（材料加工工程专业论文）熔丝沉积成型控制系统及工艺的研究.pdf

i 摘 要 快速成型技术是九十年代发展起来的一项高新技术具有非常广阔的应用前景 但是国内企业应用快速成型技术依赖国外生产的设备导致应用成本高昂影响了快 速成型技术在国内的推广和应用熔丝沉积fdm快速成型设备不使用激光器因 此其运行成本低且其加工效率高制件的强度大因此研究和开发国产化的熔丝 沉积快速成型设备具有重要的意义 熔丝沉积快速成型涉及到机械数控高分子材料和计算机等技术本文主要研 究熔丝沉积成型的控制系统和分析在 fdm 工艺成型过程中影响成型件精度的因素 在本中心研制 hrp 系列快速成型设备的基础上fdm 设备借鉴以往的经验基 于单台 pc 机和通用型控制板卡配合模块化的软件系统以开放式总线结构作为数 控系统的整体结构 在设计 fdm 设备控制系统时按照开放式数控系统对于稳定性安全性实时 性和通用性的要求采用高性能的 windows nt 操作系统作为 fdm 设备的工作平台 设计了 fdm 控制系统设备层硬件结构及驱动程序设备层硬件结构包括位置控制系 统送丝电机可调速控制系统和温度控制系统的设计 最后通过做大量的实验分析了 fdm 工艺在成型过程中影响成型件精度的因 素结合实验提出了许多切实有效的提高其精度的措施在熔丝沉积工艺中有较高 的应用价值 关键词快速成型 熔丝沉积 硬件结构 精度 ii abstract rapid prototyping (rp) technology is a kind of advanced manufacturing technology developed in the last 20th, which has very good application prospect. but majorities of enterprises applying rp tech have to import the advanced rapid prototyping equipments that are very expensive which limit the wide usages of the rapid prototyping technology in china. the fused deposition modeling (fdm) device has no laser, so the equipment is cheaper, plus its high efficiency and high accuracy, it is significant to research and develop the fdm device. fdm tech is related to technologies of mechanics, cnc, macromolecule material and computer science. in this article, the control system of fdm hrpr-i device and factors influencing the precision of the manufacturing parts in the process of machining of fdm were presented in detail. the research of fdm device is developed referencing the research experiences of developing series of hrp device. the fdm device is base on a single pc and universal control card. applying the modulated software system and open bus structure, the fdm system is designed. satisfied to the demand of the stability, security and real-time, windows nt is applied as the software platform of hrpr-i, and the hardware structure of the control system and the device driver program was developed. the hardware structure includes the driver control system, speed adjustable of dc motor control system and temperature control system. lastly, according to the test result, the factors influencing the precisions of the manufacturing parts in the process of machining were presented in detail. a