（机械工程专业论文）直写快速成型机运动控制系统研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 直写快速成型机运动控制系统研究 机械工程 孟永爱( 签名) 吴伟( 签名) 荆俨( 签名) 摘要 直写式快速成型技术是一种新的快速成型技术，它的发展越来越受到重视。直写式 快速成型的工作原理是：根据要制作零件的截面形状及尺寸要求，材料输送系统的液、 固两个喷嘴与工作台做相对运动的同时喷出液、固材料；并在固化机构的作用下迅速固 化，从而形成零件上的一个成型层；液、固两个喷头与工作台在垂直于成型层的方向做 一个( 层厚量) 的位移，然后进行下一个成型层的制造；重复此过程，即可获得所需的 三维零件。 在直写快速成型机机械部分方案中根据喷嘴运动要求，采用移动龙门式架方案，工 作台固定，喷射运动中不会引起固化不久成型材料晃动，有利于喷射成型过程稳定及成 型精度的提高。 数控系统部分中选用p h i l i p s 公司的基于a r m 7 内核的l p c 2 2 1 4 处理器作为主控芯 片。系统的输入输出的逻辑控制通过c p l d 实现，芯片选用a i l e r a 公司的e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 。 对整个系统的硬件如电源、s r a m 、f l a s h 等芯片、液晶显示模块、电机的输入输出电路 等进行选型、设计及开发。 完成软件部分包括：b o o tl o a d e r 、r t o s 、应用程序的设计等。其中完成的主要工 作有：( 1 ) 实现了b o o tl o a d e r 支持系统b o o t 、程序下载到r a m 中执写和写到f l a s h 存 储器等功能；( 2 ) 完成了r t o s 包括操作系统的移植、任务管理、任务间的通信等任务； ( 3 ) 设计了设备驱动、液晶显示、键盘操作等应用程序；( 4 ) 在v b 6 0 环境下开发了 p c 机下载通信界面；( 5 ) 进行了部分运动控制功能演示及测试。 关键词：快速成型，嵌入式，运动控制，l p c 2 2 1 4 论文类型：应用基础研究 英文摘要 a b s i r a c i d i r e c tw r i t i n gr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi so n ek i n do fn e wf a s tf o r m a t i o n t e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p m e n tr e c e i v e sm o r ea n dm o r er e c o g n i t i o n t h ew o r kp r i n c i p l eo f d i r e c tw r i t i n gr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi s ：a c c o r d i n gt ot h es e c t i o ns h a p eo fc o m p o n e n t n e e d e dt ob em a n u f a c t u r ea n dt h es i z er e q u i r e m e n t ，t h et w os p r a yn o z z l eo ff l u i da n ds o l i do f t h em a t e r i a lh a n d l i n gs y s t e mm a k e st h er e l a t i v em o t i o na st h ew o r k t a b l ea n da tt h es a m et i m e i t s p o u tt h ef u i d ，t h es o l i dm a t e r i a l a n du n d e rs o l i d i f i c a t i o no r g a n i z a t i o nf u n c t i o n , t h e e m i t t i n gm a t e r i a l sw i l lh a v ear a p i ds o l i d i f i c a t i o na n dt h u sf o r m saf o r m a t i o nl e v e lo nt h e c o m p o n e n t ss u r f a c e t h e n ，t h et w on o z z l e so ff l u i da n ds o l i dm a k ead i s p l a c e m e n t ( t h i c kl e v e l ) i nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o na n dt h et h e ns t a r tt h ef o r m i n gt h en e x tl a y e r r e p e a t e dt h i sp r o c e s s , y