基于Arduino的3D打印機(jī)熱床自平衡調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

王淼軍++韋海成++肖明霞+魏鑫

摘 要： 針對(duì)3D打印機(jī)熱床人工手動(dòng)調(diào)節(jié)步驟繁瑣及精度低的問(wèn)題，提出一種自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)的方法，并設(shè)計(jì)了調(diào)平裝置。此調(diào)平裝置以Arduino mega 2560為主控模塊，使用步進(jìn)電機(jī)作為調(diào)平動(dòng)作單元，結(jié)合螺桿傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打印機(jī)熱床平臺(tái)的平衡調(diào)節(jié)；使用接觸式限位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)熱床平臺(tái)下降原點(diǎn)的定位；通過(guò)測(cè)試的方法編寫校正路徑程序，以模擬打印的方式實(shí)現(xiàn)3D打印設(shè)備與調(diào)平裝置的協(xié)同工作。實(shí)驗(yàn)表明，采用的細(xì)分驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)步距角為0.112 5°微調(diào)，大大提高了3D打印機(jī)熱床平衡調(diào)節(jié)的精度；使用雙重濾波的方法實(shí)現(xiàn)了通信脈沖序列的有效計(jì)數(shù)，并從軟件層面解決了步進(jìn)電機(jī)的抖動(dòng)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： Arduino； 自平衡； 步進(jìn)電機(jī)； 細(xì)分驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)： TN305.94?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）12?0108?05

Abstract： Aiming at the problems of tedious step and low accuracy of the hot bed mannual regulation for 3D printer， a autobalance regulation method is proposed， and a leveling device is designed. In order to realize the balance regulation of hot bed platform of the printer， the Arduino mega2560 is taken as main?control module of the leveling device， and the stepping motor is used as the leveling action unit in combination with screw drive. The contact?type limit switch is used to locate the descending origin of the hot bed platform. The test method is adopted to compile the path correct procedure to realize the cooperative work between 3D printing equipment and leveling device in the manner of simulation print. The experimental results show that the subdivision driving can realize the fine tuning with 0.1125° step angle， improve the regulation accuracy of hot bed balance of 3D printer greatly. Effective count of the communication pulse sequence was realized with the dual?filtering method， and the vibration problem of the stepper motor was solved with software .

Keywords： Arduino； self?balance； stepping motor； subdivision driving

0 引 言

3D打印技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用于加工制造、航空航天、醫(yī)療修復(fù)、教育科研等相關(guān)領(lǐng)域[1?4]。隨著開源電子設(shè)計(jì)平臺(tái)的興起，許多電子發(fā)燒友也相繼開發(fā)出各種各樣的3D打印機(jī)，使得3D打印技術(shù)在人們的日常生活中越來(lái)越普及。目前常用的3D成型技術(shù)多為FDM（Fused Deposition Modeling），即熔融沉積技術(shù)[5]，通過(guò)熱塑性材料加熱融化逐層堆積的方式實(shí)現(xiàn)3D物品的打印成型。與傳統(tǒng)的磨具制造相比，3D成型具有加工周期短、成本投入低、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)[6]。但與此同時(shí)，在3D打印的操作過(guò)程中普遍存在打印熱床平衡調(diào)節(jié)的問(wèn)題。針對(duì)平臺(tái)調(diào)平問(wèn)題，謝志江等人通過(guò)對(duì)4點(diǎn)支撐伺服平臺(tái)調(diào)平的研究，提出了“預(yù)置點(diǎn)”的調(diào)平概念[7]。何冰懷等人通過(guò)可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）結(jié)合雙軸傾角傳感器，以交流伺服電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)多點(diǎn)調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行了研究[8]。張芳等人采用“逐追式”算法設(shè)計(jì)了四點(diǎn)支撐剛性平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高精度的平臺(tái)調(diào)平控制[9]。王艷波等人設(shè)計(jì)了采用雙邊半直圓柔性鉸鏈實(shí)現(xiàn)調(diào)平、單邊半直圓柔性鉸鏈實(shí)現(xiàn)調(diào)心的自動(dòng)調(diào)平裝置[10]。

然而上述研究的調(diào)平多是以水平面作為參照系，但3D打印機(jī)的調(diào)平是指3D打印機(jī)噴頭同一打印層運(yùn)動(dòng)路徑與熱床平面之間的相對(duì)平行，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是通過(guò)人工手動(dòng)調(diào)節(jié)3D打印機(jī)熱床四個(gè)角的羊角螺母，實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)熱床平衡的調(diào)節(jié)。但對(duì)于高精度的3D打印產(chǎn)品而言[11]，傳統(tǒng)的人眼目測(cè)、手工調(diào)節(jié)不僅步驟繁瑣，而且精準(zhǔn)度低。