series of measurement for improving the precision are also put forward, which have been used successfully in the fused deposition modelling processing. key word: rapid prototyping fused deposition modeling hardware structure precision 1 1 绪论 快速成型rapid prototyping简称 rp技术是九十年代发展起来的一项高新技 术它基于离散/堆积的原理1综合利用激光数控cad精密机械和新材料等学 科和技术发展起来的一项高新技术rp 技术在不需要任何专用的刀具模具及工装 夹具的情况下可将任意复杂形状的设计方案直接快速准确的转换为三维的实体 模型或样件这就是 rp 技术所具有的潜在的革命意义23在这种加工过程中材料 处在一个逐点或逐层堆积的过程中属于材料堆积型制造技术也称为增加加工 方法additive manufacturing生长型制造incrmental manufacturing它一直贯彻 了一种降维的思想即将一个物理实体的制造由复杂的三维加工离散成一系列简 单的二维层片的加工这就大大降低了其加工难度并且在成型过程它的成型难度 与待成型实体的形状和结构的复杂程度基本无关突破了复杂形状的限制从而能 够用一种统一的 自动的方法来加工各种形状的三维实体模型4目前rp 技术 作为研究和开发新产品的有力手段已发展成为一项高新制造技术中的新兴产业 它 在家用电器汽车玩具轻工产品建筑模型医疗器具航空航天电影制作 等领域都得到了广泛的应用并已经成为企业新产品设计开发生产的一种关键的 共性技术5 当前世界上最流行的 rp 技术有立体光刻stereolithographysla分层实体 制造laminated object manufacturinglom熔丝沉积成型fused deposition modelingfdm选择性激光烧结selective laser sinteringsls等工艺方法6 fdm 快速成型系统与 slalomsls 等系统的最大区别在于 fdm 没有采用激光 系统因此可以把成本降到最低7 1.1 fdm快速成型技术简介及国内外发展概况 1.1.1 fdm快速成型技术简介 熔丝沉积成型 fused deposition modeling 简称 fdm 是快速成型技术中的一种 其工作原理如图 1.1 所示 2 图 1.1 fdm 系统的原理图 该系统主要包括喷头送丝机构运动机构加热工作室工作台 5 个部分工 作时先确定各层间距路径宽度计算机对计算机模型进行切片生成路径然后 在计算机控制下喷头按路径移动出丝喷丝粘结在工作台上已制作层面上如此反复 逐层制作 直至最后一层 这样熔丝粘结形成所要求的实体模型 其中喷头是最关键 最复杂的部分材料在喷头中被加热熔化喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的 压力挤出喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动时挤出材料与前一层粘结并在空气 中迅速固化如此反复进行即可得到实体零件它的工艺过程决定了它在制造悬臂 件时需要添加支撑,这点与 lom 和 sls 完全不同现在的 fdm 快速成型系统一般 都采用双喷头独立加热一个用来喷模型材料制造零件另一个用来喷支撑材料做支 撑两种材料的特性不同制作完毕后去除支撑相当容易8 fdm 是各种快速成型工艺中发展速度最快的一种目前它已成为快速成型技 术研究的热点9它主要有以下特点 1成型设备简单成本低廉fdm 快速成型系统是以电加热的方式将成型材 料加热到熔融状态来成型的不需要高成本件激光器因此大大简化了设备使之成 本降低 2成型过程对环境无污染fdm 工艺所用的成型材料一般为无毒无味的热 塑性材料因此对环境不会造成污染且设备运行时噪音也很小 1.1.2 fdm快速成型技术国内外发展概况 fdm 由美国学者 scott crump 博士于 1988 年率先提出随后于 1991 年开发了第 送丝机构 加热室 支撑材料喷嘴 支撑 模型材料喷嘴 模型 基底支撑 升降工作台 3 一台商业机型美国 stratasys 公司生产的 fdm 系列设备目前已成为销售业绩最好的 快速成型系统 stratasys 公司的 fdm 快速成型系统的销售量在 1997 年已经名列前茅 1998 年该公司的 fdm 系列共销售 270 台占全球快速成型设备总销量的 43% 居世 界第一迄今fdm 快速成型设备在全世界的销量已经超过 1000 台中国大陆和香 港的拥有量已超过 60 台10 国外研究熔丝沉积成型 fdm 的公司主要有 stratasys 公司和 medmodeler 公司 stratasys 公司于 1993 年开发出第一台 fdm-1650台面为 250mm250mm250mm 机型后先后推出了 fdm-2000fdm-3000 和 fdm-8000 机型其中 fdm-8000 的 台面达 