段嘉奇，郝明暉，秦若森，張 鵬，富宏亞

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

3D打印作為一種增材制造技術(shù)，直接以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)“自下而上”的逐層堆疊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的自由制造，由于其具有材料利用率高、成型能力強(qiáng)及自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，目前已在航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料3D打印技術(shù)憑借其產(chǎn)品比重小、可原位固化及可回收等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為3D打印技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]。俄羅斯Anisoprint公司開(kāi)發(fā)了復(fù)合纖維共擠技術(shù)并推出Composer系列3D打印機(jī)[2]。美國(guó)Arevo公司開(kāi)發(fā)出基于激光直接能量沉積的專(zhuān)利連續(xù)纖維3D打印工藝并已實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料自行車(chē)車(chē)架的制造。美國(guó)Markforged公司推出雙噴頭結(jié)構(gòu)的3D打印機(jī)Mark One 和 Mark Two，實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料3D打印技術(shù)商業(yè)化推廣[3]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究起步較早，西安交通大學(xué)田小永課題組研發(fā)出國(guó)內(nèi)首款基于“共擠出”工藝的連續(xù)纖維3D打印機(jī)并在工藝參數(shù)優(yōu)化、在線(xiàn)高壓浸漬、功能化打印及產(chǎn)品的回收再利用方面開(kāi)展了系列研究[4-8]；北京機(jī)科國(guó)創(chuàng)輕量化科學(xué)研究院有限公司申請(qǐng)了采用壓輥裝置提高打印層結(jié)合強(qiáng)度的專(zhuān)利[9]。同濟(jì)大學(xué)的發(fā)明專(zhuān)利使用超聲振動(dòng)器提高熔融樹(shù)脂與連續(xù)纖維的浸漬程度[10]。

目前的連續(xù)纖維3D打印機(jī)多為三軸系統(tǒng)，無(wú)法充分發(fā)揮連續(xù)纖維軸向力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)、打印模式單一和交互性差等問(wèn)題嚴(yán)重制約了復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的成型質(zhì)量及應(yīng)用范圍[11]，而提高3D打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)自由度，增設(shè)纖維剪斷裝置、送絲裝置、壓輥等后處理裝置可以很好地解決這些問(wèn)題。然而PC+MCU+硬件控制卡等形式的傳統(tǒng)三軸3D打印機(jī)控制系統(tǒng)存在支持軸數(shù)較少、可擴(kuò)展性差、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題[12]。此外，西門(mén)子等廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)的五軸數(shù)控系統(tǒng)存在成本高、非開(kāi)放的缺點(diǎn)。因此，利用開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有良好可拓展性及實(shí)時(shí)性的五軸連續(xù)纖維3D打印機(jī)控制系統(tǒng)將會(huì)推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

當(dāng)前，以PC機(jī)為硬件平臺(tái)，在實(shí)時(shí)Linux或Windows環(huán)境下開(kāi)發(fā)全軟件型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，是數(shù)控領(lǐng)域的前沿性工作，國(guó)內(nèi)外對(duì)全軟件型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)做了許多深入的研究與探索。2013年山東大學(xué)Wang等[13]基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherMAC和Windows NT設(shè)計(jì)了全軟件型數(shù)控系統(tǒng)，提高了中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級(jí)，大大提高了實(shí)時(shí)性能。2016年廈門(mén)大學(xué)Huang等[14]基于Linux系統(tǒng)和RT-Linux內(nèi)核完成了五軸電火花加工（EDM）數(shù)控系統(tǒng)EDM CNC的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦輪葉片的加工。2018年哈爾濱理工大學(xué)Meng等[15]提出了一種基于軟集成通信模塊的新型開(kāi)放架構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)——OACNC，提供了一種通過(guò)判斷訪(fǎng)問(wèn)號(hào)來(lái)完成定期實(shí)時(shí)通信的新方法。

