基于PLC的3D打印机控制系统设计
目录
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)
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：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
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。
1 方案设计
1.1 3D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。
1.2 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
1.3 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.硬件设计
2.1 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。
2.2 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。
（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。
2.3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。
图2-2 系统设计原理图
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 参数整定
3.1 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
整定的Y轴参数为下表3-2所示。
3.2 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
3.3 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
4 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 软件设计
5.1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。
图5-1 程序流程图
5.2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。
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
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
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 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。
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，从电机的驱动到机械结构的认识里，从控制方法研究到模块程序编写，整个过程都是在指导老师的耐心教导下完成的。
在此，我要感谢我的指导老师黄老师，谢谢他同意我做这个课题，不管在平时的学习还是毕业设计的指导上，他对我一直很关心，我有什么问题找他，他都会很耐心的教导我，黄老师同时作为我的班主任，教会了我许多课堂以外的知识，真心感谢黄老师这三年来教会我的成长，感谢所有关心过和帮助过我的老师和同学！