457mm457mm610mm引人注目的是 1998 年 stratasys 公司推出的 fdm-quantum 机型最大成体积为 600mm500mm600mm由于采用了挤出头磁 浮定位(magna drive)系统可在同一时间独立控制两个挤出头因此其成型速度为过 去的 5 倍 stratasys 公司 1998 年与 medmodeler 公司合作开发了专用于一些医院和医 学研究单位的 medmodeler 机型使用 abs 材料并于 1999 年推出可使用聚脂热塑 性塑料的 genisys 型改进机型- genisys xs, 其成体积达 305mm203mm203mm 熔丝材料方面目前主要采用 abs人造橡胶铸蜡和聚脂热塑性塑料1998 年澳大利亚的 swinburn 工业大学 研究了一种金属-塑料复合材料丝 1999 年 stratasys 公司开发出水溶性支撑材料有效地解决了复杂小型孔洞中的支撑材料难以去除的 难题 快速成型软件方面stratasys 公司开发了对 fdm 快速成型系统的 quickslice6.0 和对 genisys 系统的 autogen3.0 软件包采用了触摸屏使操作更加直观helisys 公司开发了面向 windows 2000 的 lomslice 软件包新版本增加了 stl 可视化纠 错布尔操作等功能故障报警更完善solid concepts 公司开发了 solidview3.0 软件 包clemson 大学研究了通过对参数曲面的切片产生参数曲线的分层边界利用这 种参数曲线控制快速成型系统11 我国 rp 技术早期以引进技术为主据报导我国至今已有数十家企业或机构从 国外引进 rp 机器加快了企业的新产品开发取得了巨大的经济效益但由于引进 价格昂贵如美国 3dsystem 公司生产的 sla250 系统售价 20 万美元sla500 价格 高达 40 万美元texas dtm 公司的 sls 设备 sinter station 2000 售价约 50 万美元 加之易损件和材料也依靠进口使生产成本过高往往是国内企业难以承受的如上 述 sinter station 2000 所用的激光头为易损件大约每两年要更换一次每个售价约 3 4 万美元fdm 技术所使用的耗材 abs 塑料丝每公斤约 200 美元12这就大大限制 了 rp 技术在中国的普及和发展 为了解决中国制造业对 rp 的迫切需求 1991 年以来 在中国政府资助和支持下 一些高等院校和科研机构积极开展 rp 研究并取得了较大的进展 目前清华大学西安交通大学华中科技大学原华中理工大学和北京隆源 自动成型系统有限公司都先后研制了 rp 设备并已达到或超过国外同类型的水平 其中华中科技大学已商品化的快速成型设备有 slasls和 lom 等目前正在开 发研制 fdm 设备河北工业大学大连理工大学哈尔滨工业大学天津大学等数 百家高等学院的科研机构也购买了 rp 设备正在开展工艺材料和应用方面的研究 河北工业大学目前已研制成功 fdm 工艺中 abs 材料丝的改性 国家 863 计划子项 并已达到国际同类产品的先进水平 国内的家电行业是对快速成型技术反应最为敏捷的行业广东的美的华宝科 龙江苏的春兰小天鹅青岛的海尔等都先后采用快速成型系统来开发新产品 收到了很好的经济效果 目前部分国产 rp 设备已接近或达到世界同类产品的水平价格却便宜得多 材料的价格则更加便宜我国已初步形成了 rp 设备和材料的制造体系中国机械工 程学会下属的快速成型技术委员会的活动也非常活跃近年来在国家科学技术部的 支持下我国已经在深圳天津上海西安南京重庆武汉等地建立一批向企 业提供快速成型技术的服务机构并开始起到了积极的作用推动了快速成型技术在 我国的广泛应用使我国 rp 技术的发展走上了专业化市场化的轨道为国民经济 的发展作出了贡献 1.2 目前fdm数控系统发展状况 数控系统是数控设备的数据处理和控制电路以及伺服系统的总称13包含了机 械电力电子控制和软件工程等多门学科一套好的快速成型控制系统必须具 备以下特点 1控制系统必须在机械结构能够承受的条件下提供足够的运行速度 2实时获取物体高度并以此高度进行切片获取下一层的切割轮廓曲线 3控制系统必须具备机电一体化并具备各种故障诊断和部分修复功能 4满足一个或多个序列的多轴联动 5 5具有各种相关辅助功能以配合轮廓切割运行 半个世纪以来随着科学技术的发展制造技术的进步数控系统已由专用的计 算机硬件数控发展为超大规模集成电路微处理器为核心的计算机数控也称为计算机 软件数控目前数控系统主要有 5 种结构 1专用结构 这种结构以 fanuc 和 siemens 两大公司为代表这种结 构的优点是系统整合较好具有较高可靠性缺点是开放性和扩展性不好 2pc 嵌入 cnc 系统 fanuc160siemens840 是这种结构数控系统 的典型这种系统开放性有所提高但硬件成本也相对增加 3cnc 专用模板嵌入 pc 这种系统由 cnc 完成基本数控功能由 pc 机 完成过程控制模式控制等高级控制功能增强了整个数控系统的功能典型的代表 是 pc 加美国 delta tau 公司的 pmac 4 通用接口板pc 这种结构硬件比较简单 控制比较灵活 