基于PLC的3D打印机控制系统设计.doc

金金 华华 职职 业业 技技 术术 学学 院院 jinhuajinhua collegecollege ofof vocationvocation andand technologytechnology 毕业教学环节成果毕业教学环节成果 2014 届 题 目 基于 plc 的 3d 打印机 控制系统设计 学 院 信息工程学院 专 业 电气自动化技术 班 级 自动化 111 学 号 201131010350103 姓 名 指导教师 2013 年 12 月 22 日 金华职业技术学院毕业教学成果金华职业技术学院毕业教学成果 目目 录录 摘要 1 英文摘要 1 引言 2 1 方案设计 3 1 1 3d 打印机简介 3 1 2 系统任务要求 3 1 3 系统设计思路 4 2 硬件设计 4 2 1 系统结构及工作原理 4 2 2 元器件选型 5 2 3 系统原理图 6 3 参数整定 8 3 1 定位模块参数设置 8 3 2 伺服系统内部参数设定 9 3 3 步进内部参数设定 10 4 人机界面设计 11 5 软件设计 13 5 1 系统流程图 13 5 2 控制程序设计 14 6 联机调试 17 总结与谢词 19 参考文献 20 附录 1 3d 打印机控制系统元件清单 21 附录 2 3d 打印机 plc 控制系统 i o 分配表 22 附录 3 程序清单 23 0 基于基于 plcplc 的的 3d3d 打印机控制系统设计打印机控制系统设计 信息工程学院电气自动化技术信息工程学院电气自动化技术 摘要摘要 本文介绍的 3d 打印机的三轴和物料挤出控制是 3d 打印机的驱动控制 具有高 精度和高响应特点 是实现 3d 打印的前提 采用 plc 控制的 3d 打印机 可以实现打 印实体物品的自动化和全程管理 采用伺服电机和步进电机作为驱动电机 可以实现 工业级别的打印精度 关键词关键词 3d打印机 plc 控制 精度 the design of the 3d printer control system based on plc information engineering college of electrical automation technology leng xiong wei abstract 3d printers and materials described in this article axis control is driven out of control 3d printer with high accuracy and high response characteristics the premise is to achieve 3d printing plc controlled 3d printer you can print physical objects to achieve automation and full management the use of servo motors and stepper motor as the drive motor can be achieved industrial grade printing accuracy key words 3d printer plc control accuracy 1 引言引言 3d 打印源自 100 多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术 上世纪 80 年代已 有雏形 其学名为 快速成型 在 20 世纪 80 年代中期 sls 被在美国得克萨斯州大学奥斯汀分校的卡尔 deckard 博士开发出来并获得专利 项目由 darpa 赞助的 1979 年 类似过程由 rf housholder 得到专利 但没有被商业化 1995 年 麻省理工创造了 三维打印 一词 当时的毕业生 jim bredt 和 tim anderson 修改了喷墨打印机方案 变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案 而不是 把墨水挤压在纸张上的方案 说到 3d 打印 就不得不提 3d 打印机 3d 