仇文杰，陳克選，包學(xué)強，許可可

（蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

0 前言

快速成形技術(shù)（Rapid Prototyping，簡稱RP）是集計算機學(xué)、光學(xué)、材料學(xué)以及其他學(xué)科于一體并且將零件的三維CAD模型通過制造設(shè)備堆積成具有一定結(jié)構(gòu)和功能的零件或原型的一種先進制造技術(shù)[1]。它不同于傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨等去除成型，也不同于鑄、鍛、粉末冶金等受迫成型的加工方法，而是采用材料累加的方法[2]。較傳統(tǒng)加工方法，快速成型制造技術(shù)具有技術(shù)集成度高、自由成型制造、高柔度性、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等優(yōu)點[3-4]。本研究采用的絲材等離子電弧增材制造技術(shù)適用于大尺寸且形狀較復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速成型，是與目前發(fā)展較成熟的激光增材制造方法優(yōu)勢互補的3D增材成型技術(shù)，克服了激光或電子束設(shè)備成本高、成型效率低的缺點[5]。通過三維建模，全過程由計算機控制將材料逐層累加制造實體零件，縮短了加工周期，減少工序，提高了原材料的使用率，并且形狀越復(fù)雜其優(yōu)勢越明顯。

1 系統(tǒng)組成

等離子弧金屬快速成型技術(shù)是以等離子弧作為熱源，熔化金屬基體（或前層熔積金屬）和金屬填充材料，由計算機控制三維運動機構(gòu)和變位機按照預(yù)先設(shè)定的層積路徑提供運動軌跡掃描，控制等離子弧在層積路徑形成移動的金屬熔池，熔融金屬經(jīng)過快速凝固形成所需的金屬功能零件[6]。

等離子弧快速成型系統(tǒng)主要由運動控制系統(tǒng)、焊接電源、送絲系統(tǒng)、水冷循環(huán)系統(tǒng)等組成。本研究采用2臺獨立的焊接電源供電，其中一臺為主弧電源，另一臺為維弧電源，由于兩者互不干擾，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和零件的成型精度。送絲系統(tǒng)設(shè)計利用Visual C++6.0開發(fā)運動控制卡控制步進電機實現(xiàn)步進送絲，配合焊槍運動，進一步提高成型精度，減小變形。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

2 控制卡及運動平臺的搭建

2.1 運動控制卡

運動控制卡是實現(xiàn)運動控制的核心部分，為滿足快速成型系統(tǒng)長時間、高精度的運行要求，采用AVR2系列ATMEGA2560單片機作為控制卡的處理器，ATMEGA2560多達100個引腳，有多個輸入/輸出口，具有通訊速率高、處理速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

控制卡通過數(shù)據(jù)總線與上位機實現(xiàn)通訊，通訊速率可達200 kB/s，能夠同時對多個步進電機進行協(xié)同控制[7]。輸出4路單脈沖（脈沖+方向）信號，其中3路控制x、y、z三軸協(xié)同運動，完成對運動路徑的掃描，第四路信號控制送絲電機配合掃描路徑實現(xiàn)步進送絲。控制卡與驅(qū)動器的接口電路采用共陽極接法，具體接口電路示意如圖2所示。

圖2 控制卡和驅(qū)動器接口電路Fig.2 Control card and driver interface circuit

2.2 運動平臺的搭建

運動機構(gòu)將等離子焊槍固定在滑臺的滑塊上，由步進電機通過滑臺的絲桿旋轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的移動，實現(xiàn)焊槍對運動路徑的掃描。由于等離子焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、槍體較重，對導(dǎo)軌和電機均有一定的要求。因此選定3個1610型絲杠搭建成3軸滑臺，采用雷塞86HS85步進電機驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，完成了運動平臺的搭建。