开放性较好 其代表是华中 i 型快速成型控制系统 5软件 cnc 系统 这种系统的最大特点就是用软件代替硬件完成大部 分控制功能设置包括一些专门的控制信号产生也用软件来模拟完成这种系统的硬 件只包括一些最基本的 i/o 模块 1.3 课题的意义 我国 rp 研究工作起步于 90 年代初早期以技术引进为主为了发展国产化的快 速成型系统推广应用快速成型技术华中科技大学从 1991 年开始在政府的支 持下开始进行 rp 技术研究1994 年开发成功 lom 样机到 1997 年就向市场推出商 品化的 lom 成型设备到 2000 年推出商品化的 sls 成型设备然而这些 rp 设备 它的一个共同点就是都必须采用高成本件激光头因此这些国产化的 rp 设备 成本虽然比进口 rp 设备大大降低了但相对来说成本还是较高而 fdm 工艺它不 需要激光头设备成本大大降低为了进一步加快快速成型技术的发展应用降低 设计生产成本降低国内企业应用快速成型技术的门槛华中科技大学快速成型中 心依托本校资源借助在研制 lomsls 快速成型设备中的经验研制开发了低成 本的 fdm 快速成型设备 而控制系统又是 fdm 快速成型系统的核心部分 控制系统 的实现方式多种多样根据目前的发展来看控制系统最重要是必须能实现模块化 通用化和标准化因此设计开发符合实际要求的 fdm 控制系统就变得十分关键了 6 而成型件的精度也是影响 fdm 能否广泛应用的一个重要因素因此如何提高成型 件的精度也就变得十分重要了 1.4 本文的主要工作及章节划分 本文对fdm快速成型系统进行了系统的分析 论述了fdm数控系统的整体结构 即开放式的总线结构并设计开发了控制系统的软件整体结构根据开放式总线结构 的模块化和通用性要求设计开发了 fdm 快速成型系统的设备层控制系统及设备驱动 程序 设备层控制系统包括位置控制系统 送丝电机可调速控制系统和温度控制系统 最后介绍了 fdm 工艺的出丝过程分析了在成型过程中各种因素对成型件精度的 影响结合实验提出了提高成型件精度和表面质量的有效措施对熔丝沉积成型工 艺有很大的应用价值 第一章主要是课题的综述介绍了本课题的相关背景和国内外的发展状况以及本 课题的研究意义 第二章介绍了熔丝沉积成型的数控系统整体结构 结合 windows nt 的运行机制 简单介绍了 fdm 控制系统的软件设计 第三章根据控制系统开放式总线结构的模块化和通用性要求设计开发了 fdm 设备层控制系统详细介绍了控制系统的各控制子系统的设计从 fdm 精度和成本 出发位置控制系统选择了开环结构送丝电机可调速控制系统选择了半闭环控制 温度控制系统选择了全闭环控制最后简单介绍了控制卡的特点和应用以及驱动程序 的设计 第四章介绍了 fdm 工艺的出丝过程分析了在成型过程中各种因素对精度的 影响结合实验提出了提高成型件精度和表面质量的相应措施 第五章为全文总结和进一步研究展望 7 2 fdm控制系统整体结构 本章首先分析比较了目前 fdm 快速成型设备控制系统的几种基本结构选择了 基于 pc 的开放式总线结构作为本系统的整体结构根据开放式总线结构的模块化和 通用性要求和 windows nt 的特性设计开发了 fdm 控制系统的软件结构 2.1 fdm数控系统结构 目前 fdm 快速成型系统中的控制系统都是基于 pc 的数控系统其结构类型主 要有以下 3 种 1上下位机结构的控制系统 这种控制系统采用了两级分布式控制结构第一级为上位机由一台商用 pc 机 组成运行于 windows 操作系统第二级为下位机由一台工业控制计算器组成运 行于 dos 操作系统上位机负责资料切片等处理下位机负责数控14通信方式有 网络通讯和串口通讯两种方式15硬件组成框图如图 2.1 所示 上下位机之间传输的信息包括加工数据和实时数据实时数据主要是指突发性 信息联络协调信息和人工干预信息等数据量少而简单但实时性要求很高此类 数据通过串口传输加工数据传输量大实时性要求不是特别高采用基于 ipx 协议 的网络通信来实现这类结构有如下优点一是开放式结构上位机和下位机并没有 被限制在一起它们之间只通过一定的通讯协议进行数据传递上下位机都能从硬 网卡 商用 pc 机 网卡 internet 工 业 控 制 计 算 机 运动控制 d/aa/d 转化 开关量输入输出 串口通讯 图 2.1 上下位机控制系统结构图 8 件和软件上进行扩展实现功能增加和性能改进二是重构性和扩展性好由于开放 式数控系统采用模块化结构可根据功能的需要重新进行硬件配置具有相当的柔性 度三是可实现远程制造由于网络技术的利用使得远程控制成为可能可以拉大 上位机与下位机之间的距离上位机位于环境优雅的办公室下位机位于生产现场 其缺点是这样的结构造成控制系统硬件结构比较复杂还需要上下位机之间的串 口或网络连接调试安装比较繁琐 2nc 专用模板嵌入微机系统 nc专用模板嵌入计算机系统结构是在工业控制pc机的扩展槽中插入cnc专用 模板工业 pc 做非实时处理实时控制由 cnc 专用模板来完成16 nc专用模板嵌入pc系统在快速成型中的一个典型应用是cnc专用模板采用美 国 deltatau 数字元公司的 pmac 控制板17pmac 板是功能很强大的运动控制板 能同时操纵 