王淼軍++韋海成++肖明霞+魏鑫

摘 要： 針對3D打印機熱床人工手動調(diào)節(jié)步驟繁瑣及精度低的問題，提出一種自動平衡調(diào)節(jié)的方法，并設(shè)計了調(diào)平裝置。此調(diào)平裝置以Arduino mega 2560為主控模塊，使用步進電機作為調(diào)平動作單元，結(jié)合螺桿傳動，實現(xiàn)打印機熱床平臺的平衡調(diào)節(jié)；使用接觸式限位開關(guān)，實現(xiàn)熱床平臺下降原點的定位；通過測試的方法編寫校正路徑程序，以模擬打印的方式實現(xiàn)3D打印設(shè)備與調(diào)平裝置的協(xié)同工作。實驗表明，采用的細分驅(qū)動可實現(xiàn)步距角為0.112 5°微調(diào)，大大提高了3D打印機熱床平衡調(diào)節(jié)的精度；使用雙重濾波的方法實現(xiàn)了通信脈沖序列的有效計數(shù)，并從軟件層面解決了步進電機的抖動問題。

關(guān)鍵詞： Arduino； 自平衡； 步進電機； 細分驅(qū)動

中圖分類號： TN305.94?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0108?05

Abstract： Aiming at the problems of tedious step and low accuracy of the hot bed mannual regulation for 3D printer， a autobalance regulation method is proposed， and a leveling device is designed. In order to realize the balance regulation of hot bed platform of the printer， the Arduino mega2560 is taken as main?control module of the leveling device， and the stepping motor is used as the leveling action unit in combination with screw drive. The contact?type limit switch is used to locate the descending origin of the hot bed platform. The test method is adopted to compile the path correct procedure to realize the cooperative work between 3D printing equipment and leveling device in the manner of simulation print. The experimental results show that the subdivision driving can realize the fine tuning with 0.1125° step angle， improve the regulation accuracy of hot bed balance of 3D printer greatly. Effective count of the communication pulse sequence was realized with the dual?filtering method， and the vibration problem of the stepper motor was solved with software .

Keywords： Arduino； self?balance； stepping motor； subdivision driving

0 引 言

3D打印技術(shù)越來越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用于加工制造、航空航天、醫(yī)療修復、教育科研等相關(guān)領(lǐng)域[1?4]。隨著開源電子設(shè)計平臺的興起，許多電子發(fā)燒友也相繼開發(fā)出各種各樣的3D打印機，使得3D打印技術(shù)在人們的日常生活中越來越普及。目前常用的3D成型技術(shù)多為FDM（Fused Deposition Modeling），即熔融沉積技術(shù)[5]，通過熱塑性材料加熱融化逐層堆積的方式實現(xiàn)3D物品的打印成型。與傳統(tǒng)的磨具制造相比，3D成型具有加工周期短、成本投入低、材料利用率高等優(yōu)點[6]。但與此同時，在3D打印的操作過程中普遍存在打印熱床平衡調(diào)節(jié)的問題。針對平臺調(diào)平問題，謝志江等人通過對4點支撐伺服平臺調(diào)平的研究，提出了“預(yù)置點”的調(diào)平概念[7]。何冰懷等人通過可編程計算機控制器（PCC）結(jié)合雙軸傾角傳感器，以交流伺服電機為執(zhí)行機構(gòu)，對多點調(diào)平系統(tǒng)進行了研究[8]。張芳等人采用“逐追式”算法設(shè)計了四點支撐剛性平臺，實現(xiàn)了高精度的平臺調(diào)平控制[9]。王艷波等人設(shè)計了采用雙邊半直圓柔性鉸鏈實現(xiàn)調(diào)平、單邊半直圓柔性鉸鏈實現(xiàn)調(diào)心的自動調(diào)平裝置[10]。