o uw i l lg e tt h et h r e ed i m e n s i o n a lc o m p o n e n t sw h i c hi sn e e d e d i nt h em e c h a n i c a lp a r t so ft h ep r o g r a mo fd i r e c tw r i t i n gr a p i dp r o t o t y p i n g ，a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so fn o z z l em o v e m e n t ，t h i sp a p e ru s ed r a g o ng a t et y p ep l a n t h ep l a t f o r mi s f i x e da n dt h em o v e m e n to fs p r a yc a m p a i g nw i l ln o tc a u s er o c k o ft h em a t e r i a lw h i c h s o l i d i f i c a t i o ns o o n i ti sc o n d u c i v et ot h es t a b i l i t yo ft h ep r o c e s so fi n je c t i o nm o l d i n g c n cp a r ts e l e c t e dl p c 2 214p r o c e s s o ra st h ec o r eo ft h em a i nc h i pw h i c hi sb a s e do n p h i l i p s sa r m 7 i ol o g i co ft h es y s t e mi sc o n t r o l l e db yc p l da n dt h ec h i pi sf r o m a i l e r a se p m 7 1 2 8 s l c 8 4 t h i sp a p e rd ot h ew o r ko fs e l e c t i o n ，d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f p o w e r , s r a m ，f l a s h ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d u l e s , i n p u ta n do u t p u to ft h ee l e c t r i c a l c i r c u i ta n ds oo n t h ec o m p l e t e dp a r to ft h es o f t w a r ei n c l u d e ：b o o tl o a d e r , r t o s ，a p p l i c a t i o np r o g r a m a n ds oo n t h ec o m p l e t e dm a i nt a s k st oc o m p l e t ei n c l u d e ：( 1 ) t h er e a l i z a t i o no ft h eb o o t l o a d e rs u p p o r ts y s t e mb o o t ，d o w np r o g r a mt or a mt oe x e c u t ef u n c t i o no fw r i t i n ga n dw r i t e t of l a s hm e m o r ya n ds oo n ；( 2 ) c o m p l e t e dt h er t o si n c l u d e dt r a n s f e ro ft h eo p e r a t i n g s y s t e m ，t a s km a n a g e m e n t ，c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt a s k s ；( 3 ) d e s i g np r o g r a mo ft h ed e v i c e d r i v e r , l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , k e y b o a r do p e r a t i o na n do t h e ra p p l i c a t i o n sp r o g r a m ；( 4 ) u n d e rt h e v b 6 0e n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e rd e v e l o pp cd o w n l o a d i n gc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e ；( 5 ) c a l t y t h r o u g hd e m o n s t r a t i o na n dt e s t i n go fp a