針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種3D打印機(jī)熱床自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)的方法，并基于開源的電子原型平臺(tái)Arduino設(shè)計(jì)了自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)了3D打印機(jī)熱床高精度的自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。

1 調(diào)平原理

實(shí)物如圖1所示，調(diào)平裝置以Arduino mega 2560作為主控單元[12]，用于完成與3D打印機(jī)的通信協(xié)作以及調(diào)平裝置對(duì)應(yīng)點(diǎn)的升降操作。升降點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)和限位開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)螺桿推動(dòng)螺母完成平臺(tái)校正點(diǎn)的升降，限位開關(guān)用于確定點(diǎn)校正過(guò)程中下降操作的原點(diǎn)位置。

熱床自動(dòng)平衡的調(diào)節(jié)方法如圖2所示，根據(jù)調(diào)平裝置的四個(gè)升降點(diǎn)A，B，C，D坐標(biāo)位置，編寫3D打印機(jī)校正路徑文件。校正路徑文件一方面用于3D打印機(jī)與調(diào)平裝置的協(xié)同動(dòng)作（調(diào)平裝置通過(guò)對(duì)3D打印機(jī)通信脈沖序列的計(jì)數(shù)選擇升降調(diào)節(jié)的動(dòng)作點(diǎn)），另一方面用于控制3D打印機(jī)噴頭完成調(diào)平裝置限位開關(guān)下降原點(diǎn)的觸發(fā)。

當(dāng)開啟熱床調(diào)平時(shí)，首先通過(guò)3D打印上位機(jī)控制軟件pronterface使噴頭原點(diǎn)復(fù)歸，然后使用模擬打印的方式加載路徑校正文件。為了使在調(diào)平過(guò)程中不發(fā)生機(jī)械碰撞損壞，在編寫路徑校正文件時(shí)，先使噴頭在原點(diǎn)處上升3 mm，然后在此平面內(nèi)，噴頭依次經(jīng)過(guò)各點(diǎn)的上方，逐次完成各點(diǎn)高度的校正。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)各點(diǎn)動(dòng)作順序的控制，在路徑校正文件中加入3D打印供料動(dòng)作，通過(guò)擠出頭步進(jìn)電機(jī)模擬供料的方式發(fā)出脈沖序列，調(diào)平裝置主控單元通過(guò)對(duì)脈沖序列的有效計(jì)數(shù)選擇校正點(diǎn)（本設(shè)計(jì)中脈沖序列的計(jì)數(shù)1，2，3，4分別對(duì)應(yīng)A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)）。

在校正點(diǎn)的升降調(diào)節(jié)過(guò)程中，3D打印機(jī)噴頭每到達(dá)一個(gè)點(diǎn)的上方，便發(fā)出脈沖序列，然后在升降點(diǎn)上方停滯6 s。調(diào)平裝置主控單元根據(jù)脈沖序列計(jì)數(shù)，控制校正點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)校正點(diǎn)限位開關(guān)上升，直至此點(diǎn)的限位開關(guān)被3D打印機(jī)噴頭觸發(fā)。觸發(fā)后調(diào)平主控單元以觸發(fā)點(diǎn)為原點(diǎn)，控制平臺(tái)校正點(diǎn)下降3 mm，完成當(dāng)前點(diǎn)高度的校正。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

調(diào)平裝置的硬件系統(tǒng)組成如圖3所示。A，B，C，D四個(gè)升降校正點(diǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別使用不同的I/O端口進(jìn)行控制，主控單元采用Arduino mega 2560，其工作電壓為5 V，內(nèi)部自帶16 MHz的晶振時(shí)鐘，具有54路的數(shù)字輸入/輸出接口，16路的模擬輸入接口，I/O口驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)40 mA。通信方面支持多種串口傳輸方式。在具體設(shè)計(jì)中，脈沖接收端口用于對(duì)3D打印噴頭脈沖序列的計(jì)數(shù)。主控單元通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊A4988對(duì)校正點(diǎn)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制[13]，四路限位開關(guān)分別完成不同校正點(diǎn)的限位觸發(fā)。為了提高調(diào)平精度，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用螺距為1 mm的螺桿。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

