黃鴻喜 梁冬生 林江波 司妞

（湖南華曙高科技有限責任公司 湖南省長沙市 410000）

目前，隨著科技的發(fā)展，2013年開始，各類廠商開始加速對于三維打印機的研發(fā)，以及對新材料的挖掘，到現(xiàn)在打印機打印的產(chǎn)品被應用到各個行業(yè)。比如：醫(yī)學、教學、交通等。在不遠的將來，三維打印技術研究的方向也會隨著產(chǎn)品和行業(yè)的豐富變得不同，對于新技術、新設備、新材料的產(chǎn)生也會層出不窮[2]。

1 系統(tǒng)設計方法

此次研究模型為FS421M，是一款新型工業(yè)級金屬打印設備，該三維打印設備主要是打印一些零件以及小的模具。相比于一些傳統(tǒng)的零件，比如螺栓、螺母等零件。完全可以通過打印機進行加工，此設備很大的一個特點就是可以做到快速的一次性成型，再不需要其他加工。而且每次加工消耗的時間比傳統(tǒng)的打印機更短、易于調(diào)整。FS421M 就能夠直接利用模型文件燒結出實體工件，模型如圖1所示。

圖1：FS421M 模型

（1）儲粉罐：連接閉環(huán)送粉系統(tǒng)，將送粉系統(tǒng)運送至設備的金屬粉末暫存于兩個儲粉罐內(nèi)，以供建造使用；

（2）上供粉槽：儲粉罐內(nèi)金屬粉末落入上供粉槽內(nèi)，槽內(nèi)粉末存儲量將顯示在操作軟件界面上；

（3）振鏡系統(tǒng)：即光路控制系統(tǒng)，用于控制激光束完成截面圖形的掃描；

（4）下送粉槽：用于存儲金屬粉末實現(xiàn)雙向送粉及鋪粉，節(jié)省打印時間，提高效率。

1.1 基于MTConnect的3D打印設備監(jiān)測信息建模

近幾年來美國的機械專家提出了一種針對數(shù)字控制設備的通信協(xié)議，該協(xié)議就是MTConnect 協(xié)議，而之所以提出該協(xié)議就是為了更好的方便設備進行相關的數(shù)據(jù)采集，同時使設備的操作性更高，滿足隨時使用的工作環(huán)境。在最初的時候，對于MTConnect協(xié)議的使用還是為了滿足數(shù)控機床的需求，最后發(fā)現(xiàn)該協(xié)議具備很高的設備分析能力，而且可以根據(jù)不同用戶的不同需求進行增減元素，因此適合該三維打印設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。實際工作中對與MTConnect 協(xié)議的應用大概有四種類型：監(jiān)控的設備 、協(xié)議接口的適配器 、代理以及遠程的客戶端[3]。該研究就是通過MTConnect 協(xié)議對遠程的三維打印機進行控制，而MTConnect 客戶端就是整個系統(tǒng)的服務器實時的和三維打印機的通信接口連接，最終收集打印機所需要的相關信息[4]。

圖2：FS421M 打印機控制系統(tǒng)整體框架

MTConnect 協(xié)議的使用類型大概可以分為四種， M TConnectDevices 是一種用于三維打印機的設備分析文件，它包含了設備集（設備集）、組件集（組件），等等。Devices 中有多個小型裝置，在該研究中，裝置即FS421M 模型；組件集顧名思義就是每個小元件的集合，一般元件是加工軸、數(shù)據(jù)傳感器、信號控制器等等。這些組件中的任何一個都有大量的數(shù)據(jù)項，而每個數(shù)據(jù)項都是存儲每個組件的屬性。M TConnectStreams 是數(shù)據(jù)流文件，它的作用是對發(fā)送到設備和組件的數(shù)據(jù)進行綜合分析。M TConnectErrors 是錯誤文件，當客戶端加入遠程的請求出現(xiàn)問題時，就是利用錯誤文件將一個信號重新發(fā)送回客戶端。

