多材料生物3D打印设备气压控制系统设计

崔 濛,汤 浩,杨 帅,施建平

(1.扬州大学机械工程学院,江苏 扬州 225127) (2.南京师范大学,江苏省三维打印装备与制造重点实验室,江苏 南京 210023) (3.南京师范大学电气与自动化工程学院,江苏 南京 210023)

生物3D打印技术是一种基于离散——堆积成形原理,以活细胞、生物活性因子及生物材料的基本成形单元,设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构的技术,它融合了制造科学与生物医学,是一项具有交叉性和前沿性的新兴技术[1-4]. 随着相关技术的快速发展,3D生物打印不仅会为人体组织器官的来源提供解决方案,而且在社会经济生活和国防军事等领域也必将有广泛的应用前景. 预计3D生物打印技术将在五年内实现对功能性血管的打印,在十年内实现对心脏或肝脏等器官的打印,这将是现代医学的一场技术革命[5-10]. 3D生物打印的“独门绝技”就在于,控制生物打印墨水的按需精确喷射成型. 在现代医学精确扫描和计算机快速建模技术支持下,依据目标组织模型,利用计算机精确控制逐层沉积生物墨水,就可制备出具有特定功能的仿生结构植入体[11-12].

多材料一体成型正成为生物3D打印机装备制造的必然趋势[13-14]. 生物3D打印技术中,关键核心技术是如何对多样化的生物墨水进行精确的喷射打印[15-20]. 因此,对多路材料喷射挤压系统进行精确的气体驱动尤为重要. 鉴于此,本研究设计并制作了一种基于比例调节阀的气压控制系统,通过相关硬件电路和软件算法的调控,本系统可实现对工作状态下喷头气压的精确调节和实时监控.

1 实验材料和方法

1.1 功能要求

生物3D打印系统概念图如图1所示. 系统工作时,运动子系统、喷头控制子系统以及温度控制子系统相互协作运行. 对于喷头控制子系统中气压的控制主要有以下功能要求:通过程序设定或触摸屏输入的气压值通过单片机控制系统实时的传输给气压比例调节阀,以实现给定目标压力值快速施加于所驱动的打印喷头,实现材料的实时喷射挤出,同时各路挤出系统中的气压监控模块对所在回路的气压进行实时监控.

1.2 系统总体框架

如图2所示,喷头气压实时控制系统以MEGA2560单片机为核心,按照功能要求设计各模块电路并配以处理程序,实现了显示可靠、精准气压控制、扩展性强、使用便捷的设计目的. 根据生物3D打印系统的实际工作情况,本研究所设计的气压控制系统主要由主控单元模块、比例调节阀模块、气压传感器模块、串口触控屏模块及供电模块组成. 主控单元模块负责整个系统数据处理和命令控制,比例调节阀模块接收单片机发送的气压值调节命令并进行气压比例调节,气压传感器模块负责采集喷头气路系统中的实时工作气压,串口触控屏模块兼有目标气压值的输入与监控气压值的显示功能,电源模块为系统各模块提供不同电压等级的持续稳定电能.

1.3 主控单元模块

系统主控单元选用ATmega2560单片机作为气压控制模块和接收显示模块的核心控制板[21-23]. 单片机基于Arduino开发平台,其构建于开放原始码simple I/O介面版,对其编程是通过编程语言(基于 Wiring)和开发环境(基于 Processing)来实现的. 主控系统采用USB接口的核心电路板,具有54路数字输入输出,适合需要大量IO接口的设计. 处理器核心为ATmega2560,同时具有54路数字输入/输出口(其中15路可作为PWM输出),15路模拟输入,4路UART接口,一个16MHz晶体振荡器,一个USB接口,一个电源插座,一个ICSP header和一个复位按钮.

系统工作时最先设定单片机所用的引脚输入输出模式,指定4个带有PWM输出功能的数字量引脚为电气比例阀控制引脚,指定4个模拟量引脚为压力变送器监控引脚,设定串口通讯的波特率,并启动串口. 本系统中单片机主要实现两个主要功能:比例调节阀的控制和压力变送器气压值的读取,程序流程图如图3所示.