r to ft h em o v e m e n tc o n t r o lf u n c t i o n k e y - w o r d ：r a p i dp r o t o t y p i n g ，e m b e d d e d ，m o t i o nc o n t r o l ，l p c 2 2 1 4 t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y 1 1 i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 入己经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 孟起堑日期：麴墨笔2 蛆凶 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：逊禾出2 岁国 日期：勋纩t 旷 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 荔 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究目的和意义 1 1 1 论文研究目的 从2 0 世纪6 0 年代开始，全球制造业几乎每隔1 0 年就经历一场制造战略的变迁，发 展到9 0 年代，计算机技术迅速普及和c a d c a m 技术的广泛应用，制造业强调的是市 场响应速度，要求产品的开发周期、生产周期以及更新周期越来越短。同时，市场环境 也发生了巨大变化，一方面表现为消费者需求日益主体化、个性化和多样化；另一方面 则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对市场，不但要迅速地设计出符合 人们消费需求的产品，而且还必须快速地生产制造出来，抢占市场。因此，面对一个迅 速变化且无法预料的买方市场，以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越 迟缓与被动，不能适应日新月异的市场变化。譬如制造一个复杂的原型需要1 到2 个月 的时间，而制造一个用于风洞试验的缩小飞机模型则需要一年的时间。快速响应市场需 求，己经成为制造业发展的重要走向。为此，近年来各大学、研究机构、和企业一直在 不遗余力地开发先进的制造技术以提高制造业的发展水平。 近年来出现的快速成型【1 1 ( 简称r p ) 技术就是在这种背景下逐步形成并得到发展的， 它是先进制造群的一个重要组成部分，被认为是近年来制造领域的一次重大突破，其重 大影响可以和数控技术相媲美。该技术借助计算机、激光、精密传动和书干i j 等现代手段， 将计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c j 蝴) 集成于一体，可以自动、快速、直接、 精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或制造零件，从而可以对产品进行快速评 价、修改，制造周期大大缩短，由几周、几个月缩短为若干个小时，以响应市场要求， 提高企业的市场竞争力。 随着电子信息产品应用的日益广泛，市场对集成电路的需求也急剧增加。近年来， 中国集成电路板市场需求量以每年2 0 以上的速度递增。中国的电视机、交换机、个人 电脑、移动通信产品等越来越多的电子信息产品的产销量都进入了世界前列【2 i ，因此， 集成电路板的制作将具有极大的市场前景，但是，目前电路板的制作工艺比较繁琐、时 间长，而且板材浪费大。基于此，本文对直写快速成型机运动控制的研究就是为研究了 一种可以直接用于快速制作电路板的新技术作一定基础研究。直写快速成型技术，它用 于制作电路板时，可以直接喷射出电路，具有效率高、误差小、价格低廉和有利于环保 等优点，同时该技术也可以用于制作微小电子零件、制备功能梯度材料以及快速修复结 构件等。以材料的存在形式来看，材料以两种形式存在，即固体和流体。而在直写式快 速成型过程中由于液、固两个喷嘴分别喷涂液体和固体粉末。使固体粉末在流体的粘结 下迅速粘在一起，并快速固化。这种制造方式可以制得各种材料的制件，而且有较好的 精度，并突破了其它快速成型技术在材料上的限制。既可以成型金属材料，也可以成型 其他材料，解决目前一般快速成型方法结构件性能不高，需要进行后处理的瓶颈问题。 西安石油大学硕士学位论文 1 1 2 论文研究意义 快速成型技术是在计算机的控制下，通过对所要制造的零件的c a d 立体模型进行 面型化处理、分层，然后再堆积而获得三维实体的一种制造领域的新技术。它的发展使 得机械制造技术也有了质的飞跃，特别是复杂零件的加工，使其加工周期大大缩短。因 此，快速成型制造技术得到了广泛的应用。国内外的许多学者把该技术也应用到一些微 型制造和精密制造行业中，并取得了一定的成就。但是目前成熟的快速成型技术都主要 用来制作塑料零件，制作金属件较少，其工艺复杂，精度难以保证圳。 直写式快速成型技术具有成型速度快、成本低，材料选择范围大，可以喷涂各种材 料的优点。由于我公司是机械加工单位，主要产品是大型的金属制品，在试制新产品时 对材料有很大的浪费，如果将直写快速成型技术用到制作新产品模型上，将会有很大的 节约，另外与太原2 4 7 单位的重组，加工产品类型的增加，加工难度的提高，如直写式 快速技术能在加工产品方面得到充分的应用，对我单位无论是开发新产品还是节约材料 方面都有很大的帮助。