然而上述研究的調(diào)平多是以水平面作為參照系，但3D打印機的調(diào)平是指3D打印機噴頭同一打印層運動路徑與熱床平面之間的相對平行，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是通過人工手動調(diào)節(jié)3D打印機熱床四個角的羊角螺母，實現(xiàn)3D打印機熱床平衡的調(diào)節(jié)。但對于高精度的3D打印產(chǎn)品而言[11]，傳統(tǒng)的人眼目測、手工調(diào)節(jié)不僅步驟繁瑣，而且精準度低。

針對此問題，本文提出了一種3D打印機熱床自動平衡調(diào)節(jié)的方法，并基于開源的電子原型平臺Arduino設(shè)計了自動平衡調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)了3D打印機熱床高精度的自動平衡調(diào)節(jié)。

1 調(diào)平原理

實物如圖1所示，調(diào)平裝置以Arduino mega 2560作為主控單元[12]，用于完成與3D打印機的通信協(xié)作以及調(diào)平裝置對應(yīng)點的升降操作。升降點的執(zhí)行機構(gòu)包括步進電機和限位開關(guān)，步進電機用于驅(qū)動螺桿推動螺母完成平臺校正點的升降，限位開關(guān)用于確定點校正過程中下降操作的原點位置。

熱床自動平衡的調(diào)節(jié)方法如圖2所示，根據(jù)調(diào)平裝置的四個升降點A，B，C，D坐標位置，編寫3D打印機校正路徑文件。校正路徑文件一方面用于3D打印機與調(diào)平裝置的協(xié)同動作（調(diào)平裝置通過對3D打印機通信脈沖序列的計數(shù)選擇升降調(diào)節(jié)的動作點），另一方面用于控制3D打印機噴頭完成調(diào)平裝置限位開關(guān)下降原點的觸發(fā)。

當開啟熱床調(diào)平時，首先通過3D打印上位機控制軟件pronterface使噴頭原點復歸，然后使用模擬打印的方式加載路徑校正文件。為了使在調(diào)平過程中不發(fā)生機械碰撞損壞，在編寫路徑校正文件時，先使噴頭在原點處上升3 mm，然后在此平面內(nèi)，噴頭依次經(jīng)過各點的上方，逐次完成各點高度的校正。

為實現(xiàn)對各點動作順序的控制，在路徑校正文件中加入3D打印供料動作，通過擠出頭步進電機模擬供料的方式發(fā)出脈沖序列，調(diào)平裝置主控單元通過對脈沖序列的有效計數(shù)選擇校正點（本設(shè)計中脈沖序列的計數(shù)1，2，3，4分別對應(yīng)A點、B點、C點、D點）。

在校正點的升降調(diào)節(jié)過程中，3D打印機噴頭每到達一個點的上方，便發(fā)出脈沖序列，然后在升降點上方停滯6 s。調(diào)平裝置主控單元根據(jù)脈沖序列計數(shù)，控制校正點步進電機帶動平臺校正點限位開關(guān)上升，直至此點的限位開關(guān)被3D打印機噴頭觸發(fā)。觸發(fā)后調(diào)平主控單元以觸發(fā)點為原點，控制平臺校正點下降3 mm，完成當前點高度的校正。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

調(diào)平裝置的硬件系統(tǒng)組成如圖3所示。A，B，C，D四個升降校正點的執(zhí)行機構(gòu)分別使用不同的I/O端口進行控制，主控單元采用Arduino mega 2560，其工作電壓為5 V，內(nèi)部自帶16 MHz的晶振時鐘，具有54路的數(shù)字輸入/輸出接口，16路的模擬輸入接口，I/O口驅(qū)動電流可達40 mA。通信方面支持多種串口傳輸方式。在具體設(shè)計中，脈沖接收端口用于對3D打印噴頭脈沖序列的計數(shù)。主控單元通過步進電機驅(qū)動模塊A4988對校正點的步進電機進行控制[13]，四路限位開關(guān)分別完成不同校正點的限位觸發(fā)。為了提高調(diào)平精度，傳動機構(gòu)使用螺距為1 mm的螺桿。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

