FDM打印嵌入式控制系统实现方法研究

赵祥丹，葛红宇，李漫漫，顾佳钰，罗茂炫，陈创，安仲帅

（南京工程学院自动化学院，江苏 南京 211167）

0 引言

三维打印由CAD直接驱动，无需CAPP、数控编程等中间过程，能极大缩短零件及产品的研制周期[1-3]；同时，其通过二维层面的加工实现三维结构，极大降低复杂三维结构的加工难度，是当前加工领域的一个重要研究方向。加工控制是3D打印加工的使能与驱动技术，加工精度、集成度、可靠性是该领域研究的主要内容[4-5]。本文采用工业PC结合高性能嵌入式控制器与自主专用集成电路的控制结构，研究低成本、高集成度、高可靠、高速高效，具备在线实时三维加工显示，具备真正意义上的“所见即所得”功能的FDM嵌入式工业控制系统[6-8]。

1 系统控制结构

根据FDM成型加工的工艺过程，本文实现的熔融沉积成型系统控制结构如图1所示。

图1 FDM打印控制的系统结构Fig .1 System structure of FDM controller

系统采用PC结合高性能嵌入式控制器及自制专用集成电路的控制结构，上位控制包括PC机、操作系统及相关驱动电路与程序，实现3维CAD模型的切片处理、数据处理、加工指令下传、打印加工的实时显示等功能；下位的加工控制主要由嵌入式控制系统与打印控制专用IC及支撑电路构成。其中，嵌入式控制系统实现打印扫描运动、丝温控制、喷丝动作、高速串口通信以及指令收发、加工状态获取与发送等功能[9]；专用IC及支持电路接收嵌入式控制系统指令，驱动打印扫描电机、丝温采集、加热等电路，实现打印加工操作。同时送出丝温、行程、极限开关等状态，供嵌入式控制系统或上位的工业PC处理。

表2 打印指令数据的定义格式Table 2 Data format of machining instruction

表3 打印状态数据的定义格式Table 3 Data format of machining status

表4 典型加减速过程运动参数Table 4 Motion parameters of typical acceleration and deceleration process

2 高速串口通信设计

鉴于通信数据量、速度以及实时性、可靠性要求，本文使用通用异步串行通信的全双工多缓冲DMA方式，通信波特率选择2250 kbps以上，设计专门的CRC循环冗余校验程序实现数据校验。

2.1 通信帧格式与数据校验

高速串口通信的数据帧格式如表1所示，包括1字节的帧头66 H、帧尾99 H、帧长、帧类型码，0或2字节循环冗余码与0-66字节的有效数据，最大帧长72字节，最小帧长5字节。

表1 高速串口通信数据帧格式Table 1 Data format for high speed serial communication

根据内容，数据帧分为指令帧与状态帧两类。指令帧传输数据处理得到的打印指令，帧类型码00 H，使用2字节CRC校验字。根据类型不同，单条指令占用数据3-5字节，其格式定义如表2所示。执行XY快移或进给指令时，XY轴联动。

状态数据帧的帧类型码01 H，占用数据1-7字节，格式定义表3所示。传送坐标、喷丝温度与行程开关等数据时，状态帧使用2字节CRC校验字；传送通信出错信息时，不使用校验字，此时数据帧最短，仅包括帧头、帧尾、帧长、帧类型与状态数据40 H，帧长5字节。

CRC校验[10]使用生成多项式X16+X15+X2+1，设置奇/偶校验实现单字节的数据初始校验[11]。

2.2 通信过程的实现

高速串口通信实现两类数据-打印加工指令数据与打印加工状态数据的高速实时传输，分别实现打印指令及状态的传送。

打印指令传送由上位数据处理端的工业PC发起，PC发送，打印控制嵌入式控制器接收；PC端获取切片处理数据，截取加工指令，计算CRC校验码，根据指令帧格式生成并发送指令帧至下位的FDM打印控制端，同时等待打印控制端的响应；打印控制端收到指令，执行数据校验；校验无误，执行指令；校验出错，向PC发出通信出错帧，请求重发；PC端收到请求，将指令帧重送发送缓冲区，重发数据，直至通信完成。

状态传送由打印控制端发起，打印控制端发送，PC接收，传输过程与指令传输类似。状态传送启动，打印控制嵌入式处理器获取状态数据，计算CRC校验码，生成并发送状态帧，等待PC响应；PC获取并校验状态数据，数据无误，更新系统状态显示；校验出错，向打印控制端发出通信出错帧，请求状态重发；打印控制器收到出错信息，重发状态数据直至状态传送无误，状态传送结束。

3 扫描运动控制

XY向打印扫描运动由步进电机实现，专用集成电路内置SPI及电机驱动控制逻辑，写入微秒为单位的脉宽计数值与脉冲个数，电机即按设定值运动[12-15]。电机速度控制通过S曲线加减速实现。假定加加速度恒定值J、初速度V0、时间t，则当前速度Vt为：

受CPU运算能力的限制，应用时对式（1）简化并离散化。假定时刻n，加速度a(n}、时间t(n)、时间间隔Δt(n)、速度V{n}、位移S(n)，Δt足够小，通过递推公式得到各运动参数为：

式中V(n)、V(n-1)、J已知，方便实现，运动使用不连续的分级速度，相邻速度变化量ΔV恒定，即V(n)与V(n-1)差值不变，表4为本文系统的一个典型加减速运动段。其中速度范围为2～26 mm/s，相邻等级速度差值ΔV为2 mm/s，速度初终值为4.24 mm/s，加加速J取值10 mm/s3，脉冲当量0.01 mm。

图2为各运动参数的变化曲线，速度V、加速度a以及位移S符合S曲线加减速变化规律。

图2 典型加减速过程运动参数变化Fig.2 Motion parameters of typical acceleration and deceleration process

