郭艷玲 郭帥 李健 劉晨 劉泰淶

摘 ?要： 目前選擇性激光燒結(jié)設(shè)備均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，不僅操作過程復(fù)雜，且設(shè)備成本高昂，因此設(shè)計(jì)一種基于Arduino的選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以開源硬件Arduino DUE為控制單元，通過Arduino IDE進(jìn)行程序編寫，下位機(jī)可實(shí)現(xiàn)讀取G代碼從而對(duì)激光、運(yùn)動(dòng)、溫度等進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，采用近似于桌面級(jí)FDM設(shè)備的設(shè)計(jì)思路，在保證設(shè)備功能的前提下大幅度降低了燒結(jié)機(jī)的設(shè)備成本，而且其中的模塊化粉箱在縮小設(shè)備尺寸的同時(shí)也使裝卸粉箱工作更加便捷。

關(guān)鍵詞： Arduino; 選擇性激光燒結(jié); 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng); 定時(shí)器; 模塊化粉箱; 設(shè)備成本

中圖分類號(hào)： TN248?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）10?0055?03

Abstract： The current selective laser sintering equipment all belong to industrial grade products， which have not only complex operational process but also high cost. Therefore， a selective laser sintering system based on Arduino is designed. The system uses open source hardware Arduino DUE as the control unit and is programmed by using ArduinoIDE. The lower computer can read the G code to control and implement laser， motion and temperature. The results show that after adopting the design thought of near?to?desktop FDM device， the equipment cost of the sintering machine is largely reduced at the premise of guaranteeing the functions of the equipment， and the modular powder box in the equipment makes the loading and unloading work of powder box more convenient while reducing the size of the equipment.

Keywords： Arduino; selective laser sintering; stepper motor drive; timer; modular powder box; equipment cost

選擇性激光燒結(jié)快速成形（SLS）屬于快速成形制造技術(shù)，與其他快速成形方法比較，激光燒結(jié)成形法具有材料選擇范圍廣、適合多種用途、成形過程無需支撐等突出優(yōu)點(diǎn)[1?2]。目前選擇性激光燒結(jié)設(shè)備均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，不僅操作過程復(fù)雜，且高昂的設(shè)備成本也阻礙了該技術(shù)的推廣。本文采用Arduino DUE單片機(jī)作為選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)的控制單元，打破了目前廣泛使用工控機(jī)的局限，為低成本設(shè)備的開發(fā)提供新的思路。

1 ?系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)由鋪粉機(jī)構(gòu)、激光器、光學(xué)掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成[3]，如圖1所示。本文設(shè)計(jì)的選擇性激光燒結(jié)設(shè)備與工業(yè)級(jí)設(shè)備的區(qū)別在于控制系統(tǒng)部分采用Arduino DUE單片機(jī)作為中央處理器，控制程序基于桌面FDM 3D打印機(jī)最常用的Marlin固件進(jìn)行深度定制，在保留基本的二維運(yùn)動(dòng)功能的同時(shí)增加了對(duì)鋪粉機(jī)構(gòu)的控制和激光器及外圍輔助系統(tǒng)，使其可以滿足SLS的工藝需求。

2 ?機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 ?鋪粉裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋪粉裝置主要由鋪粉輥、成型箱、供粉箱和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。鋪粉裝置在燒結(jié)過程中要滿足SLS對(duì)層厚精度和鋪粉質(zhì)量的要求。目前工業(yè)級(jí)設(shè)備多數(shù)采用活塞式的成型箱和供粉箱。這種設(shè)計(jì)需要成型箱底部有足夠的空間來容納伸縮的絲杠。本文設(shè)計(jì)的SLS設(shè)備出于小型化及人性化的設(shè)計(jì)角度必須將工業(yè)級(jí)設(shè)備大而散的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樾《ＤK化粉箱設(shè)計(jì)包含一個(gè)成型箱和分布其左右的兩個(gè)供粉箱，其特點(diǎn)是三個(gè)箱體通過滑軌可移動(dòng)至機(jī)器外部從而極大地方便操作人員進(jìn)行裝粉和清粉操作。模塊化粉箱還摒棄了活塞式的箱體，將驅(qū)動(dòng)箱體底板的絲杠設(shè)計(jì)在箱體側(cè)壁，相比活塞式結(jié)構(gòu)該設(shè)計(jì)可使粉箱整體尺寸在保持相同成型體積的條件下高度降低45%，模塊化粉箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 ?光學(xué)掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光學(xué)掃描系統(tǒng)基于光路飛行的方式實(shí)現(xiàn)激光光斑在二維平面上的快速掃描。與工業(yè)級(jí)激光燒結(jié)設(shè)備中廣泛使用振鏡掃描的方式相比，光路飛行方式成本低、維護(hù)方便且具有極佳的性價(jià)比，同時(shí)光路飛行的掃描幅面大且不存在掃描邊緣的光斑畸變，這使得其邊緣掃描精度優(yōu)于振鏡掃描[4?6]。為了使設(shè)備可以燒結(jié)大部分非金屬材料例如：尼龍、樹脂、木塑等，本文設(shè)計(jì)的激光燒結(jié)設(shè)備光源選用功率為40 W的國(guó)產(chǎn) CO2激光發(fā)生器。該激光器的優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格低廉且激光驅(qū)動(dòng)電源配置TTL電平開關(guān)，激光功率可由PWM信號(hào)調(diào)整大小，方便使用單片機(jī)控制。