打印机又称三维打印机 是一种累积 制造技术 通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体 现阶段三维打印机被用来 制造产品 2003 年以来三维打印机的销售逐渐扩大 价格也开始下降 该技术可用于珠宝 鞋类 工业设计 建筑 工程和施工 aec 汽车 航空航 天 牙科和医疗产业 教育 地理信息系统 土木工程 和许多其他领域 最早的 3d 打印出现在上个世纪的 80 年代 价格极其昂贵且所能打印的产品数量 也少得可怜 3d 打印技术的核心制造思想最早起源于 19 世纪末的美国 到 20 世纪 80 年代后 期 3d 打印技术发展成熟并被广泛应用 3d 打印是科技融合体模型中最新的高 维度 的体现之一 据报道 美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机 并已将其 成功推向市场 普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料 而这种最新发明的打印 机 它不仅使立体物品的造价降低 且激发了人们的想象力 未来 3d 打印机的应用将 会更加广泛 科学家们表示 三维打印机的使用范围还很有限 不过在未来的某一天人们一定 可以通过 3d 打印机打印出更实用的物品 3d 打印带来了世界性制造业革命 以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现 而 3d 打印机的出现 将会颠覆这一生产思路 这使得企业在生产部件的时候不再考虑 生产工艺问题 任何复杂形状的设计均可以通过 3d 打印机来实现 它无需机械加工或 模具 就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体 从而极大地所缩短了产品 的生产周期 提高了生产率 尽管仍有待完善 但 3d 打印技术市场潜力巨大 势必成 为未来制造业的众多突破技术之一 2 1 1 方案设计方案设计 1 11 1 3d3d 打印机简介打印机简介 三维打印 3d printer 即快速成形技术的一种 它是运用粉末状金属或塑料等可 粘合材料 通过一层又一层的多层打印方式构造零对象 主要用于模具制造 工业设 计 建造模型 现正发展成产品制造 形成 直接数字化制造 而 3d 打印机就是可 以 打印 出真实 3d 物体的一种设备 功能上与激光成型技术一样 采用分层加工 迭加成形 即通过逐层增加材料来生成 3d 实体 与传统的去除材料加工技术完全不同 说的简单一点 3d 打印是断层扫描的逆过程 断层扫描是把某个东西 切 成无数叠 加的片 3d 打印就是一片一片的打印 然后叠加到一起 成为一个立体物体 1 21 2 系统任务要求系统任务要求 控制对象如图 1 1 所示 主要由 x y 双轴控制台及安装在轴端的伺服电机 z 轴 控制台 打印平台 及安装在轴端的步进电机 打印机喷头机及安装在轴端的步进电 机等组成 x 轴平面 y 轴平面 z 轴平面分别装有接近开关 以便于机械的保护 另 外考虑到打印机喷头和打印平台需要较高的温度 系统还要使用温度控制 现在利用 三菱公司的相关产品 如 q 系列 plc 完成系统的控制核心 m3 系列伺服放大器及伺服 电机 双相步进电机作为执行元件 系统搭建完成后主要实现的是逐层增加材料来生 成 3d 实体 最终打印出完整 3d 立体图形 图 1 1 系统执行实物图 3 1 31 3 系统设计思路系统设计思路 1 从系统的控制要求出发 分析比较了伺服电机 步进电机等的优缺点 选择 了符合 3d 打印系统要求的控制方案 完成了以三菱 q 系列 q00ujcpu s8 为核心 用触 摸屏代替按钮的控制程序的设计 在系统的控制过程中 通过定位数据及一些外部信 号的给定 这里利用三个接近开关 写入原点所在位置的坐标 从而确定原点的位置 2 通过三菱公司生产的定位模块 qd75p2 的定位控制 使得 x 轴的伺服电机按 照定位进行初步定位 y 轴对 x 轴进行插补运动 使得系统能做出更加复杂的定位 通 过触摸屏控制信号输入以及对系统相关的数据进行监控 通过 plc 定位模块的输出控 制伺服放大器 伺服放大器控制伺服电机的转动 带动皮带 即轴运动 