1.4 气压传感器模块

内置于压力变送器中的气压传感器将喷头内的气压物理量转换为电压信号传递给单片机处理单元. 喷头工作气压数据采集的方法有多种,考虑到简单实用、易于实现、性能稳定、功耗低、可靠性高等因素,系统选用SUP-P300压力变送器来实现喷口压力数据的检测,如图4所示. SUP-P300压力变送器压力敏感核心采用了高性能的硅压阻式压力充油芯体,内部的专用集成电路将传感器毫伏信号转换成标准电压、电流或频率信号,可以直接与计算机接口卡、控制仪表、智能仪表或PLC等方便相连. 此外,SUP-P300压力变送器稳定性良好,零点温度漂移及灵敏度温度漂移均为±0.03% F.S./℃,工作时不易产生较大误差.

1.5 电气比例阀模块

内置于电气比例阀的控制电路接收单片机IO口发送的电压信号,根据电压信号转换为输出气压物理量,同时输出监测的输出气压物理量转换为电压信号至单片机模块. 气压调节的方法有多种,考虑到简单易用、高速响应、免手动操作、高精度、可靠性高等因素,系统选用SMC-ITV1030-21-2L型电气比例阀来实现喷口压力调节与反馈,如图5所示. 比例阀核心是高速开关电磁阀与压力传感器,控制电路将接收到的电压模拟信号与5 V电压进行对比得到需要的输出气压物理量与输入气压物理量比例,根据该比值通过开关电磁阀与内置压力传感器PID闭环控制阀芯截面面积调节气流流量大小,同时输出电压模拟量作为监测信号. 此外,ITV1030-21-2L电气比例阀可靠性高,直线性为±1.0% F.S.以下,延滞性为0.5% F.S.以下,重复精度为±0.5% F.S.以下,自身闭环控制误差小.

1.6 串口触控屏模块

串口触控屏选用迪文T5L_DGUS II触摸屏,该触摸屏具有较高的性价比、开发环境友好等优点. 串口屏是基于配置文件来工作的,开发过程中利用DGUS开发软件可完成变量、界面按键等人机交互系统的配置串口屏内部运行流程如图6所示.

系统开发工作具体如下:(1)变量规划:在工程开始前制作一个表格,将所需要的变量地址做一个框定和规划;(2)界面设计:运用平面设计工具按需绘制屏幕中的功能图标;(3)界面配置:通过DGUS2 软件对界面进行配置,工程结束后分别生成 13.BIN 触控配置文件,14.BIN 显示配置文件,以及 22.BIN 变量初始化文件;(4)测试修改:将生成的配置文件存放到DWIN_SET文件夹并通过SD卡下载到屏里. 最后将正确的配置文件、图片文件、图标、字库等放到DWIN_SET文件夹并下载. 触控屏的变量地址设置及人机界面设置如图7所示.

2 结果与讨论

系统工作时,通过程序设定或触摸屏调节输入目标气压值,输入值经过转换后通过单片机控制系统实时发送模拟信号给比例调节阀进行调节,以实现给定目标压力值施加于所驱动喷头,实现材料的实时喷射挤出. 同时,各路挤出系统中的气压监控模块对所在回路的气压进行实时监控,通过单片机程序处理将压力信号值由十进制转成十六进制后发给串口触控屏,由此实现喷头工作气压在屏幕上的实时显示.

从功能要求和系统总体框架可知,本次研究开发的基于单片机和触摸屏的生物3D打印设备多路气压控制系统,涉及单片机与串口触摸屏的通讯问题,以及将压力变送器采集到的数据准确无误通过单片机数据转换并在触控屏上进行显示. 所以为验证本系统的有效性,将该系统在一台四喷头生物3D打印设备上进行了应用实验. 实验表明,由触控屏输入的目标气压值能及时调控比例调节阀进行喷头工作气压的控制. 同时,气压监控模块测得的喷口气压数据与仪器测得的实际数据进行比较,系统串口数据刷新频率满足实时监控的使用要求,多路气压控制系统在多材料生物3D打印设备上的应用良好,如图8所示.

3 结论

系统以MEGA2560单片机作为主控单元,利用比例调节阀、压力变送器、迪文DGUS串口屏等硬件单元模块,搭建了一个面向多材料生物3D打印的多路气压实时控制系统,实现了对喷头工作状态下气压数据实时调控及精确采集. 系统采用串口触摸屏作为人机交互系统,提高了操作的便捷性并降低了系统的复杂程度,同时也实现了传感器探测的灵活性. 同时,利用该系统可实现对多喷头生物3D打印机气压的实时监测与智能控制,为多材料生物打印系统中不同特性材料的精确喷射提供有效保障.