基于ATmega2560的金属FDM打印设备控制系统设计

刘 斌，龙健宁，吴晟霖，袁道明，张 涛

(1.华南理工大学聚合物成型加工工程教育部重点实验室聚合物新型成型装备国家工程研究中心，广东 广州 510640;2.珠海天威飞马打印耗材有限公司，广东 珠海 519000)

0 引言

作为3D打印技术的典型代表，FDM技术凭借着打印操作方便、机械结构简单、成本低廉等优势，在实际应用中越来越广泛[1]。相比于激光型的金属3D打印技术，金属FDM 3D打印技术更具实际应用价值。本文针对金属FDM打印设备的控制要求，提出一种以ATmega2560为主控制器，采用模块化设计方法的金属FDM打印设备硬件控制系统方案。ATmega2560片外资源丰富，可扩展性高，控制性能强[2]。

1 控制系统整体硬件设计方案

FDM打印设备的整个硬件控制系统框架如图1所示。

图1 硬件控制系统框架

a.主控制模块。采用ATmega2560微控制器作为控制系统的下位机。

b.电机驱动模块。采用5个步进电机实现控制系统的驱动功能。X轴、Y轴各选用1个步进电机实现挤出喷嘴的精确定位；Z轴选用2个步进电机驱动打印平台的上下移动；此外，送丝机构采用1个步进电机驱动，通过步进电机的旋转来实现熔融丝料的挤出。

c.温度控制模块。主要对打印平台与挤出喷嘴进行加热，并进行温度的采集反馈。打印平台温度保证丝料能顺利粘附，而挤出喷嘴的温度要保证能熔融打印丝料，温度的实时反馈则确保工作环境处于一个恒温状态。

d.串口通信模块。主要用于上位机与下位机的数据通信，接收打印数据、控制命令，监控打印过程并适时根据反馈结果调整打印参数。

e.数据通信模块。主要包括显示屏和SD卡数据读取。显示屏显示打印设备的打印状态，包括打印速度、打印温度、打印完成度等；SD卡负责读取打印三维模型的G代码。

温度传感器实时监测喷嘴和打印平台的温度，并将信息反馈给主控制器，主控制器继而控制调节加热器，形成一个温度闭环控制系统。控制系统结构如图2所示。

图2 温度闭环控制系统结构

2 最小系统的硬件电路设计

2.1 复位电路

系统在运行时往往要重新开始，清空上一次的运行数据，或当机器出现死机情况时都需要进行复位，重新开始工作[3]。常见的复位电路包括上电复位电路和外部复位电路，通过复位电路产生的复位信号(高电平有效)经RST引脚送入到微控制器的内部，完成复位功能。本次电路设计是通过外部按键把主控制器的RESET引脚设置为低平来复位。复位电路如图3所示。

图3 复位电路

2.2 时钟电路

主控制器内部是由诸如触发器等构成的时序电路组成的，只有通过时钟才能使主控制器一步步地工作。具体工作时，主控制器外部接上振荡器(也可以是内部振荡器)提供高频脉冲经过分频处理后，成为主控制器内部时钟信号，作为片内各部件协调工作的控制信号。如果没有时钟信号，触发器的状态就不能改变，主控制器内部的所有电路在完成一个任务后将最终达到一个稳定状态而不能再继续进行其他任何工作了。因此，主控制器可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路[4]。时钟电路如图4所示。

图4 时钟电路

2.3 电源电路

本控制系统主要需要12 V直流以及5 V直流2种等级的供电电压，其中12 V为电源电压，5 V主要为主控制器、温度控制电路、步进电机驱动电路、串口通信电路以及数据通信电路等供电。本文采用DC-DC降压方式，利用L5970AD降压芯片，将12 V的电源电压转换为各个工作模块所需的5 V电压。这种降压方式电流大，转换效率高，工作效率能达到90%以上。电源电路如图5所示。

图5 电源电路

3 步进电机驱动电路设计

在3D打印过程中，步进电机驱动设备中的X轴、Y轴、Z轴及送丝机构由于主控制器发出的脉冲较小，无法直接驱动步进电机，因此需采用一个中间媒介——电机驱动器来放大脉冲[5]。本文采用A4988电机驱动器，其步进设置模式如表1所示。