18 个轴另外 pmac 板还有一些独特的功能功能强大的轨迹控制算 法安全性保障措施由工业 pc 机完成数据处理和图形显示功能轨迹控制都交给 pmac 板来完成此外还有 cnc 专用模板用数字元信号处理器dsp来完成的 一个例子是采用美国德州公司 dsp 芯片 tms320f206 作为系统的核心18可以实现 高速度高精度运动控制这种系统的优点是能充分利用专用 cnc 控制板强大的轮 廓控制能力同时 cnc 专用模板性能可靠稳定和控制精度很高另外软件的通用 性强而且编程处理灵活方便容易扩展这种系统结构简单但 cnc 专用模板的 价格非常高造成整个控制系统的成本相对较高19 3基于开放式总线结构的单微机系统 随着计算机技术的发展软件和硬件技术都较过去有了很大的进步一是 windows 操作系统以其功能强大接口友好操作简单而逐步代替 dos 操作系统 成为微机平台的主流操作系统 二是 intel 及其兼容芯片厂家竞争似的微处理技术以每 18 个月性能提高一倍的速度发展 使得现代微机的性能已经可以与过去的中大型工作 站的性能相当 由于微机系统的价格便宜成本低吸引了工业厂商的注意由这些厂家开发出 来性能价格比很高同时又能避免在工业环境下出现不良影响的工业用微机使得在 微机系统上开发数控系统成为可能为了适应这种需要ibm 公司提出了开放式微机 总线结构这种开放式总线结构方便了硬件设计和开发者开发与其兼容的硬件系统 许多硬件厂商都开发了兼容于 pc 总线提供多种控制功能的控制卡如运动控制卡 数据采集卡等同时有的厂家还提供相应的驱动程序这样方便了数控系统开发者进 9 行选择和二次开发20 由于这些控制卡的功能比较单一通过总线扩展插槽与系统总线相连各个控制 单元模块之间通过选择不同的地址信息而互相独立这种结构能够很方便地实现控制 系统的模块化设计并能进行扩展和简化只需将总线扩展槽上添加或取出控制卡就 可以增加或减少系统的功能这很适合低成本的数控系统可以简化硬件的开发和维 护环节而只需按照系统设计需要对控制卡单元进行选择同时该结构使得所有的功 能都在同一台计算机上实现去掉了上下位机的数据通信环节简化了结构有效的 降低了运行成本21 在进行驱动程序开发时虽然控制卡的硬件生产厂商可能提供了对硬件的驱动程 序但是驱动程序往往不能满足实际的应用需要通常开发者需要根据实际的开发需 要和硬件控制卡的功能来开发自己需要的驱动程序22 以上这 3 种控制系统各有优缺点综合系统结构控制实时性和稳定性用户操 作界面等各方面的要求 华中科技大学快速成型中心 fdm 快速成型系统采用单台 pc 的软件数控系统按照开放式数控系统要求选用通用控制板卡作为执行机构的控制 模块采用模块化的软件设计选用 window nt 操作系统作为软件平台应用程序 和实时控制模块运行于 windows nt 系统的不同特权级 fdm 快速成型系统选用单台 pc 的软件数控系统比上下位机结构具有更加快速方便高效的资料传递效果 去除了上下位机的网络传输模块简化了软件结构的设计同时将原下位机的实时控 制模块移到单台 pc 的核心态运行则原上下位机的网络通信变为单台 pc 的用户态 和核心态的通信单台 pc 兼顾应用程序的数据处理和控制模块的运动控制及状态检 测等对微机的性能要求提高但是随着现代微机技术的发展计算机的性能越来越 高这已经不是一个问题 fdm 快速成型系统采用单台 pc 的软件数控系统 比 cnc 专用模板嵌入 pc 系统具有强大的成本优势而且通用控制板卡的采用在软件的辅 助下使系统运行稳定控制可靠 fdm 采用的开放式数控系统具有体系结构开放化软硬件模块化且模块可重用 的特点各个控制模块之间即独立又相互协调模块之间采用统一公开的标准协议 进行通讯其目地是大幅度降低系统研制和制造费用提高用户设备和资源利用率以 及数控产品市场竞争力满足现代制造业的发展需要 1硬件的开放性 硬件的开放性主要表现为硬件的模块化和通用性具有相同功能的硬件之间可以 互换不影响软件的结构随着系统功能的增减硬件结构可以任意扩展和缩减 10 2软件的开放性 软件的开放性主要体现在软件的应用和设备无关性软件系统可以移植到不同的 硬件平台和应用环境不同开发商之间的软件可以简单地柔和在一起实现功能的综 合同时所有软件模块均是面向功能的可以任意重构 图 2.2 fdm 控制系统总体结构 2.2 fdm控制系统软件设计 2.2.1 windows nt操作系统特点分析 windows nt 是 microsoft 公司开发的真 32 位的操作系统 其最大的特点就是稳定 性和安全性好而且还支持多线程编程因此用它作为控制系统的开发平台是非常合 适的其体系结构如图 2.3windows nt 环境下的程序有两种运行模式用户模式和 内核模式23运行于内核模式的程序受处理器的保护安全性高同时由于受硬件 特权检查机制的限制只有内核模式的程序才能直接访问硬件资源一些重要的程序 如 kernel 组件gdiuser 以及设备驱动程序等运行于内核普通的用户应用程序运 行于用户态即用户模式这样用户的应用程序无法破坏系统资源保证了系统的 安全性用户模式的环境子系统包含了 posix 子系统win32 子系统os/2 子系统 