所以对这样一种新的快速成型方法的研究具有重大意义。 直写快速成型技术的应用范围很广，主要应用于如下领域： ( 1 ) 生物医学制造以离散一堆积的形式制造组织工程细胞载体框架结构等复杂三维 构件； ( 2 ) 功能微结构制造可以制造出复杂二维结构的微器件，这是它不同于基于光刻腐 蚀的微结构制造方法的地方，也是其优势所在； ( 3 ) 功能梯度材料的制备通过多个喷头定量定点精确喷射多种材料，可以装配成可 控组分分布的材料和功能梯度材料； ( 4 ) 微电子业的应用半导体的封装，电路板印刷： ( 5 ) 航空航天领域受损航天器中结构件的快速修复。 本文作为直写式快速成型系统关键性技术的研究，其目标是开发一套直写快速成型 机喷射系统的运动控制系统，通过选择合理喷嘴运动控制系统和工作台的运动控制系统， 实现对工作台运动和喷嘴喷射有效，准确运动控制。为进一步对直写式快速成型机研究 奠定基础。 1 2 直写快速成型技术国内外发展现状 1 2 1 直写快速成型技术的成型原理和特点 直写式快速成型机构叫它主要是由液、固两个喷头、三维控制系统、计算机控制系 统和固化机构组成。它的成型原理如图1 1 所示，首先，在计算机3 上绘制出零件的立体 c a d 模型，然后应用分层软件对该三维模型进行分层处理，进而得到该模型截面的轮廓 信息，再将这些信息输送给三维控制系统，使三维控制系统控制液4 、固5 两个喷头在x - y 平面内运动，在相应的位置滴出材料，并使其在固化机构6 的作用下迅速固化，从而形成 零件上一个成型层。一层完成后，工作台l 相对喷头离开一个特定距离，进行第二层的制 造。依次反复，就可形成所需的零件模型。 2 第一章绪论 1 一工作台2 工件3 一计算机哇一液体喷头 5 一固体喷头6 一固化机构7 一电机 图1 1 直写快速成型系统工作原理示意图 直写式快速成型技术，它无需刀具或制模，缩短了制造周期，并突破了其它快速成 形技术在材料上的限制，与其它快速成形( 如s l a 、s l s 、f d m 、l o m 等) 技术相比，具 有成本低、能耗少、成型速度快，特别是可用材料范围广等优点，同时该技术还可以成 型复杂的零件。从直写式快速成型的机理上来讲，只要控制系统的背压、喷射频率、喷 嘴孔径等，便可使材料从喷嘴中喷出理想的结果，再通过外界的固化机构使其粘结在一 起，制成零件模型。 1 2 2 直写快速成型技术国内外的发展 直写式快速成型技术的关键是液滴的均匀喷射技术。目前，基于超声波喷嘴的液滴 喷射研究已经吸引了国内外的许多学者。液滴喷射是一种用外力迫使液体以液滴的形式 从小孔中射出的技术 4 1 。液滴喷射的原型可以追溯到1 8 7 8 年r a y l e i g h 提出的把液流分裂 成液滴的构想。实用的喷射设备出现于1 9 5 1 年。液滴喷射从技术上可分为连续式 ( c o n t i n u o u s ) 和随机式( d r o p o n d e m a n d ) 两类。连续喷射的液滴以一定的频率不断射出， 而随机喷射的液滴只在需要时才喷出。前者以电荷控制型为代表，而后者又可分为电热 式( 气泡式) 、压电式、电磁阀式等。 在连续式喷射系统中，一般利用液泵对液体施加固定的压力，由液滴发生器周期性 切断射流形成液滴。液滴射出前被充电，以便进行偏转控制。由于可控性差，连续式喷 射技术的用途比随机式的少。电热式喷射利用宽度几微秒的脉冲电流瞬时将喷头内的电 热元件加热到3 0 0 0 左右，与电热元件表面接触的液体迅速汽化，形成一个很小的气泡， 膨胀的小气泡挤压喷嘴中的液体，使喷嘴中的液体以液滴的形式射出，液滴射出后，在 电热元件降温和喷嘴毛细管虹吸的共同作用下，喷嘴从进液系统中吸入液体，补充液滴 射出的液体，为下一次喷射做准备：压电式喷射利用压电片产生机械震动，当震动以声 波的形式传播到喷嘴尖端时，声波的正压部分使喷嘴尖端的液体加速，并在惯性的作用 3 西安石油大学硕士学位论文 下，克服表面张力脱离液体形成液滴射出：在电磁阀式喷射中，则以液泵对液体施加 一定的压力，同时控制电磁阀的瞬时开通产生液滴通过改变压力和电磁阀的开通对问 来控制液滴的大小和喷射频率。长期以来，由于缺乏明确的应用，液滴喷射技术的发展 缓慢。 8 0 年代中期开始液滴喷射技术也取得了长足的进展。液滴喷射技术具有结构简单、 成本低、定位精度高、原料节省等优势，但是，一方面，喷射系统要求溶液具有很好的 微粒分散性以防喷头堵塞。另一方面，现有技术又难以把稀的分散体及时固化成均匀致 密的坯体。近年来，随着溶腔一凝胶和纳米分散技术的发展，喷射技术得到了进一步的 发展。 美国麻省理工学院和加州大学在上世纪9 0 年代初首先提出了均匀液滴喷射快速成 型技术例删，它是喷墨打印技术的思路应用到制造领域而开发的一种新型的快速成形工 艺，其理论依据是射流的线性不稳定理论。目前液滴喷射技术受到国内外研究者的广泛 关注，并展开了深入的研究。近年来，es a c h s 教授领导下的r p 试验室致力于3 d p r i n t i n g 工艺及相关技术。他们的研究工作同样是在原型样机上进行的。除了对样机的机械与控 制系统进一步改善外，他们目前重点对金属基材料碛射进行研究。