國(guó)外研究人員基于開(kāi)源數(shù)控架構(gòu)軟件LinuxCNC開(kāi)展了系列研究工作。2015年德國(guó)機(jī)械與安拉根堡研究所利用PC板卡CIFX50-RE在LinuxCNC上集成了SercosIII、EtherCAT和PROFINET等多種工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議[16]。2016年捷克布爾諾工業(yè)大學(xué)的Arm等[17]基于Debian3.4發(fā)行版的LinuxCNC 2.7上完成了Linux RTAI的性能測(cè)量，分別在用戶(hù)空間及內(nèi)核空間實(shí)現(xiàn)了軟實(shí)時(shí)及硬實(shí)時(shí)功能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的工作表明，全軟件型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，但其在增材制造領(lǐng)域的研究較少。為提高3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助機(jī)構(gòu)的集成控制，解決傳統(tǒng)3D打印機(jī)控制方案可擴(kuò)展性差、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，本研究首先搭建基于熔融沉積原理的擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸連續(xù)纖維3D打印機(jī)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)全軟件型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)控制；增設(shè)螺桿擠出裝置并將其作為主軸以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制；最后通過(guò)打印試件對(duì)所開(kāi)發(fā)全軟件型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 連續(xù)纖維3D打印機(jī)構(gòu)成

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的3D打印成型，連續(xù)纖維復(fù)合材料的增材制造路徑不僅要實(shí)現(xiàn)面內(nèi)的連續(xù)，還要有空間的連續(xù)性，這就需要3D打印設(shè)備具有高度的靈活性。因此，本研究基于上述要求設(shè)計(jì)了連續(xù)纖維3D打印機(jī)的機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、核心部件和控制系統(tǒng)，3D打印機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 3D打印機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure of 3D printing machine tool

1.1 連續(xù)纖維3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由3個(gè)平動(dòng)軸X、Y、Z和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸B、C構(gòu)成的擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并配有螺桿擠出輔助軸（S），機(jī)床整體采用一體化基座床身，使得機(jī)床本身具有良好的結(jié)構(gòu)剛度，機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 3D打印機(jī)的五軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 5-axis motion structure of 3D printer

為了滿(mǎn)足連續(xù)纖維3D打印最小層間打印厚度0.1mm的成型精度要求與運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求，X、Y、Z三軸采用滾珠絲杠精密傳動(dòng)，且Y軸設(shè)計(jì)為龍門(mén)雙驅(qū)形式，具有較強(qiáng)的承載能力和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。X、Y軸有效行程為500mm，Z軸有效行程為300mm；B軸為可繞Y軸旋轉(zhuǎn)的擺頭，其上安裝有打印頭，運(yùn)動(dòng)范圍±180°；C軸為可繞Z軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)，固定安裝在機(jī)床基座上，運(yùn)動(dòng)范圍為無(wú)限旋轉(zhuǎn)， 在該機(jī)床的有效運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)打印噴嘴的任意位姿。

1.2 連續(xù)纖維3D打印機(jī)核心部件

連續(xù)纖維3D打印機(jī)的打印噴頭和打印熱床是實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維3D打印成型的核心部件。為提高打印頭內(nèi)樹(shù)脂的浸漬壓力，改善纖維的浸潤(rùn)質(zhì)量，采用螺桿擠出的方式作為打印裝置的進(jìn)料方式。打印基本流程為顆粒狀樹(shù)脂原料進(jìn)入樹(shù)脂料筒，在螺桿擠出的過(guò)程中，樹(shù)脂在螺桿擠出剪切和加熱線(xiàn)圈的作用下，由固相軟化變?yōu)槿廴趹B(tài)，經(jīng)過(guò)持續(xù)的擠壓作用，排出了樹(shù)脂熔體內(nèi)部的空氣和水汽，得到均勻高壓的樹(shù)脂熔體，熔融樹(shù)脂被擠出至樹(shù)脂-纖維共混噴頭處，實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂對(duì)纖維的主動(dòng)浸漬，而后在纖維的作用下，通過(guò)細(xì)長(zhǎng)噴嘴將纖維增強(qiáng)樹(shù)脂材料送出至打印熱床實(shí)現(xiàn)預(yù)成型打印，最后通過(guò)外加冷風(fēng)實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂的迅速固化成型定位，下面分別介紹連續(xù)纖維3D打印噴頭和打印熱床。