調(diào)平裝置的軟件設(shè)計(jì)使用Arduino語(yǔ)言，在Arduino IDE開發(fā)環(huán)境下完成程序的調(diào)試編譯及下載[14]。軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖4所示，開啟調(diào)平后，調(diào)平裝置主控單元先進(jìn)行復(fù)位，主要包括與限位開關(guān)連接的I/O口高低電平設(shè)置、脈沖計(jì)數(shù)器的清零、脈沖序列計(jì)數(shù)器的清零、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊A4988工作模式的選擇等。復(fù)位完成之后調(diào)平裝置主控模塊開始對(duì)3D打印機(jī)通信脈沖序列進(jìn)行掃描并計(jì)數(shù)，然后根據(jù)計(jì)數(shù)值的不同選擇相應(yīng)的點(diǎn)進(jìn)行高度的校正調(diào)節(jié)。待通信脈沖序列計(jì)數(shù)等于4時(shí)，完成最后一個(gè)點(diǎn)（D點(diǎn)）的校正，調(diào)平動(dòng)作結(jié)束。

為了防止外部干擾引起調(diào)平裝置升降點(diǎn)的誤動(dòng)作，在程序設(shè)計(jì)中，通過(guò)定義全局變量lock，在逐點(diǎn)校正的子程序中不斷改變?nèi)肿兞縧ock的值，并將其作為下一個(gè)校正點(diǎn)子程序調(diào)用判斷條件的一部分，以此從軟件層面進(jìn)一步確保了升降點(diǎn)動(dòng)作順序的正確性，從而防止誤動(dòng)作。

3 功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 校準(zhǔn)路徑文件設(shè)計(jì)

3D打印機(jī)熱床平衡的調(diào)節(jié)是以打印噴頭在同一z軸高度運(yùn)動(dòng)路徑的平面作為參考系，且在平衡調(diào)節(jié)過(guò)程中需要打印噴頭對(duì)熱床平面上的限位開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)，故需要對(duì)3D打印機(jī)噴頭的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行設(shè)定。本設(shè)計(jì)通過(guò)編寫G?CODE文件的方式對(duì)3D打印機(jī)噴頭的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃[15]，控制3D打印機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)調(diào)平裝置與3D打印設(shè)備的協(xié)調(diào)同步；控制3D打印噴頭在對(duì)應(yīng)升降點(diǎn)上方的停滯（6 s），并完成對(duì)限位開關(guān)的觸發(fā)。在設(shè)計(jì)中，借助3D打印上位機(jī)控制軟件pronterface，使用逐條發(fā)送語(yǔ)句的方式對(duì)熱床平臺(tái)四角限位開關(guān)的位置進(jìn)行空間定位，然后根據(jù)空間坐標(biāo)進(jìn)行校正路徑文件編寫（G?CODE代碼），其運(yùn)動(dòng)路徑如圖5所示。

3.2 脈沖通信模塊設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)調(diào)平裝置與3D打印機(jī)的協(xié)同動(dòng)作，需對(duì)其動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行合理的設(shè)定。3D打印機(jī)所發(fā)出的驅(qū)動(dòng)脈沖是通過(guò)擠出機(jī)的供料步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作產(chǎn)生，其實(shí)質(zhì)為周期固定的連續(xù)脈沖序列，如圖6所示。為了使調(diào)平裝置能通過(guò)對(duì)脈沖序列的有效計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)校正點(diǎn)的選擇，在程序設(shè)計(jì)中，調(diào)平裝置主控單元對(duì)同一脈沖序列的前3個(gè)有效脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)變量pluseNumber大于3時(shí)，脈沖序列變量pluseSerialNumber計(jì)數(shù)加1，然后根據(jù)pluseSerialNumber的值控制對(duì)應(yīng)點(diǎn)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降調(diào)節(jié)。

程序使用順序結(jié)構(gòu)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降調(diào)節(jié)時(shí)，不再對(duì)當(dāng)前脈沖序列的后續(xù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。在步進(jìn)電機(jī)完成升降動(dòng)作之后還要進(jìn)行短時(shí)間延時(shí)，預(yù)留一定的時(shí)間裕度，以避開對(duì)當(dāng)前脈沖序列后續(xù)脈沖的計(jì)數(shù)，直至下一脈沖序列的到來(lái)。

為了避免噪聲擾動(dòng)引起的誤計(jì)數(shù)，在脈沖序列計(jì)數(shù)程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)采集到脈沖高電平之后要進(jìn)行2個(gè)50 μs的延時(shí)；在每個(gè)50 μs的延時(shí)后分別對(duì)脈沖信號(hào)的電平進(jìn)行采集。當(dāng)3次采樣的結(jié)果均為高電平時(shí)，才進(jìn)行一次有效的脈沖計(jì)數(shù)。