3 ?控制系統(tǒng)硬件

3.1 ?Arduino DUE控制板

為了滿足選擇性激光燒結(jié)設(shè)備的控制需求，本文選用的控制單元為Arduino DUE單片機(jī)開發(fā)板。Arduino DUE是一塊基于Atmel SAM3X8E CPU的微控制器板，如圖3所示。它是第一塊基于32位ARM核心的Arduino，使用32位ARM核心的DUE相比于以往的使用8位AVR核心的其他型號(hào)Arduino更強(qiáng)大。它有54個(gè)數(shù)字I/O口（其中12個(gè)可用于PWM輸出）、12個(gè)模擬輸入口、4路UART硬件串口、84 MHz的時(shí)鐘頻率、一個(gè)USBOTG接口、兩路DAC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換）、兩路TWI、一個(gè)電源插座、一個(gè)SPI接口、一個(gè)JTAG接口、一個(gè)復(fù)位按鍵和一個(gè)擦寫按鍵[7?9]。

3.2 ?粉床電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

三個(gè)帶動(dòng)粉床的42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用A4988驅(qū)動(dòng)器，這是一款完全的微步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，易于操作。該產(chǎn)品可在全、半、[14]、[18]及[116]步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)35 V。該模塊只要在“step”端口中輸入一個(gè)脈沖，即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生微步，無須進(jìn)行相位順序表、高頻率控制或復(fù)雜的編程。A4988內(nèi)的斬波控制可自動(dòng)選擇電流衰減模式（慢或混合），在混合衰減模式下，該器件初始設(shè)置為在部分固定停機(jī)時(shí)間內(nèi)快速衰減，然后在余下的停機(jī)時(shí)間慢速衰減。混合衰減電流控制方案能減少可聽到的電動(dòng)機(jī)噪音、增加步進(jìn)精確度并減少功耗，A4988電路圖4如圖所示。

4 ?軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?主程序控制部分

選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)的主程序控制部分程序流程圖，如圖5所示，其主要實(shí)現(xiàn)的功能是獲取G指令、解析指令、處理指令、管理溫度和控制步進(jìn)電機(jī)。將需要打印的STL模型在切片軟件中生成G代碼，下位機(jī)程序通過串口或SD卡讀取G代碼，再根據(jù)指令協(xié)調(diào)設(shè)備各部分操作來完成燒結(jié)作業(yè)。

4.2 ?運(yùn)動(dòng)控制部分

Arduino DUE中除RESET中斷和外部中斷外還有定時(shí)器中斷。控制程序中定時(shí)器1主要負(fù)責(zé)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，是燒結(jié)過程中運(yùn)動(dòng)控制部分的核心。在主程序中先設(shè)置好定時(shí)器1的初始定時(shí)時(shí)間，等待中斷后，在中斷執(zhí)行block中的運(yùn)動(dòng)。首先從block緩沖池中取一個(gè)block，分析該block中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)置運(yùn)動(dòng)方向，然后調(diào)控步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。定時(shí)器1的定時(shí)時(shí)間就是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，所以在控制步進(jìn)電機(jī)的速度方面，可以通過時(shí)間計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)中斷執(zhí)行一個(gè)block中的1步或幾步，這個(gè)參數(shù)在系統(tǒng)初始化時(shí)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，運(yùn)動(dòng)控制部分定時(shí)器1中斷流程圖，如圖6所示。

5 ?結(jié) ?語

本文著重介紹了基于Arduino的選擇性激光燒結(jié)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，采用近似于桌面級(jí)FDM設(shè)備的設(shè)計(jì)思路，在保證設(shè)備功能的前提下大幅度降低了燒結(jié)機(jī)的設(shè)備成本。目前，本設(shè)備的燒結(jié)速度仍不能和工業(yè)級(jí)相媲美，但人性化的粉箱設(shè)計(jì)減少了設(shè)備的操作難度。本文研究的SLS設(shè)備具有較高的市場(chǎng)前景，未來將進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作效率以適應(yīng)市場(chǎng)化推廣。

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