3 通过步进驱动器模块进行步进电机的控制 使得 z 轴的步进电机按照程序给 定的要求进行运动 另外通过单片机进行打印机喷头和打印平台的温度控制 2 2 硬件设计硬件设计 2 12 1 系统结构及工作原理系统结构及工作原理 图 2 1 系统框图 系统的结构如图 2 1 所示 主要分为四个模块 电源模块 控制模块 驱动模块 与执行模块 系统的控制模块包括 plc 连接定位模块 在定位模块里面有具体的参数 设置并通过 plc 的写入发送至伺服放大器 从而让伺服电机执行定位 控制模块的 plc 4 主要有两方面的控制要求 一是伺服电机与定位模块一起实现位置的控制 根据伺服 电机的启动要求必须要有驱动模块的参与 所以在外围设备中增加中间继电器和交流 接触器 来控制两路伺服放大器的通断 从而能让驱动模块工作 二是步进电机与 plc 输出模块一起来实现位置的控制 根据步进电机的启动要求必须要有驱动模块参与工 作 同时 在系统的控制当中加入触摸屏的使用 让操作更方便 用设计好具有操作 功能的触摸屏界面接入到 24v 的电源 同时与 plc 通信 起到控制及监控的作用 2 22 2 元器件选型元器件选型 1 plc 的选型 在本次控制系统中 采用三菱公司的 q 模式 cpu 产品 这款产品有如下特点 可 以进行多点输入输出控制 实现了运算的高速处理 体积小 节省空间 只要增加模 块 即能够扩展为大规模系统 可以进行外部输入输出的强制 on off 本系统的 x y 轴伺服定位控制系统启动 停止 双轴的手动 jog 正反转 接近开 关以及 z 轴步进控制系统的启动 停止 手动正反转 接近开关 系统的回原点等信 号共 16 个 输出端连接的是两个放大器的得电 失电 x y z 轴的近点 dog 信号 步 进驱动器的脉冲及方向信号等 8 个信号 所以对应的输出端需要 7 个输出 根据系统 的输入与输出量 同时考虑有适当的余量 选择了日本三菱公司的 q 系列 q00uj cpu s8 的 plc 另外附带的插槽可以自行增减输入输出模块 完全可以满足控制要求 2 伺服电机的选择 如今市面上有很多种类的伺服电机 国内较常用的有日系的三菱 安川 松下 三洋 富士 日立等 美系的有 danaher 原 kollmogen baldor parker rockwell 等 还有是台湾通用伺服 东元 台达 在大陆有和利时 埃斯顿等 在这里我们选择三菱公司的 hf kp053 这款的伺服电机有如下特点 体积小 重量轻 大转矩输出 低惯性 以适应速度指令或位置指令的快速变化 良好的控制性能 以及发电制动功能 宽广的调速范围 即要求伺服电机的转速能够随控制电压的改变能在宽广的范 围内连续调节 转矩脉动小 5 3 伺服放大器的选择 在伺服放大器的选择上主要考虑伺服电机的功率 在系统设备中 伺服电机的 功率为50w 所以选择三菱公司的mr j3 10a型的伺服放大器 此放大器的功率为 100w 且设置方便 满足控制要求 4 步进电机的选择 在步进电机的选择上 我们选择了丽控公司的 17hd4063 05n 型号的步进电机 该款步进电机迷你小巧 额定电压 24v 额定功率为扭矩 2 2kg cm 现已被广泛应用在 3d 打印机上面 5 触摸屏的选择 在触摸屏的选择上 我们选择了三菱公司的 got1000 这款触摸屏实现了显示 运 算 通讯全方位的高速化 同时他还具有如下特点 高亮度 400cd m2 显示 提供 免受外部光线干扰的完美图像 分辨率 320 240 256 色 tft 液晶显示 显示尺寸 5 7 英寸 可视角度左右 70 度 上下 70 50 度 内置 3mb 标准内存 内置 cf 卡接口 系统主要元器件清单见附件1表1所示 2 32 3 系统原理图系统原理图 根据系统的控制要求设计的系统原理图如图2 2所示 6 图 2 2 系统设计原理图 7 根据系统的需求及实现功能 列出如下系统输入 输出的软元件分配表 见附 件2表2 3 3 参数整定参数整定 3 13 1 定位模块参数设置定位模块参数设置 编程时候用的是 gx works2 软件自带定位参数整定功能 整定的 x 轴参数为下表 3 1 所示 表 3 1 轴 1 x 轴 定位参数设定 运行模 式 控制方式差补 对象 加速时 间编号 减速时 