曾齊高，羅 飛，李積彬

（1.深圳市龍崗職業(yè)技術學校，廣東深圳 518172；2.深圳技師學院，廣東深圳 518040；3.深圳市模具先進制造技術重點實驗室，廣東深圳 518060）

0 引言

為滿足日益苛刻的工業(yè)低成本和高性能要求，結合快速成形技術和金屬粉末注射成形技術的優(yōu)點，李積彬［1］提出了粉末冶金快速成形敏捷制造概念，用金屬粉末材料制造產(chǎn)品樣品零件，從而降低成形機成本，提高零件機械性能。

金屬粉末3D打印成形技術［2－3］是基于粉末冶金快速成型敏捷制造概念而提出并升級的新技術、新工藝，是集金屬粉末注射成形技術和快速成形技術優(yōu)點所提出的一項新工藝。與現(xiàn)有的成形技術相比，該技術具有以下幾個特點：（1）無需模具，傳統(tǒng)的成形方法需要開模，而模具的成本較高，并且模具加工周期一般都較長；（2）無需大功率激光器，傳統(tǒng)的激光燒結快速成形技術需要大功率激光頭，其成本較高，少則幾十萬，多則上百萬，非一般企業(yè)所能承受；（3）成形材料不局限于塑料，可適用于熔點較高的金屬粉末、陶瓷粉末等。

金屬粉末3D打印裝備的開發(fā)是實現(xiàn)金屬粉末3D打印工藝的基本保證，也是驗證金屬粉末3D打印工藝可行性的重要保障。金屬粉末3D打印裝備系統(tǒng)開發(fā)可分為4個層次，最高層為工藝原理層，其次為軟件系統(tǒng)，再其次為控制系統(tǒng)層，最底層為機械系統(tǒng)層［4］。

本文旨在解決金屬粉末3D打印裝備控制系統(tǒng)的設計，控制系統(tǒng)是裝備的關鍵所在，是裝備功能實現(xiàn)的保證。

1 裝備控制系統(tǒng)總體設計

金屬粉末3D打印裝備控制系統(tǒng)包括三維快速成形平臺運動控制系統(tǒng)、單螺桿擠出裝置運動控制系統(tǒng)、料筒加熱溫度控制系統(tǒng)、平臺溫度控制系統(tǒng)等4部分。

控制系統(tǒng)采用工控機（PC機）作為上位機，基于PCI總線的運動控制卡作為下位機。以ADT－8940A1運動控制卡為核心，開發(fā)了一套快速成形系統(tǒng)的硬件平臺，包括三維快速成形運動平臺、擠出螺桿動力驅動裝置。

裝備中三維快速成形平臺的X、Y、Z軸伺服電機，單螺桿擠出裝置中的螺桿驅動電機A軸電機，以及X、Y、Z滑臺的限位需要控制?；赑CI總線的運動控制卡核心是由DSP和FPGA組成，具有功能強大、軟件系統(tǒng)開發(fā)便利（支持VB，VC，Delphi等編程語言）、界面友好等優(yōu)點，因此被廣泛應用于運動控制領域。溫度控制系統(tǒng)包括溫度采集、溫度控制兩部分。熱電偶作為最普通的溫度傳感器應用于本研究，其所測溫度轉化為微弱電勢信號，經(jīng)一體化溫度變送器將其信號放大，最終模擬信號通過數(shù)據(jù)采集卡輸入PC機中顯示。通過所測溫度與設定溫度值比較，通過ADT－8940A1四軸運動控制卡的通用I／O輸出控制固態(tài)繼電器，進而控制加熱圈的通斷。

軟件系統(tǒng)以Visual C＋＋6.0為開發(fā)平臺，開發(fā)了快速成形控制軟件。其中包括運動測試模塊、監(jiān)控模塊和成形模塊3部分。

2 硬件設計

控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由工控機（PC機）、運動控制卡、伺服電機、伺服驅動器、光電限位開關、固態(tài)繼電器、加熱圈、熱電偶等組成，控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構

控制系統(tǒng)的“大腦”工控機（PC機），作為控制系統(tǒng)的上位機，主要提供與用戶的友好交互界面、控制狀態(tài)的監(jiān)控以及顯示。由于系統(tǒng)采用的是基于PCI總線的運動控制卡，所以作為上位機必須擁有即插即用的PCI擴展槽，計算機系統(tǒng)必須具備高級編程語言如VC＋＋、VB、LabVIEW、Delphi、C＋＋Builder等［5］。

本文選用深圳市眾為興數(shù)控技術有限公司的ADT－8940A1四軸運動控制卡。ADT－8940A1控制卡是基于PCI總線的高性能四軸伺服控制卡，一個系統(tǒng)中可支持多達16塊控制卡，可控制64路伺服／步進電機，支持即插即用。脈沖輸出方式可用單脈沖（脈沖＋方向）或雙脈沖（脈沖＋脈沖）方式，最大脈沖頻率2 MHz，采用先進技術，保證在輸出頻率很高的時候，頻率誤差小于0.1%。支持任意2～4軸直線插補，最大插補速度1 MHz。速度控制可用定速和梯形加減速。位置管理采用2個加／減計數(shù)器，1個用于管理內部驅動脈沖輸出的邏輯位置計數(shù)器，1個用于接收外部的輸入，輸入信號是A／B相輸入的編碼器或光柵尺，作為實際位置計數(shù)器位數(shù)高達32位，最大范圍－2 147 483 648～＋2 147 483 647。提供各種語言函數(shù)庫和Windows動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)復雜的控制功能。