連續(xù)纖維3D打印噴頭由伺服電機(jī)、擠出螺桿、螺旋加熱管、樹(shù)脂料筒、樹(shù)脂-纖維共混噴頭與擠出嘴組成，具有熔融樹(shù)脂、共混樹(shù)脂與纖維、送出共混料等功能。螺桿擠出裝置由伺服電機(jī)控制，構(gòu)成了一個(gè)輔助軸，與五軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)一起構(gòu)成“5+1”軸的運(yùn)動(dòng)形式。打印噴頭重5kg，打印速度為0～500mm/min，最高加熱溫度500℃，出絲直徑2～4mm。螺桿擠出裝置參數(shù)為螺桿直徑8mm、長(zhǎng)度82mm、擠出嘴直徑1mm，經(jīng)計(jì)算，在1rad/s的轉(zhuǎn)速下，可以推動(dòng)熔融樹(shù)脂在擠出嘴中以15.2mm/s的均勻速度擠出。打印頭整體與機(jī)加工鋁板上的定位孔以螺栓形式連接，再由中間連接板實(shí)現(xiàn)打印頭與機(jī)床的連接固定，其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 連續(xù)纖維3D打印噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural sketch of continuous fiber 3D printing nozzle

打印熱床尺寸為230mm× 230mm，最大加熱溫度100℃，具有調(diào)平功能以及加熱保溫功能，在保證打印試件平穩(wěn)性的同時(shí)，也能防止打印薄邊結(jié)構(gòu)發(fā)生翹曲。熱床的4個(gè)頂點(diǎn)分別安裝彈簧螺旋調(diào)節(jié)器用以調(diào)節(jié)平面度，通過(guò)熱床鋁板內(nèi)的電阻絲實(shí)現(xiàn)加熱，同時(shí)配備了貼片式熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，由溫控表控制打印熱床的溫度。打印熱床通過(guò)中間連接板與轉(zhuǎn)臺(tái)相連，轉(zhuǎn)臺(tái)再固定連接到機(jī)座上，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。除了打印熱床，為了熱塑性樹(shù)脂的快速冷卻固化，打印輔助工具還有功率20W的風(fēng)扇，其目的在于提供流動(dòng)冷風(fēng)，快速帶走熱量，促進(jìn)樹(shù)脂固化。

圖4 打印熱床圖Fig.4 3D printer heat build plate

1.3 連續(xù)纖維3D打印機(jī)控制系統(tǒng)

為了完成對(duì)連續(xù)纖維3D打印機(jī)各硬件設(shè)備的控制，設(shè)計(jì)了打印機(jī)控制系統(tǒng)，具體分為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和工藝參數(shù)控制系統(tǒng)。

1.3.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

3D打印機(jī)的6個(gè)軸均采用伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)進(jìn)行半閉環(huán)控制。為了平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)重量約5kg的連續(xù)纖維3D打印噴頭，確保打印精度，X、Y、Z軸作為3個(gè)直線(xiàn)軸，其中Y軸為雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，涉及的4個(gè)電機(jī)功率為400W，輸出扭矩為1.27N·m；旋轉(zhuǎn)軸B軸功率200W，輸出扭矩為0.64N·m；考慮到體積與重量，轉(zhuǎn)臺(tái)C軸與螺桿擠出裝置所需的旋轉(zhuǎn)軸電機(jī)選用了100W的電機(jī)。上位機(jī)為安裝了Linux系統(tǒng)的PC機(jī)，僅通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)直連的方式建立與伺服系統(tǒng)的通信，無(wú)任何中間耦合模塊，構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成Fig.5 Composition of printer motion control system

1.3.2 工藝參數(shù)控制系統(tǒng)

工藝參數(shù)控制系統(tǒng)主要由3個(gè)溫度控制部分組成：打印熱床溫度控制、螺桿料筒溫度控制以及樹(shù)脂-纖維共混模塊溫度控制。3個(gè)部分分別承擔(dān)打印工藝關(guān)鍵點(diǎn)的溫度控制，確保樹(shù)脂的熔融狀態(tài)，為多工藝參數(shù)的探究提供條件。