其喷头采用红宝石制 成，喷孔直径5 0 u r n , 得到的试样层厚l o o u m 。他们采用此工艺得到加工无法制作的复杂 形状的金属型，例如具有复杂内流道的叶片，以及具有复杂冷却流道的注塑模等金属结 构件。 专门从事快速成型机开发的商业机构一一美国m c r 0 f 曲公司对此技术也展开了研 究”i u 9 1 ，他们生产的j e t l a b 成型系统在快速成型机市场中已经占有一定的份额。其喷嘴 结构如图12 所示，通过控制压电致动器的机械振动频率从而控制喷头中气泡的收放状 态来决定是否喷出焊滴。喷射出来的均匀焊滴随着喷嘴的在平面上的运动准确定位到基 板上，成形出微小形结构件或完成电路扳的印制。但是该机的沉积材料目前只能是聚合 物和低熔点焊丝材料，且该机极其昂贵的价格也限制了它的推广应用。 图1 2j e t l u a b 成型机喷臂结构 此项技术同样也倍受国内学者的关注，同时展开了初步的研究，取得了一定的成果。 华中理工大学马如震等人岬1 阐述了基于微小熔滴快速成型技术的加工工艺和成型方法， 并着重就制造中的几个加工参数n 展幅、温度、飞行距离、压电晶体的振动频率、扫描速 度和喷射频率的实时匹配1 进行了分析和讨论，并对影响成型质量的工作参数进行了分析 第一章绪论 与选择；清华大学颜永年教授利用微滴喷射技术开发出低温冰型快速成形系统【1 1 i 。中国 科技大学自行研制了8 喷头组合溶液喷射仪，有望在微制造、光电器件以及材料科学中 得到应用【4 】：天津大学化工学院陈松等人将均匀液滴喷射技术应用到化工造粒过程，生 产粒径在1 3 m m 的粒状产品，对喷嘴的射流断裂过程进行观察，对射流断裂形成均匀 液滴的流速、频率范围及喷嘴形状、材料特性、振动方向等因素的影响进行探讨；西安 石油大学杨来侠教授实现直写快速成型液体喷射的研究，并取得了一定的成果。在固体 喷射方面的研究还是存在困难。 1 3 运动控制系统发展现状 1 3 1 运动控制系统的发展现状 运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心， 以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电气传动控制系 统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现机械运动的 运动要求。1 9 世纪8 0 年代前，直流电气传动是惟一的电气传动方式。1 9 世纪末交流电气 传动出现在工业应用领域，但在2 0 世纪大部分时间，不变的格局是：直流调速而交流不 调速。2 0 世纪9 0 年代，在先进的电力电子技术现代控制理论的支持下，交流调速具备了 宽调速范围、高稳定精度快速动态响应和四象限运行等良好性能，并显现出取代直流调 速的趋势。与交流运动系统相比，直流运动系统控制简单、调速性能好，长期以来占统 治地位，当前已经发展的相当完善。随着微电子技术的发展，国际上全数字直流运动控 制系统已经非常的普及。直流运动控制系统以其优异的性能在近一段时期内不会被完全 淘汰，交流运动控制系统代替直流运动控制系统需要经历一个漫长的过程。 进入2 0 世纪8 0 年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对运 动控制系统产生了很重要的影响，运动控制系统的控制方式迅速向微机控制方向发展， 并由硬件控制转向软件控制，智能化的软件控制将成为运动控制系统的一个发展趋势。 运动控制系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技 术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术的进步使运动控制技 术在近2 0 年内发生了很大的变化。 随着计算机技术的发展，运动控制交流伺服系统在广泛运用的背景下正向着网络化 控制方向发展。在运动控制系统中，上位控制一般采用3 种方法：工控p c 机、具有运动 控制功能的p l c ( 如松下p l c - - f p 0 、德国j e t t e r - - p l c 等) 及自开发单片机系统。 1 3 2 直写快速成型机运动控制的研究现状 西安科技大学研究生惠国星对直写快速成型机液体喷嘴进行两维运动控制系统设 计研究，实现液体喷嘴简单线性喷射运动控制。 系统采用的是两维运动控制工作台，它的作用是带动喷嘴作相应的运动，其外 观图如1 3 所示。该控制台主要有两个步进电机带动，所以，对该控制台的控制也 就是对步进电机的控制。 西安石油大学硕士学位论文 图1 j 两维运动工作台 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号- 步进 电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机、 永磁式步进电机和混合式步进电机。步进电机区别于其他控制电机的晟大特点：它是通 过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输八脉冲数决定，而电机的转速 由脉冲信号频率决定。而控制步进电机的转向是通过控制各相序通电的顺序来实现的。 如果给定工作方式正序换相通电步进电机正转，如果按反序通电换相则电机就反转。 