4 喷丝温度调节

丝温通过PWM脉冲启停加热实现，系统根据丝温动态调整PWM波的占空比，控制喷丝加热时间占比，实现温度的精确控制。不同占空比PWM波作用下丝温变化曲线如图3所示。根据喷丝温度变化曲线，假定PWM占空比KPWM，喷丝温度变化ΔT可以描述为：

图3 不同占空比PWM波作用下喷丝温升的变化曲线Fig.3 Jet temperature under the control of PWM of different duty cycle waves

求取拉普拉斯变换即得到喷丝温度变化的Matlab模型，在此基础上设计喷丝温度控制的PID控制器如图4所示。图中延迟时间td为9 s，系数KT同公式3，系数KM=0.08KT2+KT，占空比KPWM取值范围0%～90%。

图4 喷丝温度的PID控制器结构Fig.4 Structure of PID controller for jet temperature

仿真结果表明，比例系数KP、积分系数KI分别取值2.5、0.0004时，温度输出的超调量约为3 %，调节时间在300 s左右，稳态误差小于0.5℃，能够满足FDM打印控制的基本要求，取得较好的控制效果，此时输出温度波形仿真结果如图5所示，图中设定温度200℃，采样时间1 s。

图5 输出喷丝温度波形仿真Fig.5 Simulation of jet temperature control

5 FDM打印控制系统软件设计

FDM嵌入式打印控制系统的软件框架结构如图6所示。系统调度和管理程序、显示与触摸控制程序、文件系统及SD驱动程序提供嵌入式处理器片上基础硬件的基本操作；高速数据通信及校验程序接收来自PC端的指令数据，反馈系统运行状况；喷丝控制、丝温检测及控制程序实现打印过程中的丝温控制及喷丝动作；打印运动控制实现两维扫描运动及打印高度的运动控制；同时系统提供文件存储控制功能，实现SD卡上加工文件的操作；除此之外，系统还提供快速定位、开关量检测及控制、显示与触摸控制等辅助功能。

图6 打印控制系统框架结构Fig.6 Control structure of printing system develoed

FDM三维打印的调度与管理程序如图7所示。管理调度程序分为状态转换与状态处理两个阶段。系统启动，首先进入状态转换阶段，系统根据指令类型设置系统状态与相关标志；而后，系统进入状态处理，根据系统状态，执行相应的操作。

Fig.7 Flow chart of the system management program

状态转换阶段，系统执行初始化，设置CPU、定时器、IO等硬件，初始化变量；而后，进入指令/状态处理循环，检索指令、状态与开关信息，根据指令、状态标志，修改系统状态，执行相应处理。根据处理的操作，系统状态分为空闲、加工两种状态。系统设置16位标识寄存器，存储温控、XYZ运动忙、加工暂停、限位等标志。

收到点动、快速定位指令，若无出错及XYZ忙标志，系统更新指令坐标，等待状态处理实现相应位置；收到丝温指令，系统设置新丝温，等待状态处理实现丝温；收到暂停指令，为加工态则置加工暂停标志；收到加工指令，若处于空闲或暂停态且丝温达到指令温度，系统进入加工态；检索到串口接收标志，系统调用通信及校验程序，获取上位机送来的指令及通信状态信息。

状态处理阶段，系统比较当前与指令丝温，相异，设置温控标志，调用丝温控制程序实现指定丝温；相同，清除丝温控制标志；而后判断运行状态，加工态且无状态标志置位，统调用打印加工程序，执行打印加工；打印结束，系统设置空闲态；加工态下有标志位置位，系统向PC端发出错信息，置出错标志，等待干预；非加工态，控制程序比较当前与指令位置，二者一致，清除相应运动忙标志；不一致，调用XYZ运动控制程序实现运动，置位相应轴的忙标志。

6 加工测试实验

采用上述方法实现的FDM三维打印控制系统及加工测试如图8所示。图(a)为FDM 3维打印系统及打印测试，图(b)为下位嵌入式打印控制系统。

Fig.8 Control system for FDM three-dimensional printing

XYZ打印加工运动及喷丝运动通过步距角1.8°的42 HD系列步进电机实现，采用模块A4988驱动；冷端补偿K型热电偶MAX6675执行丝温采集，ALIENTEK 4.3寸TFT集成触摸屏实现加工显示与人机交互；FPGA芯片LFXP2-5实现打印控制专用集成电路，内部集成步进电机、MAX6657的驱动控制电路。嵌入式处理器选用32位ARM Cortex处理器STM32，通过通用SPI接口实现与打印控制专用集成电路、集成触摸屏的数据交换。此外，打印控制专用集成电路内部设计专用开关量输入输出控制电路，包括XYZ轴行程开关、打印状态指示等开关量的编码、缓冲与输入输出。

图9为打印加工实验的CAD模型及完成的实际零件，加工选取的扫描线宽0.31 mm，扫描层厚0.5 mm，所选材料为ABS工程塑料。

图9 FDM三维打印加工实验Fig.9 Machining experiments of FDM three-dimensional printing

7 结论

本文提出并实现了一种工业PC结合高性能嵌入式处理器与专用集成电路的3D打印控制硬件结构，实现了FDM 3D打印加工嵌入式控制系统，内容包括打印控制系统结构与功能框架、高速数据通信协议设计与实现方法，加工运动的加减速方法与实现，喷丝温度PID控制方法及实现。相较于现有系统，本文系统具备以下特点：（1）采用PC结合嵌入式控制系统的结构，系统结构简单，可以兼顾复杂控制与数据处理。（2）加减速利用S加减速并进行了简化，平稳性好、便于实现，硬件要求低。（3）提出的高速通信协议速度高、可靠性好、数据量大，适于加工领域的多种场合。