余道洋

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009

0 引言

傳統(tǒng)方法中，當(dāng)一個三維模型需要打印時，首先由三維建模軟件或設(shè)備建立一個三維模型，然后將三維模型文件轉(zhuǎn)換成目前大多數(shù)3D打印機(jī)系統(tǒng)通用的STL格式，再經(jīng)過切片軟件將三維模型按照用戶設(shè)定的層高將模型切成一層層的截面進(jìn)而對每一層截面進(jìn)行路徑規(guī)劃，最后生成3D打印機(jī)通用的格式G代碼文件輸入到3D打印機(jī)進(jìn)行打印[1-2]。3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)Marlin在處理G代碼時，需要經(jīng)過字符串識別命令并轉(zhuǎn)換提取數(shù)值，接著執(zhí)行相對應(yīng)的工作[3]，當(dāng)G代碼命令為直線移動時，則須執(zhí)行直線坐標(biāo)運算、直線軌跡規(guī)劃及連接速度計算等運算；控制系統(tǒng)在打印過程中還要處理中斷、溫度檢測、加熱溫度控制及打印頭移動控制等任務(wù)[4]。Marlin系統(tǒng)及其他開源3D打印機(jī)控制系統(tǒng)，目前只支持單核處理器，只能應(yīng)付目前的工作需求，若在產(chǎn)品開發(fā)過程中增加新功能導(dǎo)致處理器無法負(fù)擔(dān)時，只有使用更快更好的處理器來回應(yīng)，這就限制了3D打印機(jī)日后的發(fā)展。

為了突破開源3D控制系統(tǒng)的限制，本文提出改變原有的開源打印機(jī)的代碼處理模式架構(gòu)，使用一種新的代碼處理方式，將部分處理程序在PC段先行運算處理完畢后，再輸入3D打印機(jī)中執(zhí)行，以此提升代碼處理的速度和效率，減少處理器負(fù)擔(dān)并節(jié)省CPU處理時間，并可為系統(tǒng)留下更多的發(fā)展空間，且通過PC端的預(yù)處理可得到更優(yōu)化的運算結(jié)果。本文選定由切層軟件自動生成的G代碼程序進(jìn)行外部處理，于PC端設(shè)計程序軟件，輸入G代碼程序，處理完成后輸出成自行定義的文件格式，再輸入到修改后的Marlin系統(tǒng)中進(jìn)行處理，并與原始處理機(jī)制進(jìn)行兩者處理時間差異的比較，以證明預(yù)處理機(jī)制的優(yōu)點。

1 3D打印機(jī)G代碼預(yù)處理機(jī)制架構(gòu)

本文研究的3D打印機(jī)G代碼預(yù)處理機(jī)制架構(gòu)采用間接打印的方式。當(dāng)切層軟件將STL文件轉(zhuǎn)換成G代碼后，先經(jīng)由本文研究開發(fā)的G代碼預(yù)處理程序預(yù)先處理轉(zhuǎn)換成自行定義的GPRE格式文檔，存儲于PC機(jī)中，再通過串口輸入到打印機(jī)中進(jìn)行打印，因此，本文研究的3D打印機(jī)G代碼預(yù)處理架構(gòu)分為兩大部分：

(1)PC端的G代碼預(yù)處理程序負(fù)責(zé)將G代碼文件預(yù)先進(jìn)行路徑規(guī)劃后，輸出成本文自行定義的預(yù)處理文件GPRE文件。

(2)在熔融沉積成形(fused deposition modeling,FDM)3D打印機(jī)端將Marlin系統(tǒng)固件修改成一個不需執(zhí)行路徑規(guī)劃運算的軟件系統(tǒng)。

一般3D打印機(jī)在打印零件時是一邊編譯G代碼一邊執(zhí)行打印，所以G代碼的預(yù)處理就是將原本由3D打印機(jī)控制系統(tǒng)Marlin所需處理的G代碼程序移出至PC端先行編譯，然后輸入至打印機(jī)執(zhí)行打印。由于在原來的Marlin中打印時G代碼文件的處理都是依序讀入命令及運算處理再存入隊列架構(gòu)的塊緩沖器中，等待電機(jī)驅(qū)動程序提取，加上運算時絕大部分的運算參數(shù)皆為固定參數(shù)或是由前次運算產(chǎn)生，所以G代碼的預(yù)處理程序就是將一部分處理程序由3D打印機(jī)的控制系統(tǒng)“移植”到PC端由軟件來處理。