溫度控制系統(tǒng)包括料筒加熱溫控系統(tǒng)和成形平臺溫控系統(tǒng)兩部分。溫控系統(tǒng)從功能上可分為溫度采集模塊和溫度控制模塊。溫度采集模塊一般采用熱電偶、溫度變送器和A／D轉化模塊等組成。熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結構簡單、使用方便等特點，因此在工業(yè)溫度控制過程中得到了廣泛應用。由于其直接和被測對象接觸，不受中間介質的影響，因而測量精度高，并且通常可以在－50～1 200℃進行連續(xù)測量。由于熱電偶所測電勢信號較弱，所以系統(tǒng)中還需一體化溫度變送器將熱電偶產(chǎn)生的電勢經(jīng)冷節(jié)補償放大后，再由線性電路消除熱電勢與溫度的非線性誤差，最后放大轉化為4～20 mA電流輸出信號。

溫度控制模塊由固態(tài)繼電器控制加熱圈的通斷來實現(xiàn)，將熱電偶所測得的溫度與系統(tǒng)所設定的溫度值進行比較后，利用運動控制卡的通用I／O接口控制固態(tài)繼電器的開關，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。系統(tǒng)中采用6個固態(tài)繼電器和多個大功率的加熱圈，溫度控制系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 溫度控制系統(tǒng)

3 軟件設計

軟件系統(tǒng)是快速成形系統(tǒng)的靈魂，快速成形系統(tǒng)中所有的動作都需要軟件系統(tǒng)來執(zhí)行。根據(jù)軟件在成形過程中所起的作用，快速成形軟件可分為模型數(shù)據(jù)處理軟件和快速成形加工軟件兩大部分。本文采用深圳大學SZU－RP模型數(shù)據(jù)處理軟件對3D模型進行切片，得到能夠與成形軟件進行通訊的.txt文件。數(shù)據(jù)處理軟件即快速成形切片軟件，是快速成形制造技術中的關鍵部分，軟件采用STL文件格式，通過STL文件記錄每個三角平面片的頂點坐標和法向矢量［6］。如圖3所示，SZU－RP系統(tǒng)用一系列垂直于Z軸的平面與三維實體的表面求截交線，所得的截交線通常為一個或多個封閉的曲線環(huán)，這些封閉的曲線環(huán)所包圍的面即為二維的層片，實現(xiàn)將三維數(shù)據(jù)離散為二維數(shù)據(jù)，得到能夠與成形軟件進行通訊的.txt文件。

圖3 STL切片原理

快速成形加工軟件是快速成形軟件系統(tǒng)中最重要的一部分，所有的成形功能均由此完成，所以該軟件設計的好與壞將直接影響到金屬粉末3D打印成形工藝成形零件質量的優(yōu)劣。軟件系統(tǒng)是基于Visual C＋＋6.0平臺環(huán)境開發(fā)的，為用戶提供了良好的可視化編程環(huán)境。該環(huán)境由一套綜合的集成工具組成，在此環(huán)境下，可以對C和C＋＋應用程序進行各種操作，包括建立、打開、編輯、瀏覽、保存、編譯、鏈接和調試等，而這些操作都可以用鼠標單擊工具按鈕來完成［7］。

控制系統(tǒng)中采用ADT－8940A1運動控制卡，其提供了Windows系統(tǒng)下的動態(tài)鏈接庫，所以只要調用函數(shù)庫中的指令，就可以實現(xiàn)運動控制器的各種功能。

成形開始之前需要對控制卡初始化，電機上伺服，然后設定成形參數(shù)，包括成形溫度、擠出速度、成形平臺運動速度、加速度等，讀取切片軟件處理完成的數(shù)據(jù)文件，然后進行金屬粉末擠出堆積快速成形，其程序設計流程如圖4所示。

圖4 程序設計流程

軟件系統(tǒng)設計包括測試模塊、狀態(tài)監(jiān)控模塊和成形模塊3部分。測試模塊主要包括單軸運動狀態(tài)測試、多軸插補運動測試、各軸正負限位測試、程序基本參數(shù)設置、運動控制卡IO測試等；狀態(tài)監(jiān)控模塊主要包括運動實時路徑顯示，是用VC＋＋畫圖程序和TIMER控件完成；成形模塊包括讀取成形文件、計算零件成形時間等。金屬粉末擠出堆積快速成形軟件界面如圖5所示。

圖5 金屬3D打印軟件界面

成形程序由VC＋＋6.0編寫，許多的函數(shù)都是調用運動控制卡所封裝好的函數(shù)，程序中部分代碼如圖6所示。

圖6 部分代碼

4 結束語

本文詳細闡述了金屬粉末3D打印裝備控制系統(tǒng)的設計，控制系統(tǒng)是裝備的關鍵所在，是裝備功能實現(xiàn)的保證?？刂葡到y(tǒng)從功能上由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設計兩部分組成。

控制系統(tǒng)采用工控機（PC機）作為上位機，基于PCI總線的運動控制卡作為下位機。以ADT－8940A1運動控制卡為核心開發(fā)了一套快速成形系統(tǒng)的硬件平臺，包括三維快速成形運動平臺、擠出螺桿動力驅動裝置。軟件系統(tǒng)以Visual C＋＋6.0為開發(fā)平臺，開發(fā)了快速成形控制軟件，其中包括運動測試模塊、監(jiān)控模塊和成形模塊3部分。

通過后續(xù)成形工藝實驗研究，測試了金屬粉末3D打印裝備控制系統(tǒng)的硬件和軟件功能，驗證了金屬3D打印成形工藝的正確性以及合理性。