首先，樹(shù)脂在螺桿料筒中需要實(shí)現(xiàn)由玻璃態(tài)到高彈態(tài)，最后達(dá)到黏流態(tài)的轉(zhuǎn)變，其中玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉(zhuǎn)變要求的溫度差最高，需要較大的熱能，因此采用加熱范圍廣、功率大的線(xiàn)圈加熱方式，通過(guò)PID實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度±1℃的控制，溫度控制范圍為：室溫～350℃，穩(wěn)定性和均勻性較好。其次，相較于熔融樹(shù)脂，樹(shù)脂-纖維共混所需要的溫度變化范圍更小，確保樹(shù)脂熔化后與纖維浸潤(rùn)結(jié)合，工藝窗口范圍更小，因此選用棒式加熱，可實(shí)現(xiàn)±0.5℃的溫度調(diào)節(jié)，主要起到保溫作用，防止溫度過(guò)低導(dǎo)致樹(shù)脂流動(dòng)性變差以及溫度過(guò)高導(dǎo)致樹(shù)脂高溫變性。最后，打印熱床的預(yù)熱與保溫是為了保證成型質(zhì)量，防止單絲打印件發(fā)生翹曲，因此選用了與熔融樹(shù)脂線(xiàn)圈加熱相同的溫度控制方案，其溫度范圍為室溫～100℃，工藝參數(shù)控制系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 工藝參數(shù)控制系統(tǒng)組成Fig.6 Composition of process parameter control system

2 全軟件式數(shù)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)與搭建

基于LinuxCNC開(kāi)源數(shù)控平臺(tái)進(jìn)行了全軟件式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建，LinuxCNC由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院研制，可用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制。由于LinuxCNC不支持EtherCAT協(xié)議，需要利用硬件抽象層技術(shù)將EtherCAT開(kāi)發(fā)為HAL模塊并封裝集成進(jìn)LinuxCNC。連續(xù)纖維3D打印機(jī)全軟件式數(shù)控系統(tǒng)的整體框架如圖7所示，搭建的過(guò)程包括Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)內(nèi)核的優(yōu)化以及IgH-EtherCAT HAL模塊的開(kāi)發(fā)與封裝。

圖7 全軟件式數(shù)控系統(tǒng)整體框架Fig.7 Overall framework of soft-CNC system

2.1 Linux系統(tǒng)實(shí)時(shí)內(nèi)核的優(yōu)化

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，測(cè)試發(fā)現(xiàn)在PC機(jī)及實(shí)時(shí)內(nèi)核默認(rèn)設(shè)置下，實(shí)時(shí)線(xiàn)程Latency可達(dá)幾百μs，嚴(yán)重影響總線(xiàn)通信同步精度，造成機(jī)床伺服系統(tǒng)抖動(dòng)和異響。因此對(duì)實(shí)時(shí)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)優(yōu)，將實(shí)時(shí)線(xiàn)程的周期抖動(dòng)和延遲降低到一個(gè)可以接受的范圍十分必要（＜10μs）。RT-Preempt不需要專(zhuān)用線(xiàn)程控制API，完全兼容POSIX線(xiàn)程API，而且RT-Preempt的實(shí)時(shí)性能較好，本研究選擇RT-Preempt作為實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)優(yōu)方案。

在PC機(jī)安裝了Linux Mint系統(tǒng)的LMDE3 Cindy版本并進(jìn)行了內(nèi)核實(shí)時(shí)調(diào)優(yōu)，主要有4個(gè)方面的操作：PC機(jī)BIOS設(shè)置、內(nèi)核配置選項(xiàng)、內(nèi)核啟動(dòng)選項(xiàng)和中斷綁定處理器核心。由于Linux系統(tǒng)出于負(fù)載均衡的考慮，會(huì)將系統(tǒng)中斷均勻分布到各個(gè)處理器核心上，導(dǎo)致實(shí)時(shí)任務(wù)被中斷搶占，帶來(lái)延遲，所以需要將該機(jī)制禁用，并利用Linux系統(tǒng)Irq Affinity機(jī)制，將所有中斷綁定到一個(gè)非實(shí)時(shí)處理器上。