它向用户展示了操作系统服务通过子系统动态链接库用户应用程序可以调用操作系 统服务windows nt 采用了 win32 内存管理机制该机制规定每个进程都拥有一 块 4gb 的独立虚拟内存空间 进程的内容放在下面的 2gb 中 且无法访问上面的 2gb 的空间 上面的 2gb 空间用于存放系统的 dll驱动程序 windows nt 内核等内容 这样进程之间不会相互干扰也不会去破坏系统空间的内容与 windows95 相比 windows nt 的内存管理大大提高了系统的安全性 windows nt的人机界面也很友好 操作十分方便同时它还拥有强大的 win32api为用户编程提供了很大的方便 系 统 总 线 b u s cnc 装置 各 功 能 模 块 执 行 机 构 机 床 软件 11 图 2.3 windows nt 的结构图 2.2.2 软件系统整体结构 windows nt 环境下程序有两种运行环境用户态和内核态fdm 快速成型系统 的软件也运行于这两种环境数据处理部分软件运行于用户层应用层数控部分 软件也就是驱动程序运行于内核层在 vc+等通用编译环境下开发的程序是一般可 执行应用程序它运行于用户层而运行于内核层的设备驱动程序必须依靠特定工具 如 ntddk进行开发由于运行在不同的特权级两者所处的虚拟存储空间也不 同因此必须有专门的接口负责数据处理软件与数控软件之间的通讯 fdm 软件体系结构总图如图 2.4 所示 图 2.4 软件体系结构总图 gui 应用程序 fifo 缓冲区 核心控制层 虚拟设备控制层 设备驱动层 用户态 内核态 12 在设备驱动程序开发时为了把硬件特点的操作与更为普遍的管理问题分开通 常采用中间驱动程序有时称为类驱动程序24例如键盘类驱动程序处理一般的击 键处理而特点键盘控制器的细节问题由键盘端口驱动程序来处理这样做的好处就 是驱动程序能够处理更大范围的硬件因为只有端口驱动程序需要重写这样的驱 动程序它的扩展性和可移植性是非常强的网络传输中的分层结构思想与上述思想有 异曲同工之处基于该驱动程序开发思想又结合本系统中硬件结构特点在开发本 系统驱动程序时提出了虚拟硬件控制层 hal 的概念即在原来核心控制层和设备 驱动层之间插入一个虚拟设备控制层 hal 把核心控制层从原来的特定硬件中解放出 来大大增强了其功能扩展的灵活性也提高了该软件的硬件平台无关性整个软件 系统结构从最上面的用户层到最底下的设备驱动层它们所面向的对象是不同的比 如顶层是面向物体模型的 而底层是面向物理设备的 不管是用户层发送下来的信息 还是从设备驱动层反馈上去的信息在每一层都经过了过滤有些数据被截留下来 有些数据经过变换又继续进入数据流 驱动程序与应用程序之间的通讯是十分重要的它直接影响控制软件的实时性和 控制精度在 windows nt 中应用程序和驱动程序控制程序分别运行于用户模 式和内核模式它们的数据存在于不同的物理内存空间因此应用程序与驱动程序之 间的数据交换与一般的应用程序内部数据交换不同必须借助 ioctl 请求来完成数 据交换25fdm 快速成型系统软件采用缓冲法和多线程机制来进行数据的传递 2.3 本章小结 本章介绍了 fdm 控制系统的整体结构选择了开放式总线结构作为本系统的整 体结构根据系统开放式总线结构的模块化和通用性要求和 windows nt 操作系统的 特点设计了 fdm 控制系统的软件结构 13 3 fdm控制系统设计 控制系统是 fdm 的核心部分控制系统的结构及硬件选型决定了 fdm 的精度 本章从 fdm 控制系统开放式总线结构的要求及成本出发设计了位置控制系统送 丝电机可调速控制系统及温度控制系统 并简单介绍了控制卡的特点和应用以及fdm 的驱动程序设计 3.1 fdm的控制系统设备层结构 fdm 采用的开放式数控系统具有体系结构开放化软硬件模块化且模块可重用 的特点各个控制模块之间即独立又相互协调模块之间采用统一公开的标准协 议进行通讯根据系统开放性的模块化和通用性要求,设计的 fdm 控制系统硬件结 构总图如图 3.1 所示主要由位置控制系统送丝电机可调速控制系统和温度控制 系统组成 图 3.1 fdm 控制系统硬件结构总图 3.1.1 位置控制系统 位置控制系统是控制系统的重要组成部分一般由驱动电路驱动装置电机 位置检测装置机械传动机构及执行部件等部分组成26它的作用是接受数控系统 发出的位移和速度指令信号由驱动电路做一定的转换和放大后经驱动装置和机械 工 业 pc 总 线 a/d d/a 模块 di/o 模块 位置控制系统 数字量输入输出 温度控制系统 送丝电机可调速控制系统 运动 控制 模块 14 传动机构驱动机床的工作台主轴等执行部件进行工作进给和快速进给位置控制 系统是一种与普通电机调速系统有着紧密联系但又明显不同的系统一般来说人们 对调速系统的要求是希望有足够的调速范围稳速精度和快且平稳的启制动性能 系统工作时都是以一定的速度精度稳定在调速范围内某一固定的转速运行的系统 的主要目标是使转速尽量不受负载变化电源电压波动及环境温度变化等干扰因素的 影响而位置控制系统一般是以足够的位置控制精度定位精度位置跟踪精度 位置跟踪误差和足够快的跟踪速度来作为它的主要控制目标系统运行时要求能 以一定的精度随时跟踪指令的变化因而系统中电机的运行速度常常是不断变化的 