郭 鶴，石佩斐，潘愛瓊

(鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

基于AT89C52單片機(jī)的3D彩色打印配色裝置設(shè)計(jì)

郭 鶴，石佩斐，潘愛瓊

(鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

主要介紹基于AT89C52單片機(jī)的彩色3D打印機(jī)配色模塊及相關(guān)控制裝置的設(shè)計(jì)過程.以12864液晶顯示器作為人機(jī)交互設(shè)備，用矩陣鍵盤進(jìn)行顏色代碼輸入，以專用驅(qū)動芯片A4988作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，設(shè)計(jì)蝸桿式減速送絲機(jī)構(gòu)，保證了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以及定量進(jìn)給的控制精度.研究表明：從鍵盤輸入顏色代碼，經(jīng)51單片機(jī)運(yùn)算，通過控制I/O端口的脈沖輸出頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制不同顏色耗材的擠入量，實(shí)現(xiàn)了僅使用三原色耗材制造多顏色打印件的目的.該系統(tǒng)可以外掛于傳統(tǒng)3D打印機(jī)上，適用于單色打印機(jī)的多色化改造，對全彩熔融3D打印機(jī)的研發(fā)有重要意義.

3D彩色打印；單片機(jī)；送絲裝置

3D打印技術(shù)，又稱為“快速原型制造技術(shù)”或“增材制造技術(shù)”，是上世紀(jì)80年代末90年代初在美國最先興起的一項(xiàng)創(chuàng)新制造技術(shù).其主要流程為：先用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)品的三維模型，再用軟件對其進(jìn)行分層切片，最后通過特定的數(shù)控成形設(shè)備(俗稱“3D打印機(jī)”)，用液化、粉末化或絲化的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品[1-4].相對傳統(tǒng)制造而言，3D打印技術(shù)是一次重大的技術(shù)革命，從技術(shù)原理來看，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的任何復(fù)雜的三維產(chǎn)品都可以利用3D打印機(jī)直接打印出來.而傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方法必須經(jīng)過模具設(shè)計(jì)、模具制備及最終樣品成形等繁瑣步驟，會大大增加新產(chǎn)品研制的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本.3D打印技術(shù)非常適用于復(fù)雜化、高難度、個(gè)性化產(chǎn)品的制作，而傳統(tǒng)制造業(yè)擅長規(guī)?；⑴炕a(chǎn)品的生產(chǎn).因此，3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)可優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)的完美結(jié)合.

3D打印技術(shù)已快速滲透于工業(yè)制造、文化娛樂、建筑模型、動漫制作、消費(fèi)品的個(gè)性化定制等領(lǐng)域.這些領(lǐng)域的產(chǎn)品必然需要不同的顏色來增強(qiáng)產(chǎn)品的表現(xiàn)力，色彩信息是產(chǎn)品表達(dá)中一個(gè)不可或缺的元素.國外彩色3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在2005年，市場上首個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510由Z Corp公司研制成功[5].2014年1月Stratasys推出世界首款可將彩色打印與多材料結(jié)合的3D打印機(jī).在顏色方面，它和 2D 噴墨打印類似，利用3種原色(青、品紅、黃)組合出無數(shù)種色彩.相比以前的打印機(jī)，它在完成度、創(chuàng)意展現(xiàn)方面邁上了一個(gè)新的臺階.近年來，雖然我國大力扶持3D打印相關(guān)產(chǎn)業(yè)并已取得初步成效[4]，但目前基于PLA(Polylactic Acid)或ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)類熔融材料的彩色3D打印機(jī)還未見報(bào)道.故研究3D彩色打印配色裝置具有重大意義.

1 3D打印機(jī)配色原理

通過軟件將色彩在計(jì)算機(jī)上的RGB(Red,Green,Blue)表示轉(zhuǎn)換成打印機(jī)的CMYK(Cyan,Magenta,Yellow,Black)表示，理論上只要將CMY印刷業(yè)三色，即青色(Cyan)、品紅(Magenta)、黃色(Yellow)恰當(dāng)混合就可以得到各種不同的顏色，但由于原料純度等因素實(shí)際上很難得到純黑色，故加入一純黑墨盒，用K表示.本研究中，通過軟件將色彩的CMY表示轉(zhuǎn)換成三原色耗材的相對用量，即可實(shí)現(xiàn)熔融材料的彩色3D打印.在圖1所示的3D打印原理中，首先將四色料絲加裝到特制的雙噴頭3D打印機(jī)上，其中一個(gè)噴頭兼具熔融擠壓和混合攪拌功能于一體，使青色、品紅色和黃色得以高效率充分混合(以下簡稱為CMY噴頭)，另一噴頭為控制純黑熔融原料的普通噴頭(以下簡稱為K噴頭)；然后通過軟件將切片的二維色彩信息在計(jì)算機(jī)中RGB模式下轉(zhuǎn)換成打印機(jī)的CMYK模式；再將切片的CMYK色彩信息精確換算為料絲的相對長度.當(dāng)打印純黑色彩信息時(shí)K噴頭“噴墨”，當(dāng)打印其他彩色信息時(shí)CMY噴頭“噴墨”.這樣，兩個(gè)噴頭配合使用就可以在同一切片層上逐點(diǎn)逐線地打印出特定色彩.