2.2 IgH-EtherCAT 的HAL模塊開(kāi)發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)從站的實(shí)時(shí)控制，將IgH-EtherCAT封裝為HAL模塊實(shí)現(xiàn)EtherCAT主站與LinuxCNC的雙向數(shù)據(jù)流通，既能將LinuxCNC的控制指令通過(guò)EtherCAT主站下達(dá)到各軸也即從站設(shè)備，又能將從站設(shè)備反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)上傳至LinuxCNC從而完成閉環(huán)控制。硬件抽象層（HAL）采用模塊化的方法表示數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)硬件資源，HAL模塊從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)到使用的整體流程如圖8所示。

圖8 HAL模塊的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及使用流程 Fig.8 Design, development and application process of HAL module

IgH-EtherCAT的HAL模塊功能包括實(shí)現(xiàn)EtherCAT主從站功能，并暴露所需要的Pins，LinuxCNC的控制指令通過(guò)該HAL模塊下達(dá)到從站設(shè)備，也可將各從站設(shè)備采集上來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各引腳傳輸至LinuxCNC內(nèi)部，主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

（1）完成主函數(shù)框架搭建。主函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能為HAL模塊的創(chuàng)建、HAL引腳的聲明與暴露，以及EtherCAT函數(shù)的調(diào)用，代碼框架如圖9所示。

圖9 主函數(shù)代碼框架 Fig.9 Framework for main function code

（2）在完成主函數(shù)框架搭建后需要具體實(shí)現(xiàn)IgH-EtherCAT功能，其中ecat_master_init、ecat_master_exit、ecat_master_update這3個(gè)函數(shù)是實(shí)現(xiàn)IgH-EtherCAT具體功能的函數(shù)。圖10為具體的代碼框架：主從站的配置流程、訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程數(shù)據(jù)、執(zhí)行周期性任務(wù)。將XYZBC5個(gè)聯(lián)動(dòng)軸配置為周期同步位置（CSP）模式，將螺桿輔助軸配置為周期同步速度（CSV）模式。尤其需要注意的是，必須啟用EtherCAT的分布式時(shí)鐘，才能保證總線(xiàn)通信同步精度。

圖10 IgH-EtherCAT主從站功能實(shí)現(xiàn)代碼框架 Fig.10 Code framework for realization of host-slave station function in IgH-EtherCAT

2.3 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試

在完成全軟件式數(shù)控系統(tǒng)的搭建以及IgH-EtherCAT HAL模塊的開(kāi)發(fā)后，需要對(duì)該數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性分析。首先采用LinuxCNC自帶的Latency-Plot工具對(duì)用戶(hù)層與內(nèi)核層調(diào)度進(jìn)行實(shí)時(shí)性測(cè)試，測(cè)試圖橫坐標(biāo)為測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，s；縱坐標(biāo)為L(zhǎng)atency時(shí)間，μs。如圖11（a）和（b）為Basethread、Servo-thread在未安裝以及未優(yōu)化實(shí)時(shí)內(nèi)核的最大抖動(dòng)，分別達(dá)到15000μs和150μs。在完成實(shí)時(shí)內(nèi)核優(yōu)化后，Latency測(cè)試結(jié)果如圖12所示，最大抖動(dòng)控制在5μs以?xún)?nèi)。廣州數(shù)控設(shè)備有限公司在文獻(xiàn)[18]采用了Linux+Xenomai的雙內(nèi)核改造方案，其內(nèi)核層實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度延遲絕大部分集中在10μs以下，平均延遲不超過(guò)10μs。本研究所搭建數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核層的最大抖動(dòng)在5μs，優(yōu)于其延遲水平。圖13為集成EtherCAT的數(shù)控系統(tǒng)抓包測(cè)試，橫坐標(biāo)是抓包個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)是相鄰報(bào)文的間隔時(shí)間，s；最大抖動(dòng)＜50μs，滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)響應(yīng)在1ms及以下的實(shí)時(shí)性要求[19]。

圖11 未安裝和未優(yōu)化實(shí)時(shí)內(nèi)核情況下的內(nèi)核實(shí)時(shí)性測(cè)試Fig.11 Kernel real-time performance test without installing and optimizing real-time kernel