间编号 定位地址圆 弧 地 址 指令速度停 留 时 间 m 代 码 3 轨迹 0ah abs 直线 2 轴 2 0 1000 2000 50000um1000 00mm mi n 01 3 轨迹 0ah abs 直线 2 轴 2 0 1000 20000 0um1000 00mm mi n 01 3 轨迹 0ah abs 直线 2 轴 2 0 1000 200019151um1000 00mm mi n 01 3 轨迹 0ah abs 直线 2 轴 2 0 1000 2000 24776um1000 00mm mi n 01 3 轨迹 0ah abs 直线 2 轴 2 0 1000 200024776um1000 00mm mi n 01 3 轨迹 0ah abs 直线 2 轴 2 0 1000 2000 19151um1000 00mm mi n 01 0 结束 0ah abs 直线 2 轴 2 0 1000 2000 19151um1000 00mm mi n 02 整定的 y 轴参数为下表 3 2 所示 表 3 2 y 轴 插补轴 定位参数设定 运行模 式 控制方式差补 对象 加速时 间编号 减速 时间 编号 定位地址圆 弧 地 址 指令速度停留 时间 m 代码 50000um 25000um 20225um 7225um 7225um 20225um 20225um 8 3 23 2 伺服系统内部参数设定伺服系统内部参数设定 伺服参数设置用的是 gx works2 软件自带定位参数整定功能 整定的伺服系统参 数为下表 3 3 所示 表 3 3 伺服系统参数设定 基本参数基本参数1 1根据可编程控制器就绪信号启用根据可编程控制器就绪信号启用 单位设置 0 mm0 mm 每转的脉冲数 2500pulse2500pulse 每转的移动量 3375 0um3480 0um 单位倍率1 x1倍1 x1倍 脉冲输出模式1 cw cc模式1 cw cc模式 旋转方向设定0 通过正转脉冲输出增加当前值0 通过正转脉冲输出增加当前值 启动时偏置速度 0 00mm min0 00mm min 基本参数基本参数2 2根据机械设备和相应电机 在系统启动时进行设置根据机械设备和相应电机 在系统启动时进行设置 速度限制值 4000 00 mm min4000 00 mm min 加速时间0 100 ms100 ms 减速时间0 1000ms1000ms 输入信号逻辑选择 下限1 正逻辑1 正逻辑 输入信号逻辑选择 上限1 正逻辑1 正逻辑 输入信号逻辑选择 停止0 负逻辑0 负逻辑 输入信号逻辑选择 近点0 负逻辑0 负逻辑 原点回归基本参数原点回归基本参数设置用于原点回归控制所需要的值设置用于原点回归控制所需要的值 原点回归方式1 制动停止型 1 制动停止型 原点回归方向1 负方向 地址减少方向 1 负方向 地址减少方向 原点地址 0 0um0 0um 原点回归速度 800 00mm min800 00mm min 爬行速度 100 00mm min100 00mm min 原点回归重试0 不通过限位开关重试原点回归0 不通过限位开关重试原点回 归 原点回归详细参数原点回归详细参数设置用于进行原点回归控制所需要的值设置用于进行原点回归控制所需要的值 原点回归停留时间 200ms200ms 近点dog on后的移动量 1000 00um1000 00um 原点回归加速时间选择 0 1000 100 原点回归减速时间选择 1 5001 500 原点移动量 145000 050000 0 原点回归转矩限制值 300 300 偏差计数器清除信号输出时 间 11ms11ms 原点移位时速度指令0 原点回归速度0 原点回归速度 原点归位重试停留时间 0ms0ms 9 3 33 3 步进系统内部参数设定步进系统内部参数设定 步进参数设置用的也是 gx works2 软件自带参数整定功能 整定的步进系统参数 为下表 3 4 所示 表 3 4 步进系统参数设定 基本参数基本参数1 1根据可编程控制器就绪信号启用根据可编程控制器就绪信号启用 单位设置 0 mm0 mm 每转的脉冲数 2500pulse2500pulse 每转的移动量 155 0um3480 0um 单位倍率1 x1倍1 x1倍 