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制機(jī)構(gòu)[16]，當(dāng)步進(jìn)引腳接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，就會(huì)在方向引腳指定的方向運(yùn)動(dòng)一個(gè)步距角。其步進(jìn)距離僅由驅(qū)動(dòng)脈沖個(gè)數(shù)決定，步距精度在3%～5%之間，且步與步之間的誤差不會(huì)累加，具有較高的定位精度。本設(shè)計(jì)采用兩相四線制混合式42系列步進(jìn)電機(jī)，其工作電流為12 V，額定工作電流為1.5 A，步距角為1.8°，具備短時(shí)間的耐高壓能力，最大徑向力可達(dá)28 N（20 mm邊緣為標(biāo)準(zhǔn)）。

為提高調(diào)平裝置的調(diào)節(jié)精度，本設(shè)計(jì)選用A4988驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分驅(qū)動(dòng)處理，其步進(jìn)角選擇方式如表1所示。A4988輸出電壓高達(dá)35 V，輸出電流為2 A，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。本文通過(guò)將A4988的模式控制引腳MS1，MS2，MS3全部設(shè)置為高電平，選用1/16的步進(jìn)模式。此模式下步進(jìn)角僅為0.112 5°，大大提高了3D打印機(jī)熱床的調(diào)平精度。

A4988內(nèi)部自帶換向器，通過(guò)對(duì)步進(jìn)模式設(shè)定以后，只需對(duì)“步進(jìn)引腳（STEP）”、“方向引腳（DIR）”進(jìn)行控制即可完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)操作，大大地降低了電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。電路連接如圖7所示，A4988的邏輯電壓VDD及GND由Arduino mega 2560的5 V供電引腳提供；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源引腳VCCMOT與GNDMOT使用12 V的外接直流電源供電。STEP引腳決定步進(jìn)電機(jī)的行程，DIR引腳的邏輯電平?jīng)Q定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。本設(shè)計(jì)中，DIR引腳低電平時(shí)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)平裝置對(duì)應(yīng)點(diǎn)限位開關(guān)上升，高電平時(shí)下降。設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的消抖處理，將步進(jìn)電機(jī)的使能引腳EN使用專門的I/O口進(jìn)行控制。

3.4 升降點(diǎn)控制模塊設(shè)計(jì)

升降點(diǎn)高度校正的好壞直接影響3D打印機(jī)熱床平衡調(diào)節(jié)的精度，程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。在系統(tǒng)上電復(fù)位后時(shí)，調(diào)平裝置主控單元根據(jù)對(duì)3D打印機(jī)通信脈沖序列的計(jì)數(shù)，控制對(duì)應(yīng)點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行升降校正。在使能A4988驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，DIR引腳默認(rèn)為低電平，先使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)校正點(diǎn)向上移動(dòng)。為了提高校正精度，步進(jìn)電機(jī)每進(jìn)一步都要進(jìn)行限位開關(guān)的觸發(fā)判斷，使其步距角控制在0.112 5°。當(dāng)限位開關(guān)觸發(fā)時(shí)，根據(jù)觸發(fā)信號(hào)，將DIR引腳設(shè)置為高電平，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)以觸發(fā)點(diǎn)為原點(diǎn)，帶動(dòng)平臺(tái)校正點(diǎn)向下移動(dòng)3 mm，完成當(dāng)前點(diǎn)的高度校正。

為避免在升降調(diào)節(jié)過(guò)程中因過(guò)調(diào)導(dǎo)致調(diào)平裝置的機(jī)械損壞，在程序設(shè)計(jì)中通過(guò)設(shè)置步進(jìn)計(jì)數(shù)變量stepperNumber，將步進(jìn)電機(jī)上升的調(diào)整范圍設(shè)定在5 mm。當(dāng)stepperNumber=48 000時(shí)，即在步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)校正點(diǎn)上升5 mm的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的限位開關(guān)未被觸發(fā)，則通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示。

為了消除步進(jìn)電機(jī)在靜態(tài)情況下的抖動(dòng)現(xiàn)象，在程序設(shè)計(jì)中，初始化階段并未對(duì)A4988進(jìn)行使能。而是在對(duì)應(yīng)點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，在其子程序內(nèi)部才對(duì)其進(jìn)行使能。待步進(jìn)電機(jī)完成動(dòng)作退出子程序時(shí)，重新對(duì)其使能端進(jìn)行關(guān)斷，這樣有效消除了步進(jìn)電機(jī)在靜態(tài)情況下的抖動(dòng)。

4 功能實(shí)現(xiàn)及分析

對(duì)調(diào)平裝置各分模塊設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)并測(cè)試分析。

4.1 脈沖通信功能的實(shí)現(xiàn)