1.2 3D打印設備監(jiān)測系統(tǒng)

文中設計的監(jiān)測系統(tǒng)的流程圖如圖1所示，主控芯片以 g 指令的形式傳送出電機的模型文件，實現(xiàn)了步進電機的轉速、位置和轉速的實時控制。其中四臺電機分別控制擠出機 X、 y、 Z 方向和步進電機的驅動脈沖，主控制器通過三極管電路分別控制噴嘴加熱棒和熱床的溫度。比例尺算法噴管接收 K 型熱電偶，通過 SPI 接口返回Stm32f405 的主控制器。通過DS18B20 單總線溫度傳感器接收溫度信號，實時控制3D 打印機。最后由MTCONNECT 接口傳輸所需打印工件的打印數(shù)據(jù)。

1.3 FS421M三維打印機遠距離控制系統(tǒng)硬件電路設計

1.3.1 FS421M 三維打印機遠距離控制系統(tǒng)主控芯片

對于該打印機的遠距離控制系統(tǒng)中控制電路的主控芯片的選擇為STM32F405 微控制器，該控制器的一個特點就是內(nèi)部含有1MB Flash，256kB RAM，168MHz 工作頻率，完全可以運行 RT—Thread 實時操作系統(tǒng)，同時還保證的操作的安全性。

1.3.2 FS421M 三維打印機電路模塊的設計

此次針對FS421M 三維打印機電路模塊的設計對于電機的選擇是使用國外先進的A4988 型號的電機作為整個打印機的驅動器，同時滿足在全、半、1/4，1/8 及1/16 步進模式下進行電機的操控，輸出驅動性能范圍大概在 35V 及 ±2A。

2 FS421M打印機監(jiān)測系統(tǒng)測試

本設計采用測試通過MTCONNECT 接口的 IP 映射到本地的FS421M 打印機中，客戶端則通過MTConnect 連接靜態(tài) IP 與端口，繼而實現(xiàn)二者的實時數(shù)據(jù)傳輸通路。

在經(jīng)過對FS421M 打印機的多次長距離檢測后，得出結論：遠程數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況小于2%，已經(jīng)達到了遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴省?/p>

3 FS421M打印機實驗測試結論和機器性能分析

本文針對FS421M 打印機遠程監(jiān)控系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一數(shù)據(jù) 接口這一問題 ，設計了以MTConnect 接口的FS421M 打印機遠程控制系統(tǒng)，最終完成了對打印機打印全過程的信息監(jiān)測。FS421M 打印機遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行 了系統(tǒng)功能測試和現(xiàn)場試驗 ，經(jīng)測試 系統(tǒng)方案可行。通過和國外的同類型產(chǎn)品進行對分析得出：該產(chǎn)品屬于同類型打印設備中的大型缸，在送粉系統(tǒng)、激光掃描的多個裝置的配合下，實現(xiàn)產(chǎn)品的一直生產(chǎn)，很大程度上提高了三維打印機的產(chǎn)能以及極大的提高了加工產(chǎn)品的效率，加快了金屬增材的產(chǎn)業(yè)化進程，在閉環(huán)的材料供給系統(tǒng)中，利用惰性氣體進行環(huán)境保護，最后再對剩余的材料進行回收利用，并可以再次使用，在提高材料利用率的時候，也保證了三維打印設備的安全；配置全新的集成循環(huán)過濾系統(tǒng)，在保證設備安全運行的條件下，很大程度上增加了使用壽命，在提高利潤的同時節(jié)約了使用成本；與華曙所有設備一樣完全開源，用戶根據(jù)自己的需求對參數(shù)可以進行調(diào)整，也可以根據(jù)具體情況使用華曙的高性能材料或者其他類型材料，從而使打印的結果達到最好，同時也實現(xiàn)了對接口的提前處理和最后處理。