調(diào)平裝置的軟件設(shè)計使用Arduino語言，在Arduino IDE開發(fā)環(huán)境下完成程序的調(diào)試編譯及下載[14]。軟件總體設(shè)計流程如圖4所示，開啟調(diào)平后，調(diào)平裝置主控單元先進行復位，主要包括與限位開關(guān)連接的I/O口高低電平設(shè)置、脈沖計數(shù)器的清零、脈沖序列計數(shù)器的清零、步進電機驅(qū)動模塊A4988工作模式的選擇等。復位完成之后調(diào)平裝置主控模塊開始對3D打印機通信脈沖序列進行掃描并計數(shù)，然后根據(jù)計數(shù)值的不同選擇相應(yīng)的點進行高度的校正調(diào)節(jié)。待通信脈沖序列計數(shù)等于4時，完成最后一個點（D點）的校正，調(diào)平動作結(jié)束。

為了防止外部干擾引起調(diào)平裝置升降點的誤動作，在程序設(shè)計中，通過定義全局變量lock，在逐點校正的子程序中不斷改變?nèi)肿兞縧ock的值，并將其作為下一個校正點子程序調(diào)用判斷條件的一部分，以此從軟件層面進一步確保了升降點動作順序的正確性，從而防止誤動作。

3 功能模塊設(shè)計

3.1 校準路徑文件設(shè)計

3D打印機熱床平衡的調(diào)節(jié)是以打印噴頭在同一z軸高度運動路徑的平面作為參考系，且在平衡調(diào)節(jié)過程中需要打印噴頭對熱床平面上的限位開關(guān)進行觸發(fā)，故需要對3D打印機噴頭的運動路徑進行設(shè)定。本設(shè)計通過編寫G?CODE文件的方式對3D打印機噴頭的運動路徑進行規(guī)劃[15]，控制3D打印機產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，實現(xiàn)調(diào)平裝置與3D打印設(shè)備的協(xié)調(diào)同步；控制3D打印噴頭在對應(yīng)升降點上方的停滯（6 s），并完成對限位開關(guān)的觸發(fā)。在設(shè)計中，借助3D打印上位機控制軟件pronterface，使用逐條發(fā)送語句的方式對熱床平臺四角限位開關(guān)的位置進行空間定位，然后根據(jù)空間坐標進行校正路徑文件編寫（G?CODE代碼），其運動路徑如圖5所示。

3.2 脈沖通信模塊設(shè)計

要實現(xiàn)調(diào)平裝置與3D打印機的協(xié)同動作，需對其動作時序進行合理的設(shè)定。3D打印機所發(fā)出的驅(qū)動脈沖是通過擠出機的供料步進電機動作產(chǎn)生，其實質(zhì)為周期固定的連續(xù)脈沖序列，如圖6所示。為了使調(diào)平裝置能通過對脈沖序列的有效計數(shù)實現(xiàn)對校正點的選擇，在程序設(shè)計中，調(diào)平裝置主控單元對同一脈沖序列的前3個有效脈沖進行計數(shù)，當脈沖計數(shù)變量pluseNumber大于3時，脈沖序列變量pluseSerialNumber計數(shù)加1，然后根據(jù)pluseSerialNumber的值控制對應(yīng)點的步進電機進行升降調(diào)節(jié)。

程序使用順序結(jié)構(gòu)，當步進電機進行升降調(diào)節(jié)時，不再對當前脈沖序列的后續(xù)脈沖進行計數(shù)。在步進電機完成升降動作之后還要進行短時間延時，預(yù)留一定的時間裕度，以避開對當前脈沖序列后續(xù)脈沖的計數(shù)，直至下一脈沖序列的到來。

為了避免噪聲擾動引起的誤計數(shù)，在脈沖序列計數(shù)程序設(shè)計中，當采集到脈沖高電平之后要進行2個50 μs的延時；在每個50 μs的延時后分別對脈沖信號的電平進行采集。當3次采樣的結(jié)果均為高電平時，才進行一次有效的脈沖計數(shù)。