1.1 G代碼預(yù)處理程序流程

預(yù)處理程序工作可分為文件輸入與輸出、指令分析與字符轉(zhuǎn)換、指令運算處理3個部分，工作流程見圖1。

圖1 G代碼預(yù)處理程序流程圖Fig.1 G code preprocess flowchart

(1)文件的輸入與輸出。當(dāng)預(yù)處理程序開始時，會先根據(jù)輸入的文件名開啟文件，并建立文件名相同、后綴名為GPRE的預(yù)處理文件，并將預(yù)處理的結(jié)果存入該文件中。

(2)指令分析與字符轉(zhuǎn)換。以“行”為單位讀取文件內(nèi)容并分析，首先判斷該行的指令類別，對G預(yù)備功能指令或M輔助功能指令分別進(jìn)行處理；若為G預(yù)備功能指令，那么接著將由字符組成的G代碼指令中代表數(shù)值的部分轉(zhuǎn)換成數(shù)值，再將所轉(zhuǎn)出的功能參數(shù)分別存入相應(yīng)的暫存器中，供指令運算處理提取使用。

(3)指令運算處理。當(dāng)代碼指令分析完成后，根據(jù)指令的不同進(jìn)入各自的處理程序，并進(jìn)行判斷。①若為G預(yù)備功能命令，則進(jìn)入預(yù)備功能處理程序，再根據(jù)不同命令分別作如下不同處置：若G為G0或G1指令，由于G0和G1基本功能類似，G0和G1指令在Marlin中被視為同一功能，因此在執(zhí)行預(yù)處理時，也被視為同一功能，首先提取代表各移動軸移動的目標(biāo)點位置及移動速度參數(shù)，再開始進(jìn)行路徑規(guī)劃，計算各軸電機(jī)移動參數(shù)，運算結(jié)果按照本文規(guī)劃的文件封包格式存入預(yù)處理文件中；若為G92指令，則根據(jù)指令參數(shù)重設(shè)該軸位置參數(shù)，下次運算時會以新位置參數(shù)來計算移動位置。②若為M輔助功能命令，則進(jìn)入輔助功能處理程序，由于輔助功能命令是作為變更內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)定及動作的功能命令，無需預(yù)處理，因此所有輔助功能命令都是按照規(guī)劃的文件格式，直接轉(zhuǎn)換成數(shù)值封包存入預(yù)處理文件中的。

1.2 G代碼預(yù)處理文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

分析3D打印G代碼文件時會發(fā)現(xiàn)，打印指令絕大部分都是由G1指令構(gòu)成的，因此G代碼預(yù)處理的工作重點就是連續(xù)的直線路徑規(guī)劃。直線路徑規(guī)劃的工作是輸入各軸目標(biāo)位置及目前速度后，計算目前位置移動到下一個位置時，控制步進(jìn)電機(jī)動作所需的各項參數(shù)。由于步進(jìn)電機(jī)在啟動時速度不能太大，必須要有一個加速過程，因此在G代碼文件預(yù)處理時，要規(guī)劃加減速算法，本文經(jīng)過綜合考慮，采用梯形加減速速度控制算法。經(jīng)計算產(chǎn)生的參數(shù)及說明見表1，表1中的步數(shù)是指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個步距角時，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)所移動的直線位移。

由于預(yù)處理程序主要做G代碼路徑規(guī)劃的預(yù)先計算處理，所以本文將G代碼預(yù)處理后文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為兩類：一類是路徑規(guī)劃運算完成后所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，另一類是不經(jīng)運算處理直接轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)的狀態(tài)控制及輔助功能指令所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。這兩類數(shù)據(jù)封包格式分別為：①直線軌跡計算文件封包格式，用于記錄路徑規(guī)劃運算完成后所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，封包大小為84字節(jié)；②狀態(tài)控制及輔助功能指令封包格式，用于記錄不經(jīng)運算處理直接轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)的指令，封包大小為12字節(jié)。本文規(guī)劃了開頭碼與結(jié)束碼作為每一段封包的識別標(biāo)記。