脉冲输出模式0 pulse sign模式0 pulse sign模式 旋转方向设定0 通过正转脉冲输出增加当前值0 通过正转脉冲输出增加当前值 启动时偏置速度 0 00mm min0 00mm min 基本参数基本参数2 2根据机械设备和相应电机 在系统启动时进行设置根据机械设备和相应电机 在系统启动时进行设置 速度限制值 4000 00 mm min4000 00 mm min 加速时间0 100 ms100 ms 减速时间0 1000ms1000ms 输入信号逻辑选择 下限1 正逻辑1 正逻辑 输入信号逻辑选择 上限1 正逻辑1 正逻辑 输入信号逻辑选择 停止0 负逻辑0 负逻辑 输入信号逻辑选择 近点0 负逻辑0 负逻辑 原点回归基本参数原点回归基本参数设置用于原点回归控制所需要的值设置用于原点回归控制所需要的值 原点回归方式1 制动停止型 1 制动停止型 原点回归方向1 负方向 地址减少方向 1 负方向 地址减少方向 原点地址 0 0um0 0um 原点回归速度 200 00mm min200 00mm min 爬行速度 100 00mm min100 00mm min 原点回归重试0 不通过限位开关重试原点回归0 不通过限位开关重试原点回 归 原点回归详细参数原点回归详细参数设置用于进行原点回归控制所需要的值设置用于进行原点回归控制所需要的值 原点回归停留时间 200ms200ms 近点dog on后的移动量 1000 00um1000 00um 原点回归加速时间选择 0 1000 100 原点回归减速时间选择 1 5001 500 原点移动量 400 0400 0 原点回归转矩限制值 300 300 偏差计数器清除信号输出时 间 11ms11ms 原点移位时速度指令0 原点回归速度0 原点回归速度 原点归位重试停留时间 0ms0ms 10 11 4 4 人机界面设计人机界面设计 在设计 3d 打印控制系统中 我们用触摸屏代替按钮或开关来操作 触摸屏控制 器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息 并将它转换成触点坐标 再送给 cpu 它同时能接收 cpu 发来的命令并加以执行 在这个系统中 工作时的触摸屏界面包括主界面 操作界面 监控界面以及手动 界面 如下图所示图 4 1 为主界面 图 4 2 为操作界面 图 4 3 为监控界面 图 4 4 为手动界面 触摸屏操作步骤如下 1 在系统调试之前先将触摸屏程序导入到触摸屏中 以实现控制系统的调节 进入主界面后 触摸界面任何一处进入操作界面 2 进入操作页面后 点击外围启动按钮 给伺服放大器上电 按下手动界面按 钮进入手动界面 3 在手动控制界面中 分别按下 x y z 轴的正转按钮和 进丝 退丝 按 钮 判断其运行是否有误 如无误的话 按下左箭头标志的按钮返回操作界面 4 在操作界面里按原点回归按钮 等到回到原点 再按 画正方体 或 画圆 柱体 按扭进行打印 然后再按监控界面按钮 进入监控界面 5 进入监控界面后 会看到以下参数 轴一速度 和 轴二速度 的趋势图 轴一进给当前值 轴二进给当前值 轴一进给速度 轴二进给速度 的数值显示 在开始界面中主要是写入一些相关的文字 说明一下系统的名称和制作人 图 4 1 主界面 在操作页面里 你按下外围启动按钮后伺服放大器电源导通 接着再按下 画正 12 方体 或 画圆柱体 按扭 就会打印出相应的物体 当按下停止按钮 所有的动作 都会停下来 当你按一下再启动按钮 系统又会启动起来 你按一下回原点按钮 x y z 轴都会回归到原点 在操作界面还有三个页面切换按扭 当按下 手动界面 监视页面 主界面 按钮后 页面就会切换到相应的画面 图 4 2 操作界面 在监视页面里显示的是整个系统的当前所处的状态值 有 x y 轴的位置显示和 x y 轴的速度显示 还有就是 x y 轴的速度波动显示 当按下 操作界面 主界面 按钮后 页面就会切换到相应的画面 图4 3 监控页面 在手动页面中主要是系统的一些点动控制信号的给定 当按一下 x 轴向左 按 钮 x 轴就会实现点动的正转运行 按一下 x 轴向右 按钮 x 轴就会实行点动的反 转运行 与此相似 当按一下 y 轴向前 向后和 z 轴上升 下降按钮后 都会实现相 