三维打印机中XJ-128喷头驱动控制设计

程 爽，马 海，刘祥谋，熊 烽

（华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074）

0 引言

三维打印是一种逐层打印的生长型快速制造方法。粉末和粘接剂是三维打印机中一种主要的成型方式。其基本过程是在特定的粉材平面上喷射粘接剂，粘接剂液滴的扩展使每一层粉材上的粉末粘接成打印图形，上下两层粉材之间由于粘接剂的渗透作用而粘接。当所有层打印完成之后，去除多余粉末，便可得到三维实体。粉末三维打印由于其成形的任意性、打印材料的广泛性正得到快速的发展和日益广泛的应用。

本文实现了一种基于粉末和粘接剂的三维打印机喷头的驱动控制设计。三维打印机主要由上位机、基于FPGA 的下位机控制板、伺服驱动部分和喷射部分组成。其中上位机完成STL文件的准备、分层及格式转换，人机交互等功能，下位机完成接收并转换分层打印数据、喷射控制、伺服驱动控制等功能。系统总体框图如图1 所示。

图1 控制系统框图

1 喷头控制原理及时序

在三维打印机的硬件构成中，喷头处于核心位置，其技术参数和特性直接影响到三维打印机的工作性能和效率。喷头的制造技术门槛很高，全球只有少数公司能够生产。目前商品化的三维打印机设计中均选择喷绘行业中已应用广泛的喷头。从喷墨原理上分，现行喷头主要有热泡式和压电式两种。压电式喷头不依靠加热，对喷射材料有广泛的适应性，且其对液体控制能力强，可达到精度高，更适合基于粉末和粘接剂原理的三维打印机。

本设计选用在国内喷绘机市场上应用广泛成本较低的英国XAAR 公司XJ-128 喷头。XJ-128是基于压电晶体的按需喷射式喷头，在喷嘴线上均匀分布有128 个喷嘴，其物理分辨率为200dpi[1]。喷头实际分辨率可以通过调整其与打印前进方向X轴之间的偏转角度θ而提高。

喷头外部的工作特性参数影响着打印成型的效果，而其内部的数据处理和控制的原理则影响着控制系统相关逻辑的设计。本设计选用的XJ-128 喷头上共排列有128 个喷嘴，在竖直方向排成一列。这128 个喷孔实际分为ABC 三相依次喷射，每两相之间有固定的时间差。XJ128 内部实际包括两个相同的控制器，nSS1 和nSS2 是其选通信号，低电平时有效表示能够输入数据，实际上是两个移位寄存器，每个控制器各控制64个喷头，控制器1 控制喷头0～63，控制器2 控制喷头64～127。喷射前，控制器需以串行移位方式输入一个128 位二进制数据，每个二进制位的值（0或1）对应一个喷孔在喷射时的状态（不喷或喷）。

XJ128 喷头的接口共有30 个管脚，有用管脚20个，需要外部操作的主要管脚有7 个。nSS1 和nSS2 管脚是内部控制器片选有效信号输入端，SCK 是串行数据移入时钟端，MOSI是串行数据输入口，CLK 是喷头专用的1 MHz 时钟，nFIRE 是喷头点火触发脉冲，READY是用来同步脉冲时序的喷头准备就绪信号。XJ-128数据装载及控制信号时序图如图2所示。

图2 XJ-128数据装载及控制信号时序图

2 喷头控制信号的实现

2.1 控制信号产生模块及步骤

喷头控制信号实现模块的基本思想是在每个模块时钟CLK1的上升沿检测点火脉冲信号nFIRE是否到来，并对该4 MHz的CLK1时钟计数，根据计数值落在的区间设置不同控制信号如nSS2、nSS1、SCK、READY 等的状态，直到计数值满或者下一个点火脉冲nFIRE 到来。其模块图如图3所示。

如图3 所示，当点火脉冲信号nFIRE 下降沿到来时，load拉高，使能两个32位fifo读信号进行读操作，并且使64位移位寄存器进行数据装载操作，并从此开始对该模块的4 MHz 时钟CLK1 计数。第一个点火脉冲信号nFIRE 送入到喷头时喷头内部没有数据但相应的喷孔仍执行一次空喷射。

图3 控制信号产生模块图

在等待2 μs 即两个喷头时钟周期CLK（不同于时钟CLK1）后，READY 信号被置低，表示此时喷头准备就绪可以开始向喷头发送数据了。在READY 信号稳定后，随即nSS2 信号被拉低，表示内部控制器芯片2 被选中有效，开始向其传送喷印数据。此时SCK信号用作64移位寄存器的移位时钟。每一个SCK 时钟周期，寄存器移除一位数据到MOSI口并最终送入到喷头内部。SCK脉冲产生的基本原理是判断CLK1 时钟计数值的奇偶性，相应的将SCK 置低或者拉高，于是产生了二分频于CLK1 时钟的SCK 脉冲，其频率即为2 MHz。

在经过128个CLK1时钟周期后，即依次送完了从高到低128至65共64位数据，此时并不能立刻切换到nSS1有效nSS2无效的状态。依据喷头控制信号时序图，为保证时序的稳定性和正确性，需要设置一短暂的过渡状态。在此状态中，SCK始终维持高电平无效状态。在nSS1保持高电平无效的同时，nSS2也置高。