脈沖通信主要完成3D打印機(jī)與自動(dòng)調(diào)平裝置的協(xié)同工作，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

3D打印機(jī)發(fā)出的脈沖為周期固定的脈沖序列，脈沖序列之間的間隔大約為6 s，每個(gè)脈沖序列中的脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間約為200 μs。在檢波程序中，每一個(gè)脈沖序列，對(duì)其高電平時(shí)間持續(xù)100 μs的脈沖進(jìn)行有效計(jì)數(shù)，當(dāng)1個(gè)脈沖序列中存在3個(gè)以上的有效脈沖時(shí)，脈沖序列數(shù)計(jì)數(shù)加1。通過(guò)串口輸出測(cè)試，檢波程序可很好地完成脈沖序列的計(jì)數(shù)。主程序通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)值的不同，調(diào)用對(duì)應(yīng)點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的子程序，完成此點(diǎn)的高度校正。

4.2 對(duì)應(yīng)點(diǎn)升降校對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)

對(duì)應(yīng)點(diǎn)的升降校正是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制來(lái)完成，調(diào)平裝置的調(diào)節(jié)精度主要取決于限位開關(guān)觸發(fā)的實(shí)時(shí)性，此部分功能主要是對(duì)步進(jìn)電機(jī)在限位開關(guān)觸發(fā)后的反轉(zhuǎn)特性進(jìn)行驗(yàn)證。功能測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

當(dāng)升降校正啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)DIR引腳為低電平，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)對(duì)應(yīng)點(diǎn)上升；當(dāng)限位開關(guān)被觸發(fā)時(shí)，DIR引腳立刻由低電平轉(zhuǎn)化為高電平，且STEP引腳停止脈沖輸出，步進(jìn)電機(jī)立刻停轉(zhuǎn)，具有很好的觸發(fā)實(shí)時(shí)性。經(jīng)過(guò)100 ms延時(shí)之后，步進(jìn)電機(jī)STEP引腳繼續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，此時(shí)DIR引腳為高電平，步進(jìn)電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)平臺(tái)下降3 mm。

4.3 步進(jìn)電機(jī)消抖功能實(shí)現(xiàn)

針對(duì)調(diào)試過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)靜態(tài)情況下的抖動(dòng)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)從軟件編程層面予以解決，對(duì)步進(jìn)電機(jī)在靜態(tài)情況下驅(qū)動(dòng)引腳的電壓輸出波形進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖11所示。在靜態(tài)情況下，未進(jìn)行消抖處理前，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)管腳的制動(dòng)電壓波形具有較明顯的毛刺，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生較大的抖動(dòng)噪聲。在進(jìn)行消抖處理之后，步進(jìn)電機(jī)制動(dòng)電壓的輸出波形明顯平穩(wěn)，步進(jìn)電機(jī)無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象。

4.4 聯(lián)調(diào)結(jié)果

經(jīng)上位機(jī)加載聯(lián)調(diào)測(cè)試，3D打印機(jī)噴頭可按照G?CODE文件設(shè)定的路徑運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生通信脈沖序列與調(diào)平裝置協(xié)同動(dòng)作；調(diào)平裝置在收到脈沖以后可對(duì)脈沖序列進(jìn)行有效計(jì)數(shù)，并控制相應(yīng)點(diǎn)的步進(jìn)電機(jī)完成當(dāng)前點(diǎn)高度的校正，最終實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)熱床的自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。使用陀螺儀對(duì)噴頭路徑平面及熱床調(diào)平前后相對(duì)于地面的傾斜角度分別進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表2所示。

由測(cè)量結(jié)果可知，經(jīng)自動(dòng)調(diào)平以后，熱床相對(duì)于地面的傾斜角度與噴頭路徑平面相對(duì)于地面的傾斜角度基本一致，空間三軸的傾斜誤差分別為：Δx=0.14°，Δy= 0.22°，Δz=0.06°。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)3D打印機(jī)熱床平衡調(diào)節(jié)的問(wèn)題，本文提出了一種自動(dòng)平衡的調(diào)節(jié)方法，并進(jìn)行了調(diào)平裝置的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)人眼目測(cè)手工調(diào)節(jié)相比，本文所提出的自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)方法具有速度快、精度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。此調(diào)平方法直接對(duì)熱床與打印噴頭的運(yùn)動(dòng)平面進(jìn)行調(diào)平，對(duì)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)精度要求依賴較低，不僅在3D打印機(jī)，而且在車床、銑床、點(diǎn)膠機(jī)等工業(yè)設(shè)備，此調(diào)平方法及裝置都具有一定的參考及實(shí)用價(jià)值。

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