圖1 熔融材料彩色3D打印原理示意圖

2 配色系統(tǒng)的控制方式及參數(shù)

2.1 控制方式

熔融材料配色控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于控制各步進(jìn)電機(jī)以不同速度同時(shí)運(yùn)行.這反映在步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖上就是各步進(jìn)電機(jī)同時(shí)接收不同頻率的控制脈沖.

配色系統(tǒng)的控制方式有兩種：一是由系統(tǒng)內(nèi)部生成脈沖進(jìn)行控制；二是由外部控制板發(fā)出脈沖進(jìn)行控制.由于本系統(tǒng)要求外掛多種機(jī)型，故而采用外部脈沖進(jìn)行觸發(fā)控制.其具體控制方式如圖2所示.將外部脈沖輸入控制器，并且輸入所需顏色信息進(jìn)行匹配處理，向各驅(qū)動器輸入不同脈沖數(shù)，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，最終送入不同比例的原料，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的彩色打印.

圖2 配色系統(tǒng)控制方式

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

配出顏色的數(shù)量S(包括單色)、參與配色耗材的數(shù)量k(k=3)、配色系數(shù)H的關(guān)系為：

(1)

本文要求調(diào)配的顏色大于10種，不包括單色，故根據(jù)式(1)可計(jì)算出H≥4.與單色打印相比，彩色3D打印需要多個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來同時(shí)送絲，要保證噴頭總的出絲速度不變，則需要減小步進(jìn)電機(jī)的每個(gè)脈沖送絲量.每個(gè)脈沖送絲量減小后為Q1，每個(gè)脈沖送絲量減小前為Q0.則：

(2)

與每脈沖送絲量Q有關(guān)的參數(shù)有：步進(jìn)電機(jī)的步距角θ、減速裝置的減速比i、送絲輪直徑D3、驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)b.Q值可表示為：

(3)

分析可知，減小每脈沖送絲量的途徑有：減小步距角；減小送絲輪直徑；增大減速比.現(xiàn)階段步進(jìn)電機(jī)步距角普遍為1.8°，步距角減小倍數(shù)小；送絲輪直徑過小則傳動軸直徑小，強(qiáng)力難以保證；提高驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)使用的專用驅(qū)動器性價(jià)比太低.因此，可采用增大減速裝置減速比的方式，減小每脈沖送絲量.

原有機(jī)型參數(shù)如表1所示.若θ、D3、b不變，令配色系數(shù)H=Q0/Q1=4，結(jié)合式(3)，則需將減速比增大4倍，即增大后的減速比為i=22.

表1 原有機(jī)型參數(shù)

在3D打印過程中，單位時(shí)間內(nèi)送絲體積V1與單位時(shí)間內(nèi)出料體積V2相等，即：

可推導(dǎo)出送絲速度v1與打印速度v2的關(guān)系：

(4)

式中：打印速度v2為0～80mm/s；r1為打印耗材直徑，一般采用1.75～3mm；r2為出料直徑，一般設(shè)為0.1～0.3mm.

可根據(jù)式(4)計(jì)算出：v1=0～0.8mm/s.

送絲速度v1取0.2mm/s，則步進(jìn)電機(jī)角速度為：

(5)

42步進(jìn)電機(jī)16細(xì)分后步距角為：

(6)

電機(jī)的輸入脈沖頻率為：

(7)

當(dāng)原有機(jī)型的送絲阻力F=20N時(shí)，送絲裝置輸入轉(zhuǎn)矩為：

(8)

3 配色系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由以上參數(shù)可進(jìn)行系統(tǒng)的硬件選型及設(shè)計(jì).配色系統(tǒng)的硬件包括機(jī)械部分和電子部分.機(jī)械部分主要是送絲裝置.電子部分為系統(tǒng)控制部分和執(zhí)行部分.

3.1 送絲裝置設(shè)計(jì)

送絲裝置如圖3所示.步進(jìn)電機(jī)1帶動小齒輪3轉(zhuǎn)動，經(jīng)大齒輪軸將動力傳輸給送絲輪，然后在送絲輪和壓絲輪的共同作用下送入耗材.送絲裝置中減速機(jī)構(gòu)的減速比為22.送絲裝置采用圓柱蝸桿傳動送絲.

