設(shè)計(jì)了基于Linux平臺(tái)的FDM型3D打印機(jī)系統(tǒng)。通過電腦輔助工具CAD對(duì)3D模型進(jìn)行數(shù)字切片，并將這些切片數(shù)據(jù)傳送到3D打印機(jī)上，打印機(jī)將高溫熔融的材料轉(zhuǎn)換成一系列連續(xù)薄型層面逐層堆積起來，直到一個(gè)物體成型。詳細(xì)介紹了3D打印機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試，能實(shí)現(xiàn)3D打印。

Linux FDM 3D打印機(jī) CAD 數(shù)字切片

毛磊

重慶郵電大學(xué)，信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在讀碩士研究生，主要研究方向：嵌入式軟件開發(fā)。

郭曉金

重慶郵電大學(xué)，信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：光纖傳感技術(shù)，光通信器件。

引言

3D打印技術(shù)（3D Printing），也稱為快速成型技術(shù)，它是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用可粘合材料一層層打印來制造三維物體，不受零件復(fù)雜程度限制，無需開模具［1］。隨著近年來3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展，3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，而對(duì)于普通用戶，3D打印技術(shù)應(yīng)用還未得到普及，其主要原因是現(xiàn)在市面上針對(duì)個(gè)人用戶3D打印機(jī)大多數(shù)都采用價(jià)格低廉的單片機(jī)作為主控器，頻率低，外設(shè)少，以至于該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度慢，且缺乏很好的人機(jī)交互界面，非技術(shù)人員操作困難，調(diào)試也相對(duì)復(fù)雜，由于無法運(yùn)行操作系統(tǒng)，導(dǎo)致該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性很差，工作不穩(wěn)定，對(duì)后期的系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)帶來困難。因此本文設(shè)計(jì)了基于Linux平臺(tái)的FDM桌面型3D打印機(jī)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)總體框架

1.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

FDM型3D打印具有精度高、成型實(shí)物強(qiáng)度高、建模容易、成本低等特點(diǎn)。同時(shí)，F(xiàn)DM系統(tǒng)不需要價(jià)格較高的激光器，其原型也非常符合空隙結(jié)構(gòu)，而且污染低噪音小，是理想的桌面打印系統(tǒng)［2］。該系統(tǒng)常用于制造各種模具、模型；設(shè)計(jì)新產(chǎn)品樣機(jī)、鑄造用模件；實(shí)驗(yàn)原型設(shè)計(jì)；高端制造業(yè)領(lǐng)域功能測(cè)試等。該系統(tǒng)采用Qt開發(fā)工具開發(fā)的圖形界面，具有模型顯示控制、參數(shù)設(shè)置、支持添加等功能；同時(shí)系統(tǒng)擁有較高的打印精度和優(yōu)良的穩(wěn)定性。本文中所述的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)類型屬于三角式結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的矩形盒式結(jié)構(gòu)相比，其打印速度更快，打印精度更高，體積更小，更適合桌面使用。

1.2系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)的核心CPU選用三星公司基于ARM9內(nèi)核的S3C2440處理器。控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)加熱裝置、步進(jìn)電機(jī)、送料機(jī)、顯示模塊等部分的控制，以及實(shí)時(shí)接收溫度傳感器的數(shù)據(jù)和觸摸屏的輸入數(shù)據(jù)。電源電路為系統(tǒng)提供3.3V、12V直流電壓，保證系統(tǒng)正常工作。顯示模塊可以查看整個(gè)系統(tǒng)的信息，以及通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的手動(dòng)控制，隨時(shí)修改運(yùn)行參數(shù)。三路步進(jìn)電機(jī)的功能是帶動(dòng)操縱連桿上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打印頭位移的變化。打印頭定位精度可達(dá)0.01mm，最大運(yùn)行速度可達(dá)200mm/s。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打印頭的溫度，保證溫度在正常的工作范圍內(nèi)。電腦首先使用第三方軟件將3D模型進(jìn)行一系列切片后，將切片信息傳送到控制系統(tǒng)上。控制系統(tǒng)啟動(dòng)加熱裝置，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到加熱裝置和出料機(jī)噴嘴處溫度達(dá)到預(yù)定值后，會(huì)自動(dòng)輸送材料到出料機(jī)，加熱裝置將其熔融?？刂葡到y(tǒng)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)切片數(shù)據(jù)確定各電機(jī)行程，進(jìn)而控制3個(gè)操縱桿位移，由3個(gè)操縱桿綜合位移來確定出料機(jī)噴嘴的位置，最終準(zhǔn)確定位材料的落點(diǎn)。3個(gè)限位開關(guān)安裝在操縱桿的頂部，系統(tǒng)復(fù)位時(shí)滑塊碰上對(duì)應(yīng)的限位開關(guān)，電機(jī)立即停止工作，以此來確定打印頭起始坐標(biāo)，同時(shí)保證各操縱桿在安全的范圍內(nèi)移動(dòng)。系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和文件傳輸，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框架