圖12 優(yōu)化實(shí)時(shí)內(nèi)核后的內(nèi)核實(shí)時(shí)性測(cè)試Fig.12 Kernel real-time performance test after optimizing real-time kernel

圖13 優(yōu)化實(shí)時(shí)內(nèi)核后的EtherCAT抓包測(cè)試Fig.13 Capture test of EtherCAT after optimizing real-time kernel

2.4 連續(xù)纖維3D打印試驗(yàn)

利用搭建好的數(shù)控系統(tǒng)完成連續(xù)纖維3D打印試驗(yàn)。首先完成標(biāo)準(zhǔn)拉伸測(cè)試件的3D打印，基體材料為易生公司的PLA，增強(qiáng)體材料為光威拓展碳纖維公司的TZ300-3K碳纖維，單絲直徑7μm，圖14為制備的平板測(cè)試件，采用單束合股6K（2×3K）碳纖維和線(xiàn)材剪斷制成的樹(shù)脂顆粒，長(zhǎng)寬厚尺寸分別為200mm×30mm×3.5mm。圖15為從測(cè)試件上取樣進(jìn)行試樣截面形貌觀(guān)測(cè)，從截面形貌上可以分為樹(shù)脂分布區(qū)、浸潤(rùn)區(qū)和纖維分布區(qū)?？梢钥闯?，孔隙主要集中分布在纖維束的中心部分。并參照GB/T 1447—2005標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該平板件進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果打印試件拉伸強(qiáng)度為136.79MPa，拉伸模量為26.3GPa，其拉伸強(qiáng)度是純樹(shù)脂樣件的1.9倍。

圖14 連續(xù)纖維3D打印平板樣件Fig.14 Flat panel of continuous-fiber 3D printing

圖15 纖維含量6K試樣截面形貌觀(guān)測(cè)圖Fig.15 Observation of section morphology of 6K fiber content sample

為了驗(yàn)證數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印能力，進(jìn)行空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的3D打印試驗(yàn)。圖16為打印過(guò)程中利用B軸偏擺可使噴嘴時(shí)刻保持與打印路徑成一定角度，盡量減小噴嘴與纖維路徑的夾角，從而減小線(xiàn)材拉出阻力，保證打印空間軌跡的準(zhǔn)確性。同時(shí)利用C軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)纖維路徑的轉(zhuǎn)向，完成陣列結(jié)構(gòu)打印。圖17為打印的PLA/碳纖維復(fù)合材料空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，圖17（a）、（b）、（c）分別為金字塔、六棱柱和四面體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

圖16 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)打印過(guò)程示意圖Fig.16 Diagram of dot matrix structure printing process

圖17 連續(xù)纖維3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)Fig.17 Lattice structure of continuous-fiber 3D printing

3 結(jié)論

本研究對(duì)連續(xù)纖維3D打印機(jī)及其數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)論如下。

（1）針對(duì)三軸3D打印機(jī)精確成型復(fù)雜軌跡困難的問(wèn)題，搭建了擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)式的五軸連續(xù)纖維3D打印機(jī)，設(shè)計(jì)了螺桿擠出式連續(xù)纖維3D打印噴頭結(jié)構(gòu)。

（2）基 于LinuxCNC和Ether CAT完成連續(xù)纖維3D打印的全軟件型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)并擴(kuò)展了螺桿擠出輔助軸，優(yōu)化了RT-Preempt實(shí)時(shí)內(nèi)核，經(jīng)測(cè)試內(nèi)核層的最大抖動(dòng)控制在5μs以?xún)?nèi)，集成EtherCAT的數(shù)控系統(tǒng)最大抖動(dòng)＜50μs，實(shí)時(shí)性良好。解決了傳統(tǒng)3D打印控制方案中聯(lián)動(dòng)軸數(shù)少、可擴(kuò)展性差、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。

（3）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)拉伸樣件和空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的連續(xù)纖維3D打印試驗(yàn)，并測(cè)試了平板樣件的拉伸性能，拉伸強(qiáng)度為136.79MPa，拉伸模量為26.3GPa。完成了五軸連續(xù)纖維3D打印機(jī)及其數(shù)控系統(tǒng)的功能驗(yàn)證。