位置控制系统的性能取决于它的各个组成环节的性能也取决于系统中各环节性 能参数的合理匹配一个良好的位置控制系统必须满足 1调速范围广 2位移精度高 3稳定性好 4动态响应快 同时还要求反向死区小能频繁启停和正反运动 位置控制系统包括机械执行机构执行部件和电气自动控制两大部分27根据系 统的构造特点按有无位置检测和反馈进行分类位置控制系统又可分为三种基本的 结构类型开环控制系统闭环控制系统和半闭环控制系统 1开环控制系统 开环控制系统是最简单的位置控制系统 它没有位置检测装置 其结构图如图 3.2 所示 图 3.2 开环控制系统 这种系统的驱动装置主要是步进电机功率步进电机电液脉冲马达等由控制 系统送出的进给指令脉冲经驱动电路控制和功率放大后驱动步进电机转动从而 驱动执行部件 步进电机是一种将数字式脉冲信号转换成机械位移 角位移或线位移 的机电执行元件它的角位移及角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比而旋转 方向决定于脉冲电流的通电顺序 数控装置 机械传动及 执行部件 驱动电路 电 机 15 开环控制系统的结构简单调试维修使用都很方便工作可靠成本低廉 2闭环和半闭环控制系统 闭环和半闭环控制系统如图 3.3 所示a 为闭环控制系统b 为半闭环控制系统 闭环和半闭环控制系统都采用了位置检测装置检测装置将执行部件的实际位移量转 换成电脉冲或模拟电压量后反馈到输入端并与输入位置指令信号进行比较将两者 的差值放大和变换控制驱动装置驱动执行部件以给定的速度向着消除偏差的方向运 动直到指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止不同的是闭环控制系统的检 测装置装在执行部件上直接测量执行部件的实际位移来进行反馈而半闭环控制系 统的位置检测装置装在电机的轴上间接的测量执行部件的位置因此闭环控制系 统可以消除机械传动机构的全部误差而半闭环控制系统只能补偿系统环路内部元件 的误差因此半闭环控制系统的精度比闭环系统的精度要低一些但它的结构和调 试也相对简单些 (a) (b) 图 3.3 闭环半闭环控制系统 闭环半闭环控制系统因为采用了位置检测装置所以结构上较开环控制系统复 杂成本也较高而且闭环和半闭环系统的设计和调试也比较困难 从 fdm 的特点及成本方面考虑 在设计 hrpr-i 型 fdm 的控制系统的位置控制 系统时选用了开环控制 16 驱动装置是位置控制系统的一个重要环节驱动装置的性能在很大程度上影响着 位置控制系统的性能综合考虑到本系统 x 轴y 轴和工作台的定位精度和运行速度 的要求以及成本方面本系统采用步进电机作为驱动装置来驱动三轴的运动步进电 机的角位移及角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比而且旋转方向决定于脉冲 电流的通电顺序因此只要控制指令脉冲的数量频率以及通电顺序便可控制执 行件部件运动的位移速度和运动方向步进电机有如下优点 1直接实现数字控制数字信号经环形分配器和功率放大后直接控制步进电 机无需任何中间转换装置 2控制性能好位移量与脉冲数成正比可用开环方式驱动而无需反馈能 快速方便的启动反转和制动速度与脉冲频率成正比改变脉冲频率就可以在较宽 的范围内调节速度 3无累积定位误差每转一周都有固定的步数在不丢步的情况下运行其 步距误差不会长期积累 基于以上的优点以及结合本系统的要求我们采用了 lakeside雷赛公司的步 进电机及驱动器作为本控制系统的驱动装置驱动器的性能在很大程度决定了整个执 行机构的性能选用的驱动器具有如下特点 1电流控制采用双极性等角度恒力矩技术可以产生更大的力矩和功率 2 电流波纹小 静止时电流自动减半 减少驱动器和电机的发热量 高速力矩大 3光隔输入细分精度可选精度高最高可达 256*200 步/圈的细分精度 在实际使用中hrpr-i 型 fdm 系统选用了 50*200 的细分精度重复定位精度 经实际测量在 0.01mm 左右完全满足系统精度需要28 3.1.2 送丝电机的可调速控制系统 送丝机构为喷头输送原料其结构图如图 3.4 所示 图 3.4 送丝机构原理图 驱动轮 材料丝 喷头 17 两驱动轮在电机的驱动下由于驱动轮与丝材之间的摩擦力而带动丝材进入喷 头两驱动轮之间的距离可以调整距离越小驱动轮与丝材之间的摩擦力就越大 所需的驱动力也就越大根据 fdm 工艺的特点送丝机构应能提供足够大的驱动力 以克服高聚物材料熔融时较大的流动阻力且要求其送丝平稳可靠因此选用大功率 直流电机为驱动装置送丝速度应能根据工艺要求进行调节以与填充速度相匹配 因此作为驱动装置的直流电机的转速就必须能方便的进行实时调节直流电机的调速 原理如图 3.5 所示29 图 3.5 直流电机调速原理图 电机转子上的载流导体即电枢绕组在定子磁场中受到电磁转矩 m 的作用 使电机转子旋转而电磁转矩 m 为 mktia (3-1) 式中: kt为电机的转矩系数ktcm ia为电机电枢电流 电机转动后因导体切割磁力线而产生反电势其值 ea为 ea=ken (3-2) 式中 ke为电机的转矩系数kece n 