2　軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)軟件支持遠(yuǎn)程打印、脫機(jī)打印等功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想采用多線程并發(fā)機(jī)制，提高了軟件的運(yùn)行效率，控制系統(tǒng)主要模塊包括溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控、步進(jìn)電機(jī)控制、數(shù)據(jù)分析處理。系統(tǒng)初始化主要是對(duì)定時(shí)器初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊初始化、打印機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)配置等。初始化完成后，系統(tǒng)將創(chuàng)建三個(gè)線程分別實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)控制，數(shù)據(jù)讀取處理，軟件主流程圖如圖2所示。

溫度控制系統(tǒng)主要控制打印頭的溫度，保證打印頭能夠熔化打印材料，使打印材料能順利從噴嘴里擠出，同時(shí)溫度不能上下起伏變化過大，否則溫度過低容易造成噴嘴不能順利吐絲，過高導(dǎo)致打印件嚴(yán)重變形。

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要根據(jù)控制指令來控制三個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)最終帶動(dòng)打印頭的移動(dòng)，同時(shí)也控制送料機(jī)部位的步進(jìn)電機(jī)，此步進(jìn)電機(jī)主要完成對(duì)打印頭的送料工作。

數(shù)據(jù)接收處理部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它主要是對(duì)接收數(shù)據(jù)指令進(jìn)行解析，得到電機(jī)控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)所需的指令。

2.1步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)頻率不能過快，如果啟動(dòng)脈沖頻率高于電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率，電機(jī)將不能正常啟動(dòng)，而導(dǎo)致啟動(dòng)失步和起停段沖擊大等現(xiàn)象［3］。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，步進(jìn)電機(jī)必須以低脈沖頻率啟動(dòng)，因而步進(jìn)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過程中需要有加速、勻速、減速的過程，如圖3所示速度變化梯形圖。軟件設(shè)計(jì)中定義了一個(gè)BLOCK數(shù)組，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊里包含加速，勻速，減速，運(yùn)動(dòng)方向等信息。電機(jī)控制系統(tǒng)通過改變定時(shí)器的初始值來調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)速度，首先獲取BLOCK1里的初始速度開始加速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)加速步數(shù)完成后，再以恒定的速度開始運(yùn)轉(zhuǎn)直到勻速步數(shù)結(jié)束，之后開始減速直到達(dá)到總的步進(jìn)數(shù)，接著再讀取BLOCK2的數(shù)據(jù)，為以同樣的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，如果沒有BLOCK數(shù)據(jù)到來，電機(jī)就會(huì)停止工作。

圖 2 軟件主流程圖

圖 3 步進(jìn)電機(jī)速度變化梯形圖

為了保證步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)作過程中的連貫性，防止出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，在軟件中每獲取一個(gè)新的BLOCK，需要重新計(jì)算所有梯形塊，保證速度的無縫銜接，其關(guān)鍵程序如下：

planner_reverse_pass（）；

planner_forward_pass（）；

planner_recalculate_trapezoids（）；

2.2溫度控制系統(tǒng)

由于溫度傳感器采用的是NTC熱敏電阻器件作為溫度檢測(cè)，其電阻與溫度關(guān)系滿足Rt =R*EXP（B*（1/T1-1/T2），其中Rt為T1溫度下的熱敏電阻的阻值，R為T2常溫下的標(biāo)稱阻值，B為熱敏電阻的重要參數(shù)［4］。顯然其電阻-溫度特性不滿足線性關(guān)系，計(jì)算起來非常復(fù)雜，因此在軟件中建立了R-T對(duì)照表，直接通過查表得方式獲取溫度值，大大降低了軟件運(yùn)算量。

