熔融沉积成型彩色3D打印控制研究
发布时间：2020-12-23 04:44
目前熔融沉积工艺(FDM)3D打印机大多数只能打印颜色单一的模型,为了改善这一现状,在深入研究现有3D打印机的基础上,设计出一套可以实现彩色成型的3D打印控制方案。该方案以Hbot机构为主要机械结构,使用混色挤出头作为成型挤出头,同时应用Bresenham直线算法,三次多项式型加减速控制算法对系统进行运动控制。为了验证该方案的有效性与稳定性,以过渡色打印和多色打印进行打印测试。结果表明,所提出的控制方案可以在精确地完成模型打印的前提下,同时保证很高的稳定性。
【文章来源】：机械设计与制造. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
Hbot机构传动原理示意图
脑硕?图烦鐾返脑硕?叵悼梢杂靡韵?公式表示：Δy=12（Δs1-Δs2）Δx=12Δs1+Δs2（1）式中：Δs1—M1位移；Δs2—M2位移；Δx—挤出头方向位移；Δy—挤出头方向位移。由（1）可得：Δs1=Δx+ΔyΔs2=Δx-ΔΔy（2）已知、方向的位移可以由（2）计算出M1、M2的位移，以便于控制系统在已知、位移的情况下，对M1、M2的控制。3打印原理与挤出比控制所提出方案使用三进一出混色挤出头，挤出头结构示意图，如图2所示。打印原理为控制三种耗材的挤出比，使三种耗材混合出不同的颜色，从而得到彩色的打印效果。三进一出挤出头对应三个挤出电机，令E0、E1、E2分别代表三个挤出电机，坠0、坠1、坠2分别代表三个挤出电机的挤出比，通过在Gcode中添加M11指令来控制三个挤出电机的挤出比，具体格式为M11f坠0s坠1，例如M11f0.5s0.2即表示坠0=0.5，坠1=0.2，坠2=1-0.5-0.2=0.3。耗材1耗材3耗材2混合室图2混色挤出头Fig．2Color-MixingExtruder4系统运动控制4．1运动过程转化此方案中电机均采用步进电机，通过Gcode设置三个E轴挤出比分别为坠0、坠1、坠2，且坠0+坠1+坠2=1，此处三挤出比相加为1，是为了确保三个挤出电机的总挤出量和使用单挤出电机时挤出量相等。若挤出头为单进单出挤出头时，E轴步进数为Steps_E，则：Steps_E0=Steps_E*坠0Steps_E1=Steps_E*坠1Steps_E2=Steps_E*坠2（3）式中：Steps_E0、Steps_E1、Steps_E2-E0、E1、E2-所需步进步数。令x、y、z?
?）得：Steps_M1=Steps_X+Steps_YSteps_M2=Steps_X+Steps_ΔY（4）对Steps_M1、Steps_M2、Steps_Z、Steps_E0、Steps_E1、Steps_E26个步进数共同进行Bresenham算法插补即可在保证位置和挤出量正确的前提下构建出彩色模型。4．2Bresenham直线算法在图形算法界，直线生成已经出现了许多有效算法。其中Bresenham直线算法[6]是最经典的算法之一，其优点在于不需要进行小数和取整运算，只需要整数加法和乘法运算即可。yoPs（x0，y0）xPe（x1，y1）图3Bresenham直线算法示意图Fig．3SchematicDiagramofBresenhamLinearAlgorithm以第一象限，直线斜率0<k<1为例，如图3所示。若插补起点为ps（x0，y0），终点为pe（x1，y1），令Δx=x1-x0，Δy=y1-y0，易得Δx>Δy，插补过程如下：（1）i=0，Ci=2Δy-Δx。（2）xi+1=xi+1。（3）若Ci叟0，yi+1=yi+1，Ci+1=Ci+2（Δy+Δx）；若Ci<0，yi+1=yi，Ci+1=Ci+2Δy。（4）i=i+1，若i=Δx插补结束；否则转至步骤（2）。式中：Ci—判断如何插补的变量。对于Δx燮Δy的情况，交换公式中x、y的位置即可，可以看出对于坐标变化大的方向每次都前进一个单位。以XY平面为例，对应电机为M1、M2。令步进电机脉冲当量为step0，其相当于图3中的栅格边长，这样就可以把打印机工作区域以step0为最小单元进行栅格化，坐标的变化对应电机脉冲的变化，这样Bresenham算法就可以和步进电机的控制对应起来。若打印轨迹为从Ps到Pe，由以上分析可知，需步进步数最大的电机每次插补都会步进一个step0，定义步进步数最?