应的点动运行 在原料控制区里 按下进丝按钮 原料就会往喷嘴里装填 按下退丝 13 按钮 原料就会退出喷嘴 当按下 操作界面 主界面 按钮后 页面就会切换到 相应的画面 图 4 4 手动界面 5 5 软件设计软件设计 5 15 1 系统流程图系统流程图 在系统搭建完成的前提下 按照定位参数的设置进行系统定位 包括位置控制 速度控制等控制 在原点回归方面 分为手动回原点 机械回原点 如近点 dog 运行 点动运行 自动控制状态下 启动 停止的信号的设定 启动后根据系统要求打印的 图形进行 x y z 轴的定位控制 在定位过程中如果发生错误动作系统会自动紧急停 止 根据系统要求的功能编写程序 下图 5 1 为程序编写的流程图 14 图5 1 程序流程图 15 5 25 2 控制程序设计控制程序设计 程序编写分为主程序块和子程序块 利用此种编程方法可使程序模块化 缩短运 算周期 控制程序的流程等优点 主程序主要包括系统的公共部分 子程序主要包括 原点回归子程序 手动调试子程序 轴速度和位置显示 五角星打印子程序 三菱标 志打印子程序 下面就系统的功能对以下程序进行大致说明 外围软件信号 y10是放大器的电源 y20是x y轴定位模块准备信号 y50是z轴定位模块的准备信 号 系统急停信号 y24是x轴停止信号 y25是y轴停止信号 y54是z轴停止信号 16 再启动信号 该信号用于急停后的再启动命令 可以恢复急停前的动作状态 打印切换 打印切换信号是在打印过程切换到另一种物体打印 17 系统报警 故障报警信号用于指示系统出错 自动停止系统的运行 子程序的调用 18 该部分程序是各子程序的调用 利用子程序可以缩短主程序的扫描时间 同时可以 增加程序的通读性 具体的子程序编写可见附件3程序清单 6 6 联机调试联机调试 在硬件线路接好并在断电条件下 按照电路图要求 将 plc 和外部设备通过航空 插座相连 同时将 plc 和编程计算机相连 还有将触摸屏和编程计算机相连 将系统 所有设备接通电源后 plc 在计算机的监视下运行用户程序 观察系统运行动态是否 设计要求相符合 1 3d 打印机初始化操作 当执行打印前应先执行初始化操作 初始化操作包括 x y z 轴的原点归位 定位参数的整定和电气规格的检查 在向 plc 导入程序前首 先是对系统的电气检查 在确认系统接线无误后再将程序和 qd75 定位模块的参数一 起写入到 plc 中 原点归位采用近点狗信号 原点归位顺序依次是 x 轴 y 轴和 z 轴 2 在人机界面里面设置定位运行的必要参数 打印平台 喷嘴的加热由单片机控 制 在平台加热至 110 喷嘴加热到 230 的时候 plc 执行用户程序 z 轴上升到离 喷头 0 4mm 处 x y 轴执行打印物体的 切片 定位 当 x y 轴完成二维面的定 位时 x y 轴停止 此时 z 轴下降 0 4mm z 轴下降完成后 x y 轴继续程序给定的 切片 定位 由此种程序走法循环 当 z 轴下降到设定高度时 x y 轴再执行一 次二维面的定位 当此次二维面定位完成后执行原点归位一次使 x y 和回归到初始 位置上 3 系统的急停和再启动 系统在打印过程中如果出现报错后应当立即停止本次打 印任务并在触摸屏上给出报警提示 同时报警灯以 1hz 闪烁提示操作人员处理 如果 19 在打印过程中需要人为急停系统可以按下急停键中断打印任务 在需要继续打印的时 候可以按下再启动按钮取消急停命令继续打印 4 当定位结束后 触摸屏打印完成指示灯以 1hz 闪烁提示 然后再由操作人 员关断电源待加热平台自然冷却后轻轻取下打印物品 自此打印完成 20 总结与谢词总结与谢词 本系统采用 x y 两轴伺服控制系统作为打印头 x y 轴驱动 z 轴载物平台我们采 用步进电机驱动 除了以上 3 轴运动控制 我们还设计了打印头挤出机步进驱动系统 综合而言整个 3d 打印机控制系统包含 plc 步进控制系统 伺服控制系统 人机界面 等几个环节 经调试本系统的设计达到了预期的效果 在毕业设计的过程中 我们不仅可以把所学的理论知识应用于实际 还自学了大 量新学科新知识 3d 打印机控制系统的研究涉及了控制技术 计算机和机械等多个学 科 不仅开拓了视野 也提高了动手实践能力 在这个小小的模型调试中 从电机的 驱动