为电机的转速r/min 作用在直流电机电枢的外加电压 u 应等于反电势与电枢电阻压降之和即 ueaiara (3-3) 18 式中 ra为电枢电阻 ia为电枢电流 由式32和式33有 nuiara /ke (3-4) 由上式可知调节电机的转速有三种方法 1改变电枢的外加电压 u 2改变磁通量即改变 ke的值而改变磁通量可通过改变激磁回路的电 阻 rj以改变激磁电流 ij来达到 3在电枢回路中串联调节电阻 rt此时转速的计算公式变为 nu-ia(ra+rt)/ke (3-5) 上述三种调速方法中 调节激磁回路电阻 虽然容易控制 但激磁回路的电感大 因此电气时间常数较大调速的快速性较差而且激磁回路串接电阻只能使激磁电 流减小所以转速只能由额定转速向上调高而在电枢回路中串接电阻的办法转速 只能调低而且电阻上的铜耗大因此这种方法并不经济而在磁通量与电枢电阻 固定不变的情况下改变电枢电压的调速方法一般都由电枢的额定电压向下调低 使电机转速由额定转速向下调低尽管需要附加的调压设备但它的调速范围大因 此在 fdm 的送丝电机可调速控制系统中采用改变电枢外加电压 u 的方法来达到调 速的目的 因此对于该控制系统关键的就是要设计一个调压设备来调节直流电机电枢电 压的大小以达到调节直流电机转速的目的30本系统采用的直流电机最大输出电压为 12v因此输出电压应在 012v 范围内实现连续可调具有较强的带载能力在 稳态运行时直流电机电枢电压稳定以保持稳定的转速这是保证成型质量的必要条 件同时为了方便实现转速调节电压调节应具有手动调节和数控自动调节两种方 式手动调节方式用于设备调试和工艺试验阶段数控自动调节方式用于设备正式运 行时由工控机根据主程序要求和用户设置通过 a/d 口进行实时调节在 d/a 控制 模块的配合下随时控制送丝的速度及开闭本系统以前采用的是直流电机调速器来调 节控制输出电压采用直流电机调速器的缺点是其体积较大不便于安装为了克服 这一缺点设计了一块电路板其原理图如图 3.6 所示 19 + 图 3.6 送丝电机可调速控制系统原理图 在加工时送丝必须平稳可靠送丝速度受负载的影响必须尽可能的小这样 才能保证出丝均匀保证加工精度因此本控制系统从 fdm 的工艺精度和成本出 发采用了半闭环控制检测装置检测功放后的电压并变换成反馈电压后与给定电压进 行比较如果比给定电压大则自动调节电路使功放后输出电压减小否则自动 调节电路使功放后输出电压增大直到与给定电压值相等保证了直流电机输入电 压的稳定从而保证了直流电机转速的稳定 该电路板上有一可调电阻在调试试制阶段手动调节该可调电阻即可调节其分 压值经过功率放大后输出所需的电压值在正式运行时电路板上有四个接口分 别控制两台直流电机的正反转能与工控机联系起来利用工控机上的 d/a 接口进行 数据传递使工控机能够对电机直接进行自动调速 3.1.3 温度控制系统 fdm 成型工艺对温度的要求极其严格喷头温度决定了材料的粘结性能和堆积 性能丝材流量以及挤出丝宽度喷头温度太低则材料粘度加大挤丝速度变慢 这不仅加重了挤压系统的负担极端情况下还会造成喷嘴堵塞而且材料层间粘结强 度降低还会引起层间剥离而温度太高材料偏向于液态粘性系数变小流动性 强挤出过快无法形成可精确控制的丝制作时会出现前一层材料还未冷却成型 后一层就加压于其上从而使得前一层材料坍塌和破坏而成型室的温度会影响到成 工控机 电压反馈 d/a 转 换卡 功率放 大电路 手动 调节 直流 电机 喷头 检测元件 主程序要求 用户设置 20 型件的热应力大小温度过高虽然有助于减少热应力但零件表面易起皱温度太 低从喷嘴挤出的丝骤冷使成型件热应力增加容易引起零件翘曲变形由于挤出丝 冷却速度快在前一层截面已完全冷却凝固后才开始堆积后一层这会导致层间粘结 不牢固会有开裂的倾向因此喷头和成型室的温度必须处于一定的稳定范围内31 而且一旦设定温度控制值后必须保证其温度处于稳定状态不会发生大的波动否 则将影响成型质量本系统有三个温度控制分系统分别用于控制实体喷头支撑喷 头和成型室的温度这三个分系统结构原理完全相同因此以下只针对一个分系统 来阐述该系统的温度控制原理 本系统之前采用可控硅和温控器相结合的纯硬件方式这在精度上虽然能保证 但为了更方便的控制稳定采用了可控硅和温控器相结合使用软件带 d/aa/d 模 块控制可控硅的形式使工控机能够对温度直接进行自动控制为实现温度的精确控 制本温度控制系统采用了闭环控制其原理图如图 3.7 所示 图 3.7 温度控制原理图 整个控制系统由温度检测部分和温度控制部分两部分组成温度检测部分由温度 传感器检测被控制对象的温度并将温度值变换为温控器所能接受的电信号由温控 器对这些电信号进行变换经 a/d 转换后反馈给工控机 在温度控制部分中工控机是整个控制的核心可控硅是执行元件控制加热加热 对象的加热器工控机将采集到的反馈信号进行数据处理并按一定的控制算法后得 出控制量由 d/a 转换后输出控制可控硅的触发电压从而控制可控硅的输出电压而 控制加热器的输入功率达到变化加热能量的变化 1控制算法的实现 在整个温度控制系统中难点是温度调节方法也就是温度控制算法的实现近年 来温度控制的方法发展迅速开关控制pid 控制模糊控制以及神经网络遗传 算法在温度控制上都有应用32pi