溫度控制系統(tǒng)通過每隔20ms讀取溫度傳感器上的電壓模擬量，通過計(jì)算轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再根據(jù)R-T表將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為溫度值，與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。打印機(jī)在工作的時(shí)候需要保持打印頭溫度的穩(wěn)定，如果溫度變化太大就容易導(dǎo)致吐絲不均，打印失敗，因此軟件設(shè)計(jì)中采用了PID算法［5］進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，從而有效地降低了溫度的上下漂移，提高打印件的質(zhì)量。

2.3坐標(biāo)定位

3D打印機(jī)在打印過程中，打印頭需要精準(zhǔn)的定位，首先軟件要獲取當(dāng)前的A（x,y,z）坐標(biāo)，然后獲取數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)的目標(biāo)坐標(biāo)A'（x',y',z'），利用空間直角坐標(biāo)系空間兩點(diǎn)之間的直線距離公式，可以算出打印頭需要移動(dòng)的位移，其中（x-x'）表示x軸移動(dòng)位移，（y-y'）表示y軸移動(dòng)位移，（z-z'）表示軸移動(dòng)位移，此處算法雖然可以讓打印頭移動(dòng)到目標(biāo)位置，但無法確定其運(yùn)動(dòng)軌跡，因?yàn)槿鞘浇Y(jié)構(gòu)的3個(gè)步進(jìn)電機(jī)安裝位置并不在x，y，z軸上，因而3個(gè)軸的移動(dòng)位移不代表3個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位移，為此在軟件設(shè)計(jì)中加入了線性插值算法［6］，使打印頭移動(dòng)過程近視為一條直線。其工作原理是在目標(biāo)位置與當(dāng)前位置的直線軌跡上等距離地插入若干節(jié)點(diǎn)，打印頭從當(dāng)前位置開始移動(dòng)時(shí)，將一系列節(jié)點(diǎn)作為臨時(shí)目標(biāo)位置，打印頭依次遍歷整條線段上的臨時(shí)節(jié)點(diǎn)，最終定位到所設(shè)定的目標(biāo)位置，所插入的節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，運(yùn)動(dòng)軌跡越接近直線，打印件的表面也就越光滑，同時(shí)計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)增大，所以插入的節(jié)點(diǎn)數(shù)量要適當(dāng)。

3　系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，開始運(yùn)行軟件進(jìn)行測(cè)試。軟件啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接狀況，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)自動(dòng)連接服務(wù)器檢查是否需要更新軟件。

如圖4所示為UI主界面，打印機(jī)在打印過程中會(huì)實(shí)時(shí)在界面上顯示當(dāng)前打印頭坐標(biāo)，打印頭溫度，散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，打印頭移動(dòng)速度，用戶可以方便對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行查看，同時(shí)用戶還可以對(duì)溫度，風(fēng)扇速度，打印頭坐標(biāo)位置和移動(dòng)速度進(jìn)行手動(dòng)控制，通過對(duì)打印機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)整，得到更好的打印效果，圖5是3D打印機(jī)打印效果圖。

圖4　3D打印機(jī)軟件系統(tǒng)主界面

圖5　3D打印機(jī)打印效果圖

4　結(jié)束語

本文基于linux平臺(tái)設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)能完美的實(shí)現(xiàn)3D模型打印，適合用于打印單一材質(zhì)的裝飾品，機(jī)械零件，辦公用品，兒童玩具。用戶操作簡(jiǎn)單，選擇脫機(jī)打印時(shí)，用戶只需將放有3D文件的U盤插入該設(shè)備上，然后打開文件管理選擇需要打印的文件，打印機(jī)便開始自動(dòng)打印，遠(yuǎn)程打印時(shí)，系統(tǒng)接收以太網(wǎng)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，執(zhí)行打印操作。3D打印機(jī)目前也有些缺陷，對(duì)打印材料有較高要求，

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10.3969/j.issn.1006-6403.2016.06.013

（2016-05-17）