在过渡状态之后，在CLK1 的第一个时钟将nSS1置低有效，同时保持nSS2高电平不变。同样根据CLK1 计数值的奇偶设置SCK 的高低变化来产生脉冲。其中load 信号再次产生一高电平，使两个32位的fifo一次性送入64位数据到64位移位寄存器中。同样在经过128 个CLK1 时钟周期后，低64位待打印数据被移出寄存器送入喷头中。

在所有128 个数据送完之后，将nSS2 和nSS1都拉高，SCK 置高保持无效，计数值清零，随后READY信号也拉高，等待下一个点火脉冲nFIRE的到来。

2.2 数据位宽的转换

在有大量数据需要进行跨时钟域进行传输且传输速度要求较高的场合，为避免跨时钟域操作而出现系统亚稳态状态，一般使用RAM 或FIFO的方法完成异步时钟域的数据转换[2]。由于XJ128喷头含128 个喷头，两个内部控制器，分别装载64位数据。利用Altera公司提供的LPM可在FPGA芯片上方便的构建出FIFO。设计中将喷头数据在两个交替写使能wr1、wr2 的作用下分别依次写入两个32位的异步FIFO中并在读使能load的控制下输出64位并行数据信号，最后在2 MHz移位时钟作用下经过64位的移位寄存器变为串行喷射数据输出信号，即对应喷头MOSI管脚输入。

设计中采用异步FIFO，即读写时钟相互独立。两个异步fifo 的写使能信号wr1、wr2 交替有效。基于这一交替有效的特性，可以分别使用时钟的上升沿和下降沿作为wr1和wr2的使能。读使能共用一个使能信号load，load 有效时两个fifo 同时将32位喷射数据打到64位并串转换移位寄存器中。

3 点火触发脉冲的获得

3.1 喷头打印区间确立

为保证电机启动和停止的平滑性，送出的驱动脉冲指令频率是通过FPGA 内部设置的查找表而送出的频率渐变信号。故尽管伺服电机的驱动是依靠FPGA 送入的驱动脉冲指令进行的，但不能直接对驱动指令脉冲计数作为喷头点火触发脉冲。

伺服电机在启动和停止过程中的速度是不均匀的，喷头打印需要跳过此段区间。当FPGA 收到开始打印信号时，喷头X 轴运动控制模块发送脉冲指令通过伺服驱动器带动喷头运动，同时检测轴端编码器信号并在设置的可逆计数器中进行计数。利用FPGA 中设置的分频和判向模块可得到电机运动的方向信号dir，并利用此方向信号作为计数器加减的标志位。每次计数完成后将计数器值和保存在打印区域寄存器中的开始值和结束值进行比较，当计数器值位于打印区间时，使能喷头脉冲驱动模块。

3.2 基于位置信号和硬件电路的点火脉冲

三维打印成型中，由于是逐层累加打印，因此对打印区域的重复定位精度要求较高，如喷头两次喷射之间的间隔为μm 量级[3]，否则会出现错层、倾斜等变形而最终导致成型失败。为保证喷头在X 轴方向上的定位及喷射精度，采取如下措施：在将伺服电机设置为位置工作模式情况下，对电机编码器位置信号四倍频后进行计数，当达到计数值时，输出触发脉冲触发喷头喷射，即时序图中nFIRE。利用编码器AB 相位相差90°的原理，可设计四倍频及辨向电路。

此措施从两个方面提高了喷射定位精度。第一，伺服电机速度波动在所难免。利用一定间隔的伺服电机编码器位置信号来触发喷头喷射，这样无论电机转速有何种波动，喷头两次喷射之间的间隔始终均匀一致。第二，本设计中的控制板采用的是FPGA器件。FPGA器件的重要特点是基于硬件逻辑电路的并发性，即不同于一般处理器的是不采用软件方式实现计数，避免了在一般处理器中因为CPU 资源时段的分配和中断处理导致的计数值输出时间不确定的延迟。在FPGA 器件中对编码器脉冲信号计数，计数值满并输出的同时能保证一定有触发脉冲的输出，从而保证了在喷头前进一定距离时总会触发喷头喷射，即喷射位置的准确无误。

4 结束语

文章简要介绍设计的打印机整体控制系统，重点研究了选用的压电式喷头及其驱动时序关系，提出了一种简明的驱动脉冲实现思路。作为文章的创新点，阐述了不同于喷绘机中喷头喷射控制，在三维打印中利用电机编码器脉冲来直接触发喷头喷射。此外在此基础上提及了利用LPM例化的双FIFO 实现喷头数据流暂存和位宽处理。实验表明，产生的喷头控制信号时序准确，喷头能连续稳定的喷射，并且能按照所传送的数据逐层打印，在三维打印试验机上最终得到了打印样品。

［1］XJ128 Guide to Operation［EB/OL］.http：//www.xaar.co.uk/

［2］郝鑫.大幅面彩色喷墨打印机喷头驱动控制电路的设计与实现［D］.西安：西安电子科技大学，2009.

［3］李晓燕.3DP 成形技术的机理研究及过程优化［D］.上海：同济大学，2006.