3 軟件設(shè)計及部分系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

3.1 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要分為讀取G指令、解析和編譯、信號輸出三大模塊。讀取指令模塊主要實現(xiàn)與上位機通訊，識別并讀取G代碼送到指令存儲區(qū)；解析和編譯模塊的功能是將存儲區(qū)的G代碼轉(zhuǎn)化為脈沖信號；信號輸出模塊則是將信號從控制卡單向傳輸?shù)讲竭M電機驅(qū)動器，最終實現(xiàn)步進電機的控制[8]。軟件的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程Fig.3 Main program flow chart

3.2 部分參數(shù)設(shè)定

利用CAD軟件進行三維建模，再將模型進行切片處理生成G代碼，通過運動控制卡將G代碼編譯為脈沖驅(qū)動信號送入步進電機，最后由步進電機驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)焊槍對運動路徑的掃描，最終得到實體零件。但是，要保證零件的成型精度，需根據(jù)步進電機和絲杠的相關(guān)參數(shù)嚴格確定輸出脈沖。所選步進電機和滾珠絲杠的相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示，通過式（1）計算得到控制卡輸出脈沖的個數(shù)。

表1 步進電機參數(shù)Table 1 Stepper motor parameters

表2 滾珠絲杠參數(shù)Table 2 Ball screw parameters

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT{320，320，320} //x，y，z軸移動 1mm 所需要的脈沖。

其次，零件的設(shè)計尺寸必須小于絲杠的最大行程，以下是軟件中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，0表示限位開關(guān)的位置。

#define X_MAX_POS 600//x軸運動的最大位移（單位：mm）；

#define X_MIN_POS 0 //x軸運動的最小位移（單位：mm）；

#define Y_MAX_POS 600//y軸運動的最大位移（單位：mm）；

#define Y_MIN_POS 0 //y軸運動的最小位移（單位：mm）；

#define Z_MAX_POS 500//z軸運動的最大位移（單位：mm）；

#define Z_MIN_POS 0 //z軸運動的最小位移（單位：mm）。

4 模型分層及驗證實驗

4.1 模型分層

經(jīng)過軟件編寫、硬件電路連接、運動平臺搭建等步驟最終完成實驗設(shè)備的搭建工作。測試過程由CAD制圖軟件設(shè)計零件的三維模型如圖4a所示，并將模型保存為STL文件。而合理地實現(xiàn)STL文件模型分層是增材制造中極為重要的環(huán)節(jié)，也決定著最終實體零件的質(zhì)量和精度。經(jīng)過多次焊接實驗得到分層高度、成型速度等相關(guān)參數(shù)，切片采用Cura軟件根據(jù)實驗參數(shù)對STL文件模型進行分層切片，如圖4b所示。將經(jīng)過切片處理得到的模型的G代碼文件通過USB數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)竭\動控制卡，再由運動控制卡驅(qū)動運動平臺按軌跡掃描最終得到實體零件。基于模型的STL文件分層參數(shù)如表3所示。

圖4 三維模型及其分層Fig.4 3D Model and 3D Model stratification

表3 模型分層參數(shù)Table 3 Model stratification parameters

4.2 驗證實驗

實驗采用2臺小型TIG-200等離子焊接電源作為快速成型系統(tǒng)的熱源，采用直徑為0.8mm的ER70S-6的金屬絲材和側(cè)向填絲工藝，配合運動系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)進行驗證實驗。實驗獲得實體零件的工藝參數(shù)和零件的實際參數(shù)如表4和表5所示，實物如圖5所示。

表4 成型工藝參數(shù)Table 4 Forming process parameters

表5 實物參數(shù)Table 5 Entity parameters

圖5 等離子弧快速成型實物Fig.5 Plasma arc rapid prototyping

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了以運動控制卡為核心的等離子弧快速成型系統(tǒng)，以PC機作為上位機實現(xiàn)了三維建模，模型分層，路徑編譯；以運動控制卡和三軸運動系統(tǒng)為下位機實現(xiàn)步進電機的控制，焊槍運動。

（2）整套設(shè)備實現(xiàn)了由三維模型到實體零件的自動化成型，減少了人工干預(yù)，克服了復(fù)雜零件加工困難、鑄造成本高的缺點。

（3）經(jīng)測試設(shè)備性能穩(wěn)定，零件成型良好。

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