3.3 步進電機驅(qū)動模塊設(shè)計

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制機構(gòu)[16]，當步進引腳接收到一個脈沖信號時，就會在方向引腳指定的方向運動一個步距角。其步進距離僅由驅(qū)動脈沖個數(shù)決定，步距精度在3%～5%之間，且步與步之間的誤差不會累加，具有較高的定位精度。本設(shè)計采用兩相四線制混合式42系列步進電機，其工作電流為12 V，額定工作電流為1.5 A，步距角為1.8°，具備短時間的耐高壓能力，最大徑向力可達28 N（20 mm邊緣為標準）。

為提高調(diào)平裝置的調(diào)節(jié)精度，本設(shè)計選用A4988驅(qū)動模塊對步進電機進行細分驅(qū)動處理，其步進角選擇方式如表1所示。A4988輸出電壓高達35 V，輸出電流為2 A，具有較強的驅(qū)動能力。本文通過將A4988的模式控制引腳MS1，MS2，MS3全部設(shè)置為高電平，選用1/16的步進模式。此模式下步進角僅為0.112 5°，大大提高了3D打印機熱床的調(diào)平精度。

A4988內(nèi)部自帶換向器，通過對步進模式設(shè)定以后，只需對“步進引腳（STEP）”、“方向引腳（DIR）”進行控制即可完成對步進電機的驅(qū)動操作，大大地降低了電路的設(shè)計難度，同時簡化了程序設(shè)計。電路連接如圖7所示，A4988的邏輯電壓VDD及GND由Arduino mega 2560的5 V供電引腳提供；電機驅(qū)動電源引腳VCCMOT與GNDMOT使用12 V的外接直流電源供電。STEP引腳決定步進電機的行程，DIR引腳的邏輯電平?jīng)Q定步進電機的轉(zhuǎn)向。本設(shè)計中，DIR引腳低電平時步進電機帶動調(diào)平裝置對應(yīng)點限位開關(guān)上升，高電平時下降。設(shè)計中，為實現(xiàn)步進電機的消抖處理，將步進電機的使能引腳EN使用專門的I/O口進行控制。

3.4 升降點控制模塊設(shè)計

升降點高度校正的好壞直接影響3D打印機熱床平衡調(diào)節(jié)的精度，程序設(shè)計流程如圖8所示。在系統(tǒng)上電復位后時，調(diào)平裝置主控單元根據(jù)對3D打印機通信脈沖序列的計數(shù)，控制對應(yīng)點步進電機進行升降校正。在使能A4988驅(qū)動模塊時，DIR引腳默認為低電平，先使步進電機帶動平臺校正點向上移動。為了提高校正精度，步進電機每進一步都要進行限位開關(guān)的觸發(fā)判斷，使其步距角控制在0.112 5°。當限位開關(guān)觸發(fā)時，根據(jù)觸發(fā)信號，將DIR引腳設(shè)置為高電平，此時步進電機以觸發(fā)點為原點，帶動平臺校正點向下移動3 mm，完成當前點的高度校正。

為避免在升降調(diào)節(jié)過程中因過調(diào)導致調(diào)平裝置的機械損壞，在程序設(shè)計中通過設(shè)置步進計數(shù)變量stepperNumber，將步進電機上升的調(diào)整范圍設(shè)定在5 mm。當stepperNumber=48 000時，即在步進電機帶動校正點上升5 mm的過程中，對應(yīng)點的限位開關(guān)未被觸發(fā)，則通過蜂鳴器進行報警提示。

為了消除步進電機在靜態(tài)情況下的抖動現(xiàn)象，在程序設(shè)計中，初始化階段并未對A4988進行使能。而是在對應(yīng)點步進電機需要動作時，在其子程序內(nèi)部才對其進行使能。待步進電機完成動作退出子程序時，重新對其使能端進行關(guān)斷，這樣有效消除了步進電機在靜態(tài)情況下的抖動。

4 功能實現(xiàn)及分析

對調(diào)平裝置各分模塊設(shè)計的可行性進行驗證，然后對系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)并測試分析。

4.1 脈沖通信功能的實現(xiàn)