1 4 主要研究内容 本文围绕直写式快速成型机液体喷射运动控制的问题，主要做了如下工作： ( 1 ) 分析国内外数控机床运动系统控制，进行直写快速成型机运动控制系统总体设 计； ( 2 ) 根据直写快速成型成型运动，进行运动控制系统的机械部分设计； ( 3 ) 针对直写快速成型机运动要求，进行运动控制系统硬件设计：选择合适的步进 电机及其驱动器： ( 4 ) 运动控制系统软件设计。 最后，本文对工作进行了总结和展望。 1 5 创新点 ( 1 ) 通过分析国内外数控机床的运动控制系统研究和结合直写快速成型机的成型原 理采用龙门吊式运动机构，实现直写快速成型机的三维运动控制。 第二章总体方案及机械部分 第二章总体方案及机械部分 本文针对直写快速成型机运动需求，为实现喷嘴的三维运动，进行运动控制系统性 能分析，并进行机械系统，数控系统的硬件和软件总体设计及进行运动控制系统机械系 统设计。 2 1 直写快速成型运动控制系统要求 运动控制系统是直写式快速成型系统中至关重要的部分，快速成型程序的输入和预 处理完成快速成型程序的读入和预处理，提取快速成型所需的有用信息。输入为喷射运 动的代码文件，输出为喷射运动代码文件经分析以后得到的命令集和数据集合。 ( 1 ) 直写快速成型机的运动是位于x 、y 、z 三个方向上的步进电机配合驱动来完成， 数控系统根据快速成型的程序进行运算处理，输出进给脉冲此进给脉冲经伺服系统放大 后，分别驱动x 轴、y 轴、z 轴步进电机，带动传动系统产生进给运动，其中x 、y 轴用 于产生合成运动，z 轴用于喷射成形的厚度。 ( 2 ) 为使系统能具有较高的性价比，满足直写快速成型的成型精度需求，控制系统 面向以步进电机细分驱动的伺服控制，脉冲当量可根据配套的成型的要求进行设置，常 用范围1 - 1 0 1 j m ，典型值2 5 m 。 ( 3 ) 高速插补计算在规定的起点、终点之间按照一定的算法进行数据点的密化将其 分解成相关坐标轴的移动量，从而转化成控制坐标轴运动的命令。 2 2 数控系统总体方案 2 2 1 数控系统分析 直写快速成型运动控制系统主要包括数控系统和机械部分。数控系统的合理性和可 靠性是保证成型加工精度和稳定性的前提，快速成型是一种基于离散堆积成型的快速制 造工艺，对数控系统体系结构和软件有着特殊的要求。 直写快速成型技术是当今制造业的一种全新敏捷制造技术，集机械、c a d c a m 、c n c 技术于一体，采用离散堆积成型的快速制造工艺，使计算机中的几何模型直接转化为三 维立体原型。这种技术克服了传统加工工艺的缺陷，为制造业的发展开创了新的道路。 因此，快速成型技术在世界范围内发展相当迅速。 ( 1 ) 运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、轮廓控制系统。直 写快速成型机要求完成，“停”、“走”、“上升 等不同功能，其中“停 、“走 、是两坐 标联动控制，具有两坐标联动的插补运算功能。即在平面上喷射成型j u t _ 零件的轮廓是 由何种线段组成，加工时通常用小段直线来逼近曲线轮廓。 ( 2 ) 多种数控系统方案性能比较【3 2 1 3 3 1 p a l 根据现有数控技术的发展水平，目前提高数控系统处理速度的途径有以下几种： 1 ) p c + 高速运动控制卡：该方案采用通用p c 机来完成系统实时性要求不高的任务而 插补计算、速度控制、位置控制等实时控制要求高的任务由高速运动控制卡完成。由于 7 西安石油大学硕士学位论文 p c 机的软、硬件资源非常丰富，各种应用功能不断升级和加强，所以这种方案可以有效 的提高系统的处理速度，而且开发过程简便。但系统的价格往往较贵，通常多用于中高 档数控系统。 2 ) 由高性能通用c p u ，如x 8 6 、p e n t i n m 等组成的工控板：该方案往往采用实时操 作系统，可以直接控制底层硬件，所以具有响应速度快、多轴联动和同步性好等优点， 因此可以获得较好的系统性能。但系统中的底层功能模块必须自行开发，工作量大、开 发周期长，另外，工控板价格也较贵，同样存在性价比的问题。 3 ) 高速运动控制芯片：该方案利用高速控制芯片完成插补、升降速的功能高速处理 从而提高整个系统的处理能力。由于专用运动控制芯片功能强、控制方便，开发者无需 考虑具体实时算法，只需将系统的反馈信号正确连接、按规定的时序进行读写即可。但 其缺陷在于，开发人员无法针对实际系统需求更改、选用合适的插补等控制算法：而且高 速动控制芯片价格昂贵，所以应用不太广。 4 ) 采用a r m 等高性能单片机替代高速运动控制芯片：利用a r m 的高速处理能力，开 发合适的功能软件，完成高速运动控制所需的各种运算和控制任务。虽然该方案比方案 三的开发难度有所增加，但有利于增强系统开发的灵活性，易于多轴联动控制，还可以 提高技术的保密性。另外，此类芯片属于通用芯片，所以价格比较合适。通过对以上4 种高速数控方案的性能、实现难度、工作量和成本的系统比较，本系统采用了第4 种方 案，即基于高性能a r m 开发高性价比的直写快速成型机的数控系统。 2 2 2 数控系统硬件总体方案 结合直写快速成型机运动控制系统的功能需求和a r m 的资源与性能即】，拟定了直写 快速成型数控系统的总体设计路线。