表1 采用梯形加減速控制算法的直線軌跡參數(shù)

1.3 G代碼預(yù)處理程序前瞻控制算法

為了保證大量微小線段的連續(xù)運行，避免在運動過程中出現(xiàn)停頓，G代碼預(yù)處理程序必須具備對多段微小線段進(jìn)行預(yù)讀的前瞻控制功能，提前優(yōu)化相鄰程序段轉(zhuǎn)接處速度和判別減速區(qū)域[5]，實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)折和減速區(qū)域的平滑過渡，從而避免沖擊，提高打印成形質(zhì)量。前瞻控制通過提前檢查將在某一特定程序段內(nèi)執(zhí)行的數(shù)據(jù)，以驗證控制系統(tǒng)能否處理所要求的路徑，如果檢查結(jié)果顯示存在問題，就要對程序指令中速度進(jìn)行修正，包括相鄰程序段轉(zhuǎn)接處速度優(yōu)化算法、反向速度規(guī)劃算法及熔絲擠出速度優(yōu)化算法等。

1.3.1相鄰程序段轉(zhuǎn)接處速度優(yōu)化算法

已知

則

式中，δ為圖2中OA的長度，本文預(yù)設(shè)δ=0.1mm；θ為相鄰路徑段之間的夾角，即第一條路徑段終點處的進(jìn)給方向與第二條路徑段起點處的進(jìn)給方向之間的夾角。

圖2 連接速度計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of connection speed calculation

1.3.2反向速度規(guī)劃算法

對于單個線性程序段來說，在插補(bǔ)過程中需要提前預(yù)測減速點，確定何時進(jìn)入減速區(qū)域，從而保證在系統(tǒng)運行到終點時，速度達(dá)到預(yù)定值[6]。切片軟件生成的G代碼多為微線段，對于連續(xù)微線段的插補(bǔ)，由于線段長度很短，則減速點可能在上一個程序段中,甚至在轉(zhuǎn)接點之前多個程序段中，因此在插補(bǔ)過程中僅僅保證本程序段終點速度沒有超過最高限速是不行的。并且由于沒有預(yù)見到后面的減速情況，可能在插補(bǔ)到某個程序段處，基于減速能力的限制，系統(tǒng)無法減速到該程序段終點限制速度，從而產(chǎn)生過沖。

本文為了保證在打印過程中不產(chǎn)生過沖，G代碼預(yù)處理程序采用對所預(yù)讀的程序段進(jìn)行反向速度規(guī)劃的方式進(jìn)行速度規(guī)劃。該過程從預(yù)讀程序段的最后一段Nn開始反向計算各段程序Nj(j=1,2,…,n)所允許的最大初速度，具體計算方法是根據(jù)每段給定的末速度ve及運動距離s，以梯形加減速作為速度曲線進(jìn)行倒推，求得最大初速度vs，并將計算出的第Nj段允許的最大初速度作為第Nj-1段的最大允許末速度。

1.3.3熔絲擠出速度優(yōu)化算法

切層軟件生成的G代碼程序熔絲擠出速率一般為恒定的，然而，沿著刀具路徑的切向速度并不是保持恒定的，在接近程序段轉(zhuǎn)接處要減速，通過程序段轉(zhuǎn)接處又要加速，導(dǎo)致的結(jié)果是多余的熔料可能沉積在相鄰路徑轉(zhuǎn)接處[7]。

本文熔絲擠出速度優(yōu)化算法的目標(biāo)是：根據(jù)打印頭進(jìn)給速度的不同適當(dāng)調(diào)節(jié)熔絲擠出速率。為此，本文假定在打印過程中熔絲擠出速率與打印頭進(jìn)給速率保持一定的比例關(guān)系。具體算法為：預(yù)處理程序先前瞻一定的程序段，根據(jù)1.3.1節(jié)算法，已知前瞻程序段相鄰段之間的夾角，提前計算相鄰程序段轉(zhuǎn)接處速度，然后根據(jù)比例關(guān)系計算出熔絲擠出速率，將計算結(jié)果寫入相關(guān)表格中。由本文算法分析可知，在相鄰程序段轉(zhuǎn)接處，根據(jù)轉(zhuǎn)接處速度大小自動調(diào)整熔絲擠出速率，避免了多余的熔料沉積在轉(zhuǎn)接處，進(jìn)而提高了打印質(zhì)量。