【参考文献】：
期刊论文
[1]步进电机加减速控制新方法的研究[J]. 樊留强,惠延波,王莉. 电机与控制应用. 2017(03)
[2]3D打印材料应用和研究现状[J]. 王延庆,沈竞兴,吴海全. 航空材料学报. 2016(04)
[3]3D打印技术在医学中的应用进展[J]. 杨新宇,詹成,李明,代曦煜,冯明祥. 复旦学报(医学版). 2016(04)
[4]3D打印技术过程控制问题研究进展[J]. 李轩,莫红,李双双,王飞跃. 自动化学报. 2016(07)
[5]熔融沉积成型3D打印机混色装置的研究[J]. 韩善灵,李志勇,肖宇,徐旭. 机械设计与制造. 2015(11)
[6]Bresenham算法及其在遥感影像图形绘制中的应用[J]. 程滔,郭雅琳,李正平. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2014(09)
[7]三次多项式型微段高速自适应前瞻插补方法[J]. 冷洪滨,邬义杰,潘晓弘. 机械工程学报. 2009(06)
[8]步进电机升降速曲线控制系统设计及其应用[J]. 王勇,王伟,杨文涛. 控制工程. 2008(05)
本文编号：2933095
【文章来源】：机械设计与制造. 2020年07期 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
Hbot机构传动原理示意图
脑硕?图烦鐾返脑硕?叵悼梢杂靡韵?公式表示：Δy=12（Δs1-Δs2）Δx=12Δs1+Δs2（1）式中：Δs1—M1位移；Δs2—M2位移；Δx—挤出头方向位移；Δy—挤出头方向位移。由（1）可得：Δs1=Δx+ΔyΔs2=Δx-ΔΔy（2）已知、方向的位移可以由（2）计算出M1、M2的位移，以便于控制系统在已知、位移的情况下，对M1、M2的控制。3打印原理与挤出比控制所提出方案使用三进一出混色挤出头，挤出头结构示意图，如图2所示。打印原理为控制三种耗材的挤出比，使三种耗材混合出不同的颜色，从而得到彩色的打印效果。三进一出挤出头对应三个挤出电机，令E0、E1、E2分别代表三个挤出电机，坠0、坠1、坠2分别代表三个挤出电机的挤出比，通过在Gcode中添加M11指令来控制三个挤出电机的挤出比，具体格式为M11f坠0s坠1，例如M11f0.5s0.2即表示坠0=0.5，坠1=0.2，坠2=1-0.5-0.2=0.3。耗材1耗材3耗材2混合室图2混色挤出头Fig．2Color-MixingExtruder4系统运动控制4．1运动过程转化此方案中电机均采用步进电机，通过Gcode设置三个E轴挤出比分别为坠0、坠1、坠2，且坠0+坠1+坠2=1，此处三挤出比相加为1，是为了确保三个挤出电机的总挤出量和使用单挤出电机时挤出量相等。若挤出头为单进单出挤出头时，E轴步进数为Steps_E，则：Steps_E0=Steps_E*坠0Steps_E1=Steps_E*坠1Steps_E2=Steps_E*坠2（3）式中：Steps_E0、Steps_E1、Steps_E2-E0、E1、E2-所需步进步数。令x、y、z?
?）得：Steps_M1=Steps_X+Steps_YSteps_M2=Steps_X+Steps_ΔY（4）对Steps_M1、Steps_M2、Steps_Z、Steps_E0、Steps_E1、Steps_E26个步进数共同进行Bresenham算法插补即可在保证位置和挤出量正确的前提下构建出彩色模型。4．2Bresenham直线算法在图形算法界，直线生成已经出现了许多有效算法。其中Bresenham直线算法[6]是最经典的算法之一，其优点在于不需要进行小数和取整运算，只需要整数加法和乘法运算即可。yoPs（x0，y0）xPe（x1，y1）图3Bresenham直线算法示意图Fig．3SchematicDiagramofBresenhamLinearAlgorithm以第一象限，直线斜率0<k<1为例，如图3所示。若插补起点为ps（x0，y0），终点为pe（x1，y1），令Δx=x1-x0，Δy=y1-y0，易得Δx>Δy，插补过程如下：（1）i=0，Ci=2Δy-Δx。（2）xi+1=xi+1。（3）若Ci叟0，yi+1=yi+1，Ci+1=Ci+2（Δy+Δx）；若Ci<0，yi+1=yi，Ci+1=Ci+2Δy。（4）i=i+1，若i=Δx插补结束；否则转至步骤（2）。式中：Ci—判断如何插补的变量。对于Δx燮Δy的情况，交换公式中x、y的位置即可，可以看出对于坐标变化大的方向每次都前进一个单位。以XY平面为例，对应电机为M1、M2。令步进电机脉冲当量为step0，其相当于图3中的栅格边长，这样就可以把打印机工作区域以step0为最小单元进行栅格化，坐标的变化对应电机脉冲的变化，这样Bresenham算法就可以和步进电机的控制对应起来。若打印轨迹为从Ps到Pe，由以上分析可知，需步进步数最大的电机每次插补都会步进一个step0，定义步进步数最?
【参考文献】：
期刊论文
[1]步进电机加减速控制新方法的研究[J]. 樊留强,惠延波,王莉. 电机与控制应用. 2017(03)
[2]3D打印材料应用和研究现状[J]. 王延庆,沈竞兴,吴海全. 航空材料学报. 2016(04)
[3]3D打印技术在医学中的应用进展[J]. 杨新宇,詹成,李明,代曦煜,冯明祥. 复旦学报(医学版). 2016(04)
[4]3D打印技术过程控制问题研究进展[J]. 李轩,莫红,李双双,王飞跃. 自动化学报. 2016(07)
[5]熔融沉积成型3D打印机混色装置的研究[J]. 韩善灵,李志勇,肖宇,徐旭. 机械设计与制造. 2015(11)
[6]Bresenham算法及其在遥感影像图形绘制中的应用[J]. 程滔,郭雅琳,李正平. 合肥工业大学学报(自然科学版). 2014(09)
[7]三次多项式型微段高速自适应前瞻插补方法[J]. 冷洪滨,邬义杰,潘晓弘. 机械工程学报. 2009(06)
[8]步进电机升降速曲线控制系统设计及其应用[J]. 王勇,王伟,杨文涛. 控制工程. 2008(05)
本文编号：2933095
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