表1 A4988步进设置模式

图6 X轴步进电机驱动电路

STEP，DIR和ENABLE分别连接主控制器控制端口来控制步进电机。STEP端口控制电机驱动的稳定性，当输入微步信号时，步进电机稳定驱动。DIR端口控制步进电机的正反转：当输入高平电压时，DIR端口控制步进电机顺时针方向运转；当输入低平电压时，步进电机逆时针方向运转。ENABLE端口控制步进电机的运行状态：该端口输入高平电压时，电机停止运行；当输入低平电压时，电机正常运行。MS1，MS2和MS3端口控制步进电机的细分步进量，该模块设置成1/16步进值。X轴步进电机驱动电路如图6所示。

4 温度控制电路设计

该模块主要负责加热以及温度采集。加热保证打印过程熔融丝料的顺利挤出以及打印制品能够顺利粘附，而温度采集则实现了对温度的反馈，从而进行恒温调节。该模块的温度控制是一个闭环控制系统，能对温度进行精确控制。

加热主要包括打印平台加热与挤出喷嘴加热。打印平台的加热采用PCB加热的方式，该方式主要是依靠电阻热效应来加热，相比较于其他的加热方式，PCB加热效果优良。打印平台加热电路如图7所示。挤出喷嘴采用铝棒加热的方式，其加热电路如图8所示。

温度采集部分，采用K型热电偶温度传感器来实现温度的监测与反馈。由热电偶的测温原理可知，热电偶检测反馈的温度数据需经过数字转换才能传递给主控制器，为此需选用一个模数转换器[6]。

本文选用MAX6675转换器，它能够处理信号放大、冷端补偿、线性化处理及数字转换等问题，同时，它的数据输出是12位的、SPI兼容的格式。由此可以看出，该温度数字转换芯片无需过多复杂的外围电路，I/0接口电路简单，大大简化了温度控制电路的设计。

图7 打印平台加热电路

图8 喷嘴加热电路

MAX6675转换芯片与主控器的接口硬件电路如图9所示，其中，T+接热电偶的测量端，T-接冷端；SCK为串行时钟电路输入接口，为设备提供采样时钟；SO为SPI串行输出端口，主控制器与SO连接接受转换数据；CS为片选信号，主要作用是使主控制器选中通信设备。

图9 温度控制电路

5 串口通信电路设计

串口通信是主控制器与PC机交互的重要部分，完成主控制器与上位机的数据交换功能。

ATmega2560内含UART接口，是异步通信方式，而且能够全双工接收和发送数据，其硬件具有TXD发送端和RXD接收端2个引脚。计算机普遍采用USB串行通信接口，而UART采用TTL逻辑标准，故需要电平转换才能完成数据传递。本文采用FT232RL电平转换芯片，其转换方式为：主控制器串口—FT232RL转换芯片—USB接口。串口通信电路如图10所示。USBDP接入D+，USBDM接入D-，用来传输数据。主控制器TXD和RXD分别接入FT232RL芯片的RXD和TXD，从而完成从PC端到主控制器的数据传递。

图10 串口通信电路

6 温度控制策略研究

温度控制是FDM型3D打印设备控制系统的重要一部分，对打印质量与效率起着至关重要的作用[7]。本文采用了模糊PID算法，利用模糊规则对传统PID控制中的系数KP，KI和KD进行调节。相比于传统PID控制，模糊PID控制更具自适应性与合理性[8]。应用MATLAB里的Simulink模块建立了温度的模糊PID控制仿真系统，如图11所示。

得到的温度响应曲线如图12所示。由仿真结果可知，在基于自适应模糊PID控制的温度控制系统中，喷嘴加热到205 ℃需要60 s左右，超调量约2.3%，达到稳态值需要130 s左右。该温度控制系统的响应迅速，鲁棒性较强，能够满足金属FDM打印设备的温度控制要求。

7 结束语

针对金属FDM 3D打印设备的控制要求，以ATmega2560为主控制器设计了一整套硬件电路控制方案，主要包括ATmega2560最小系统电路、步进电机驱动电路、温度控制电路和串口通信电路的设计。此外，还针对温度控制，采用模糊PID算法进行了温度控制策略的研究，使得温度控制更加合理。通过在金属FDM打印设备上的测试，该控制系统方案的实际运行效果良好，能够对金属FDM的整个工艺过程实现有效的控制。

图11 温度的模糊PID控制仿真系统

图12 温度响应曲线