2 預(yù)處理機(jī)制對Marlin固件的修改

由于本文采用了預(yù)處理機(jī)制，從而需對Marlin固件程序作部分修改，使得Marlin能夠接收及處理預(yù)處理程序完成的文件。由于原始Marlin文件的G代碼處理程序并非只處理打印時的G代碼文件，還包含系統(tǒng)工作時通過下達(dá)G代碼指令的方式執(zhí)行系統(tǒng)參數(shù)變更等工作，所以無法直接使用預(yù)處理程序取代原有的G代碼處理程序。本文采用兩者并存的方式，額外增加預(yù)處理機(jī)制以處理GPRE文件，并保留原有的工作模式，只在進(jìn)行文件讀取時增加了文件類型的判別及處理，而對原有的處理程序并未作任何改變。

預(yù)處理機(jī)制的Marlin文件處理程序如圖3所示，G代碼文件處理流程部分與原來相同。而新增加的GPRE文件處理部分則分為兩個部分，分別為文件封包的讀取及文件封包的處理。

圖3 預(yù)處理機(jī)制文件處理程序Fig.3 Preprocessing mechanism file processing procedure

(1)文件封包的讀取。在Marlin原來的讀取程序上，增加讀取文件類型判斷，若為GPRE文件則會進(jìn)入封包接收模式讀取封包資料，并在接收完成后存入為預(yù)處理機(jī)制新增加的緩沖區(qū)中，等待封包處理程序提取。

(2)文件封包的處理。由于在執(zhí)行預(yù)處理時已將封包分為兩類，因此文件封包的處理只需判斷封包的類型即可，若為直線軌跡，計算文件封包則直接將文件提取存入運動塊緩沖區(qū)交由電機(jī)驅(qū)動程序使用，若為其他指令封包格式，則在判斷指令功能后交由相關(guān)程序執(zhí)行，因為所有指令參數(shù)皆為數(shù)值類型，較原有的G代碼處理程序節(jié)省了字符-數(shù)值間的轉(zhuǎn)換時間，因此減少了處理流程。

3 實驗結(jié)果與分析

本文將G代碼文件結(jié)構(gòu)分為打印前準(zhǔn)備、打印中及打印結(jié)束3個部分，分別分析如下。

(1)打印前準(zhǔn)備。多為設(shè)定指令，用于打印前設(shè)定各項參數(shù)等工作。

(2)打印中。大多由直線移動指令組成，還有些風(fēng)扇設(shè)定指令，用于控制打印時的風(fēng)量及開關(guān)。

(3)打印結(jié)束。與打印前準(zhǔn)備相同，多為設(shè)定指令，用于打印結(jié)束時設(shè)定相關(guān)參數(shù)，執(zhí)行關(guān)閉風(fēng)扇并使各軸電機(jī)回零等工作。

3.1 預(yù)處理機(jī)制與原始處理機(jī)制執(zhí)行時間的劃分

為了能夠比較G代碼預(yù)處理機(jī)制與原始處理機(jī)制在程序運作上的效率差異，本文選擇程序執(zhí)行時間作為兩者執(zhí)行效率差異的依據(jù)。由于所有的G代碼指令中，G1移動指令的處理是本文預(yù)處理的重點，其程序執(zhí)行時間最能比較出兩者之間的差異，因此以G1指令處理程序的執(zhí)行時間作為比較量，并且將整個處理程序分為三個階段(圖4)分別測量其執(zhí)行時間，三階段的分段說明如下。

圖4 處理程序執(zhí)行三階段Fig.4 Three stages of processing program execution

(1)指令讀取時間。比較預(yù)處理機(jī)制和原始處理機(jī)制的從系統(tǒng)中讀取程序到將程序發(fā)送到命令緩沖區(qū)的時間。

(2)指令執(zhí)行準(zhǔn)備時間。比較由命令緩沖區(qū)提出，預(yù)處理機(jī)制與原始處理機(jī)制執(zhí)行指令分析處理，到路徑規(guī)劃前的預(yù)備處理時間。