脈沖通信主要完成3D打印機與自動調(diào)平裝置的協(xié)同工作，測試結(jié)果如圖9所示。

3D打印機發(fā)出的脈沖為周期固定的脈沖序列，脈沖序列之間的間隔大約為6 s，每個脈沖序列中的脈沖的高電平持續(xù)時間約為200 μs。在檢波程序中，每一個脈沖序列，對其高電平時間持續(xù)100 μs的脈沖進行有效計數(shù)，當1個脈沖序列中存在3個以上的有效脈沖時，脈沖序列數(shù)計數(shù)加1。通過串口輸出測試，檢波程序可很好地完成脈沖序列的計數(shù)。主程序通過脈沖計數(shù)值的不同，調(diào)用對應(yīng)點步進電機動作的子程序，完成此點的高度校正。

4.2 對應(yīng)點升降校對功能的實現(xiàn)

對應(yīng)點的升降校正是通過對步進電機的控制來完成，調(diào)平裝置的調(diào)節(jié)精度主要取決于限位開關(guān)觸發(fā)的實時性，此部分功能主要是對步進電機在限位開關(guān)觸發(fā)后的反轉(zhuǎn)特性進行驗證。功能測試結(jié)果如圖10所示。

當升降校正啟動時，步進電機DIR引腳為低電平，步進電機帶動平臺對應(yīng)點上升；當限位開關(guān)被觸發(fā)時，DIR引腳立刻由低電平轉(zhuǎn)化為高電平，且STEP引腳停止脈沖輸出，步進電機立刻停轉(zhuǎn)，具有很好的觸發(fā)實時性。經(jīng)過100 ms延時之后，步進電機STEP引腳繼續(xù)輸出驅(qū)動脈沖，此時DIR引腳為高電平，步進電機反向運動，帶動平臺下降3 mm。

4.3 步進電機消抖功能實現(xiàn)

針對調(diào)試過程中步進電機靜態(tài)情況下的抖動問題，本設(shè)計從軟件編程層面予以解決，對步進電機在靜態(tài)情況下驅(qū)動引腳的電壓輸出波形進行測試，結(jié)果如圖11所示。在靜態(tài)情況下，未進行消抖處理前，步進電機驅(qū)動管腳的制動電壓波形具有較明顯的毛刺，步進電機產(chǎn)生較大的抖動噪聲。在進行消抖處理之后，步進電機制動電壓的輸出波形明顯平穩(wěn)，步進電機無抖動現(xiàn)象。

4.4 聯(lián)調(diào)結(jié)果

經(jīng)上位機加載聯(lián)調(diào)測試，3D打印機噴頭可按照G?CODE文件設(shè)定的路徑運動，并產(chǎn)生通信脈沖序列與調(diào)平裝置協(xié)同動作；調(diào)平裝置在收到脈沖以后可對脈沖序列進行有效計數(shù)，并控制相應(yīng)點的步進電機完成當前點高度的校正，最終實現(xiàn)3D打印機熱床的自動平衡調(diào)節(jié)。使用陀螺儀對噴頭路徑平面及熱床調(diào)平前后相對于地面的傾斜角度分別進行測量，結(jié)果如表2所示。

由測量結(jié)果可知，經(jīng)自動調(diào)平以后，熱床相對于地面的傾斜角度與噴頭路徑平面相對于地面的傾斜角度基本一致，空間三軸的傾斜誤差分別為：Δx=0.14°，Δy= 0.22°，Δz=0.06°。

5 結(jié) 語

針對3D打印機熱床平衡調(diào)節(jié)的問題，本文提出了一種自動平衡的調(diào)節(jié)方法，并進行了調(diào)平裝置的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)。與傳統(tǒng)人眼目測手工調(diào)節(jié)相比，本文所提出的自動平衡調(diào)節(jié)方法具有速度快、精度高、操作簡單等優(yōu)點。此調(diào)平方法直接對熱床與打印噴頭的運動平面進行調(diào)平，對設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)精度要求依賴較低，不僅在3D打印機，而且在車床、銑床、點膠機等工業(yè)設(shè)備，此調(diào)平方法及裝置都具有一定的參考及實用價值。

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