以p l c 2 2 1 4 为控制核心，将经过运算和处理过的控 制信号输出到各方向的步进电机驱动器，从而实现直写快速成型机三方向的喷射运动。 控制系统的硬件部分主要包括嵌入式数据处理部分、存储模块、通信模块、人机交互装 置、输入输出接口控制模块、主轴电机控制模块和电源模块构成。 ( 1 ) 主控芯片：以p l c 2 2 1 4 为嵌入式核心芯片，主要进行系统的控制和数据处理。 ( 2 ) 存储模块：由s r a m 、n o r r a s h 组成。由于p l c 2 2 1 4 芯片内置数据存储器1 6 k b ， 无法运行大型程序，故需要外扩s r a m 。采用的是i s s i 公司的i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ，在系 统程序运行的时候作为中间程序、数据的缓存及堆栈。 ( 3 ) 通信模块：p c 机通过r s 2 3 2 串行口和u s b 接口与数控系统通信。l p c 2 2 1 4 本 身支持串口通信，但由于电平不同不能直接与计算机串口相连( l p c 2 2 1 4 为0 - - + 5 v ，而 p c 的串口通信为且0 一+ 1 0 v ) ，需要电平转换芯片m a x 2 3 2 。u s b 模块的控制芯片采用 p h i l i p 公司的p d i u s b d l 2 ，一个带并行总线的u s b 接口器件，可以把串口数据转换为 8 位的并行数据。 ( 4 ) 人机交互装置：系统人机交互装置模块的核心是显示和键盘。本系统显示介质采 用的是d y m 3 2 0 2 4 0 点阵式液晶模块可以以图形方式、字符方式及图形字符组合方式进 8 第二章总体方案及机械部分 行显示，用来完成当前喷射成型状态、运动位置以及相应的喷射运动参数的显示操作； 同时为了满足系统人机交互的要求，本系统一共扩展了3 2 个按键，按键扫描和按键值的 读取通过z l g 7 2 9 0 来实现，然后通过p l c 2 2 1 4 主控板实现相应的控制逻辑。 ( 5 ) 输入输出接口控制模块：系统的输入输出控制是通过a i l e r a 公司的 e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 的逻辑控制来实现，提高系统的工作可靠性和设计柔性。为提高系统应用 的灵活性，系统输出采用普通输入和差分输出两种方式，具体方式可由操作人员具体设 定。无论输入还是输出都通过光耦进行隔离，以提高系统的抗干扰能力和可靠性。 ( 6 ) 主轴电机驱动模块：主轴电机采用的是交流变频调速电机，通过变频器接受控制 器发出的控制信号，从而来实现电机的运转。 ( 7 ) 电源模块：本系统需要1 8 v 、3 3 v 、5 v 和1 2 v 电源。1 2 v 电源用于给电机模拟 信号的功放使用；1 8 v 、3 3 v 、5 v 主要是为主控制电路、模拟量输入电路和外部信号电 路提供电源。整个系统在突然断电时，往往使片内r a m 数据遭到破坏，在该系统中利用 i m p 7 0 6 s c s a 构成电源监控电路，使整个单片机系统在掉电时自动保护现场数据。 2 2 3 数控系统软件总体方案 直写快速成型机运动控制系统软件选用嵌入式实时多任务操作系统u c o s 一，它 是一个源代码公开、可移植、可固化、可剪裁、占先式的实时多任务操作系统。由于t t c o s i i 操作系统是基于任务切换机制，需要将直写快速成型机运动控制系统各功能模块按其 之问的逻辑关系划分成几个不同的任务，由操作系统完成对各个任务的管理。通过任务 的划分，在操作系统的管理下各任务协调地执行，从而实现软件的控制功能。通过对直 写快速成型机运动控制系统功能模块的分析，在嵌入式操作系统”c o s i i 的管理之下， 对三大任务模块进行管理调度：人机界面模块、基本控制模块、c a m c n c 接口模块。人 机界面任务是提供用户操作和使用数控系统的功能单元，主要包括液晶显菜单操作的响 应、键盘操作的响应等。基本控制模块是管理c n c 所有外部控制对象，主要完成对平 台的控制，如插补计算、和位置控制等，是c n c 控制的核心部分。c a m c n c 接口模块 管理c a m 生成的成型程序与c n c 之间的传送方法与数据。 2 3 机械系统总体方案 在直写式快速成型系统中运动控制系统是至关重要的，它是在液体喷嘴喷出液滴和 固体喷嘴喷出粉末的同时作相应的运动来带动喷嘴的运动实现需求运动轨迹，根据成型 需求，如此反复喷射，最终，按设计者的思路喷出所需的零件模型。为此，运动控制系 统就是必不可少的，而运动系统的机械部分是运动控制系统核心部分之一，针对直写式 快速成型机对运动精度和速度要求的特点，进行运动控制系统机械部分设计。 根据直写快速成型机对运动控制部分的要求，在尽可能节约成本和时间的因素等方 面考虑，利用德科公司a - 1 3 0 0 雕刻机的机体结构作为本课题运动控制系统机械结构，利 用成熟的机械部件，并对雕刻机部分机械部件的改造，来满足对直写快速成型机运动控 制的需求，其特点如下： 9 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 床身和横梁均由厚壁钢管焊接而成，有效提升了机床的抗变形能力，提高了床 体寿命，确保工作台工作面的平行度和垂直度，为机床提供了刚性稳定、精度保证的高 强度钢结构平台。 ( 2 ) 采用移动龙门式结构，能够更好的适应喷嘴的喷射运动。 ( 3 ) x ，y ，z 三轴轨道均使用品牌高精密的滚动直线导轨副，能够实现机身平稳的运 动和高速移动，确保了运动平台的工作精度和延展了运动控制系统的使用寿命。 ( 4 ) 采用y a k o8 6 系列型三相反应式步进电机和y k a 3 6 0 6 m a b 驱动器，力求保证驱 动力量更强，充分保证了运行速度。能实现运动实验台长时间喷射运动成型。 ( 5 ) x ，y ，z 三轴使用高效高精度滚珠丝杠传动，确保运动控制系统的工作精度。 总体方案设计原则 系统的总体方案设计是围绕系统的设计目标来进行的，选择系统的硬件、软件体系 结构，确定系统的硬件和软件的划分及开发策略，指导系统的具体开发。总体方案的制 定是否合理不仅将直接影响到系统能否达到预期的性能指标，还将影响到系统工作的可 靠性、开发周期与成本以及系统的可维护性、可扩展性等方面。 由本系统的设计指标可知，其目标是设计开发一套针对直写快速成型机的运动特点， 能实现成型所需的喷射运动控制。 2 4 机械系统部分设计 2 4 1 总体结构 机械本体部分是运动控制系统骨架，有底座、立柱、工作台、机头和主轴组件等部 分。在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化设计的结构，减轻整机重量，缩短 产品的设计和制造的周期，其主体框架采用铝合金拉延型材和轧制铝板制造，防护件用 塑料件和饭金件制造，用标准的紧固件和定位销连接。 2 。4 2 运动方案选择 根据直写快速成型机的喷嘴运动情况，选择移动龙门式立柱【l2 1 ，主轴头通过龙门进 行x 和y 轴运动，主轴头实现z 轴运动方向运动，这样就通过把液体和固体喷嘴按先后 顺序安在主轴头上，实现对喷嘴的三维运动控制。 根据直写快速成型机对运动控制部分的要求，在尽可能节约成本和时间的因素等方 面考虑，利用德科公司a 一1 3 0 0 雕刻机的机体结构作为本课题运动控制系统机械结构，通 过利用成熟的机械部件，通过对雕刻机部分机械部件的改造，来满足对直写快速成型机 运动控制的需求。为使运动控制系统的移动轴具有更快的移动速度而尽量在传动形式上 减轻该轴移动部件的质量和运动惯量等等。加工机床结构有多种形式，常用的结构u 3 1 主 要有立柱式、龙门式和牛头式。 ( 1 ) 立柱式 立柱式布置的优点是：结构简单，制造容易，具有较好的精度和刚性，操作者可以从 前、左、右三面充分靠近工作台。缺点是：装卸工件不方便，每次安装、检测工件都必 1 0 第二章总体方案及机械部分 须开门放油，然后再关门上油，操作较复杂，容易漏油。立柱式结构比较适合小部件的 快速成型。对于大件就有很大不足。 ( 2 ) 龙门式 龙门式布置的优点是：机床刚性好，精度高，稳定性好。 ( 3 ) 牛头式 优点是：装卸、检测工件十分方便，此结构为设计、安装可升降式工作液槽提供方便： 当可升降工作液槽降下时，工件完全暴露出来，可以方便地对工件进行安装、检测，完 毕后只需要将工作液槽升起即可重新加工，提高了工作效率。缺点是：结构较复杂，制造 成本较高，刚性没龙门式好。 根据直写快速成型机的喷嘴运动情况，选择龙门式立柱，主轴头通过龙门进行x 和 y 轴运动，主轴头实现z 轴运动方向运动，这样就通过把液体和固体喷嘴按先后顺序安 装在主轴头上，实现对喷嘴的三维运动控制。采用此种龙门式结构设计具有以下优点： 1 ) 工作台固定，龙门和主轴箱相对工作台作伺服运动，驱动质量小，运动轻便灵活。 2 ) 工作台固定，加工过程中工件不动，试验台的运动不受工件重量的影响，有利于 提高工件喷射精度和表面质量。 3 ) 工作台固定，喷射运动中不会引起固化不久成型材料晃动，有利于喷射成型过程 稳定。 2 4 3 主要机械部件选择 ( 1 ) 同步齿型带选用及计算 本节着重设计主运动系统中主轴电机、高速带和带轮的结构形式，以确定其型号及 参数。因为运动控制系统和运动平台对作用力都是比较低，所以不需要进行相关的大量 负载计算。 直写快速成型机的主轴运动主要是带动主轴在z 方向的上下运动，实现直写快速成 型机的一层一层的叠加成型。由前章所述，主轴电机与主轴之间采用同步齿轮带升速传 动。 同步齿型带与普通传动带相比，具有传动比准确，结构紧凑，传动比范围大以及可 以在低速下传递动力等优点，而且同步齿型带传动还兼有带传动、齿传动及链传动的优 点，同步齿型带传动机构具有良好的动态特性，完全可以满足数控机床伺服进给装置的 要求，同时，它还是一种十分经济的传动装置，因此，被广泛应用。 由于齿型带传动属于啮合传动，不存在相对滑动，因此齿型带传动的设计计算准则 是，应保证齿型带有足够的强度，由于强度不够齿型带在工作中可能出现的失效形式有： 1 ) 由于强力层强度不够而引起的强力层弯曲疲劳破坏； 2 ) 在冲击载荷的作用下，强力层产生断裂或从齿背中抽出； 3 ) 带齿的磨损、弯曲、剪断和老化等。 综上所述，齿型带的强度计算主要应该限制作用在齿型带单位宽度上的拉力，以保 1 1 西安石油大学硕士学位论文 证一定的使用寿命。实践证明，按准则设计齿型带，上述可能产生的破坏形式，基本上 都可以得到控制。 计算齿型带带宽6 公式为： 盱若一 仁山 只= m b v 2 式中：b 齿型带的计算功率k w ； 模数m 的选取 模