耗材需要外力擠壓才能與送絲輪配合送絲.壓絲機(jī)構(gòu)的壓力可調(diào)，運(yùn)行平穩(wěn).為了壓絲機(jī)構(gòu)壓合力調(diào)整便捷，采用了螺母止推方式，即一段螺桿頂入壓絲機(jī)構(gòu)，一個(gè)螺母作為止推原件，用于連接螺桿和送絲器內(nèi)壁.通過調(diào)整螺栓與壓絲輪之間的距離調(diào)整壓絲力.支撐結(jié)構(gòu)為內(nèi)壁上方形孔支撐，中間留有空隙，壓絲輪可以通過支架往復(fù)運(yùn)動.壓絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)效果如圖4所示.

1.步進(jìn)電機(jī)；2.與3D打印機(jī)連接裝置；3.小齒輪；4.大齒輪；5.送絲輪；6.壓絲輪圖3 送絲裝置

1.頂緊螺柱；2.壓絲輪支撐；3.壓絲輪；4.送絲輪；5.支撐體圖4 壓絲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)效果圖

3.2 驅(qū)動控制設(shè)計(jì)

電子部分硬件主要包括運(yùn)算控制裝置、驅(qū)動裝置、步進(jìn)電機(jī)、輸入和顯示裝置等.人機(jī)交互設(shè)備采用矩陣輸入鍵盤和12864液晶顯示器.

控制器對每個(gè)輸入的信號進(jìn)行解析，根據(jù)輸入的顏色代碼分配輸出的脈沖數(shù)量.由于外部3D打印機(jī)產(chǎn)生的信號為224 Hz，故主控制器的處理頻率要求至少為224 Hz.AT89C52單片機(jī)是一款高性能CMOS 8位單片機(jī)，內(nèi)含8 kb程序內(nèi)存(ROM)和256 b運(yùn)行內(nèi)存(RAM)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS—51指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元.AT89C52單片機(jī)可應(yīng)用于較復(fù)雜的控制場合，本設(shè)計(jì)使用它進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和處理.

步進(jìn)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為10 N·mm，運(yùn)行頻率最小不能低于224 Hz.依據(jù)步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線，選用17H150H-03A型步進(jìn)電機(jī)既可滿足運(yùn)行頻率要求，又能夠滿足轉(zhuǎn)矩要求，并且在頻率區(qū)間轉(zhuǎn)矩較穩(wěn)定.

步進(jìn)電機(jī)需專用的控制系統(tǒng)驅(qū)動才能正常工作.其工作方式為：控制器產(chǎn)生控制脈沖，脈沖通過環(huán)形分配器被分配給電機(jī)各相繞組，并由功率放大器放大，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)[6].A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護(hù)的DMOS微步驅(qū)動器，該產(chǎn)品可在全、半、1/4、1/8及1/16步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電機(jī)，輸出驅(qū)動性能可達(dá)35 V及±2 A，且驅(qū)動方便，性價(jià)比高.因此，A4988被用作3D打印機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊.

根據(jù)所選軟硬件控制系統(tǒng)，完成配色裝置的實(shí)物裝配(圖5)，與3D打印機(jī)連接，完成了3D打印試驗(yàn).用3D彩色打印機(jī)試打印的零件如圖6所示.

圖5 配色裝置實(shí)物圖

圖6 3D彩色打印零件實(shí)物圖

4 結(jié)束語

本文主要研究了彩色3D打印配色機(jī)制及相關(guān)控制裝置，通過控制裝置軟、硬件的設(shè)計(jì)及選型，完成了3D彩色打印配色控制裝置的實(shí)物組裝.經(jīng)過調(diào)試及試打印，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，參數(shù)可靠，為3D彩色打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了借鑒.

[1] 王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫，2013(1):90-93.

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Design of 3D Color Printing Color Matching Device Based on AT89C52 Single Chip Microcomputer

GUO He, SHI Pei-fei, PAN Ai-qiong

(College of Mechanical Engineering,Zhengzhou University of Science and Technology,Zhengzhou 450064,China)

This paper mainly introduces the method and research process of color 3D printer color matching module and related control device based on AT89C52 single chip microcomputer. This device uses 12864 LCD display as a human-computer interaction device,matrix keyboard for color code input, and dedicated driver chip A4988 as stepper motor driver. The worm gear reducer mechanism is designed to ensure the stepper motor torque and quantitative feed control accuracy. The study shows that the color code input from the keyboard is calculated by the 51 single-chip microcomputer, the speed of the stepping motor is controlled by controlling the pulse output frequency of the I/O port to control the squeezing amount of the different color supplies, and only the three primary colors are used to prepare Multi-color print. The system can be plugged outside the traditional 3D printer, monochrome printer for multi-color transformation and full-color melting of the development of 3D printers is important.

3D color printing; single chip microcomputer; wire feeding device

2017-01-21

郭 鶴(1989-)，女，河南洛陽人，碩士，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)控制.

1006-3269(2017)02-0034-04

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2017.02.008