(3)路徑規(guī)劃時間。比較原始處理機(jī)制進(jìn)入路徑規(guī)劃并將數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)時間與預(yù)處理機(jī)制進(jìn)入數(shù)據(jù)復(fù)制并將所有參數(shù)輸入到緩沖區(qū)的時間。

3.2 實驗方法及測量結(jié)果分析

實驗以μs作為測量的時間單位，使用文件內(nèi)容只有G1指令的G代碼文件與同樣文件進(jìn)行預(yù)處理轉(zhuǎn)換后的GPRE文件作為測量用的測試文件，分別測量三個階段程序的執(zhí)行時間，每一階段皆取前100次測量時間進(jìn)行記錄，整理各階段平均執(zhí)行時間及總時間，結(jié)果如圖5所示。下面針對每一階段測量結(jié)果進(jìn)行分析和討論。

圖5 程序執(zhí)行階段時間比較圖Fig.5 Time comparison diagram of the program execution phase

(1)指令讀取時間。本文采用串口將經(jīng)過預(yù)處理機(jī)制后的GPRE文件傳輸?shù)組arlin控制器中，在串口傳輸速率設(shè)定為57 600 bit/s時，文件讀取時間為圖5中第一階段黑色柱形圖所表示的時間，而原始G代碼指令讀取時間為第一階段中白色柱形圖所表示的時間。由圖5可以看出，在相同的傳輸條件下，采用預(yù)處理機(jī)制后文件讀取時間較長，這是因為預(yù)處理后的G1文件封包長度(84字節(jié))為原始G代碼G1指令平均長度(28字節(jié))的3倍。

(2)指令執(zhí)行準(zhǔn)備時間。當(dāng)程序進(jìn)入處理程序時，經(jīng)過預(yù)處理后的文件平均處理時間為85 μs，為原始G代碼程序處理時間的20%；由測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理機(jī)制在這一部分只做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移及判斷的動作，因此大部分的時間固定為85 μs，而原始G代碼處理程序中有許多判斷式，每次的程序流程都不一樣，所以每次時間都不固定，在250～500 μs之間。

(3)路徑規(guī)劃時間。預(yù)處理機(jī)制在這一個階段的執(zhí)行時間平均為50 μs，因為預(yù)處理程序在這個部分只有建立新的運動塊緩沖區(qū)及將數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖區(qū)中的操作，而原始機(jī)制在這個階段需要執(zhí)行路徑規(guī)劃運算，因此平均執(zhí)行時間達(dá)到1 000 μs左右。

雖然預(yù)處理機(jī)制在第一階段耗費的時間較長，但在第二及第三階段耗費的時間明顯比原始G代碼處理機(jī)制時間要少。通過計算分析，由圖5可以看出，預(yù)處理機(jī)制執(zhí)行總時間約為原始G代碼處理機(jī)制執(zhí)行總時間的80%。

3.3 實際打印分析

本文采用相同打印材料及工況，使用原始機(jī)制及G代碼預(yù)處理機(jī)制分別實際打印同一個三維模型，打印結(jié)果如圖6所示。就打印品質(zhì)來說，經(jīng)過G代碼預(yù)處理后，作品品質(zhì)有了一定的提升,主要表現(xiàn)在圖6b作品的輪廓更完整，外觀平整度更好，在輪廓轉(zhuǎn)接處沒有多余熔料堆積，這主要歸結(jié)于圖6b作品在預(yù)處理機(jī)制中使用了前瞻控制算法。

(a)原始機(jī)制(b)G代碼預(yù)處理機(jī)制圖6 實際打印作品Fig.6 Actual printing works

4 結(jié)語

本文在原有3D打印機(jī)控制系統(tǒng)Marlin固件文件處理架構(gòu)上加以變化，提出將G代碼于PC端進(jìn)行預(yù)處理后再輸入3D打印機(jī)中進(jìn)行打印操作，實驗測量和實際打印結(jié)果表明，此方法改善了打印品質(zhì)，同時提升了文件處理的速度及效率，減少了打印機(jī)處理器系統(tǒng)負(fù)擔(dān)并可為控制系統(tǒng)留下更多的擴(kuò)展空間。