多材料生物3D打印設(shè)備氣壓控制系統(tǒng)設(shè)計

崔 濛,湯 浩,楊 帥,施建平

(1.揚州大學機械工程學院,江蘇 揚州 225127) (2.南京師范大學,江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室,江蘇 南京 210023) (3.南京師范大學電氣與自動化工程學院,江蘇 南京 210023)

生物3D打印技術(shù)是一種基于離散——堆積成形原理,以活細胞、生物活性因子及生物材料的基本成形單元,設(shè)計制造具有生物活性的人工器官、植入物或細胞三維結(jié)構(gòu)的技術(shù),它融合了制造科學與生物醫(yī)學,是一項具有交叉性和前沿性的新興技術(shù)[1-4]. 隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展,3D生物打印不僅會為人體組織器官的來源提供解決方案,而且在社會經(jīng)濟生活和國防軍事等領(lǐng)域也必將有廣泛的應(yīng)用前景. 預計3D生物打印技術(shù)將在五年內(nèi)實現(xiàn)對功能性血管的打印,在十年內(nèi)實現(xiàn)對心臟或肝臟等器官的打印,這將是現(xiàn)代醫(yī)學的一場技術(shù)革命[5-10]. 3D生物打印的“獨門絕技”就在于,控制生物打印墨水的按需精確噴射成型. 在現(xiàn)代醫(yī)學精確掃描和計算機快速建模技術(shù)支持下,依據(jù)目標組織模型,利用計算機精確控制逐層沉積生物墨水,就可制備出具有特定功能的仿生結(jié)構(gòu)植入體[11-12].

多材料一體成型正成為生物3D打印機裝備制造的必然趨勢[13-14]. 生物3D打印技術(shù)中,關(guān)鍵核心技術(shù)是如何對多樣化的生物墨水進行精確的噴射打印[15-20]. 因此,對多路材料噴射擠壓系統(tǒng)進行精確的氣體驅(qū)動尤為重要. 鑒于此,本研究設(shè)計并制作了一種基于比例調(diào)節(jié)閥的氣壓控制系統(tǒng),通過相關(guān)硬件電路和軟件算法的調(diào)控,本系統(tǒng)可實現(xiàn)對工作狀態(tài)下噴頭氣壓的精確調(diào)節(jié)和實時監(jiān)控.

1 實驗材料和方法

1.1 功能要求

生物3D打印系統(tǒng)概念圖如圖1所示. 系統(tǒng)工作時,運動子系統(tǒng)、噴頭控制子系統(tǒng)以及溫度控制子系統(tǒng)相互協(xié)作運行. 對于噴頭控制子系統(tǒng)中氣壓的控制主要有以下功能要求:通過程序設(shè)定或觸摸屏輸入的氣壓值通過單片機控制系統(tǒng)實時的傳輸給氣壓比例調(diào)節(jié)閥,以實現(xiàn)給定目標壓力值快速施加于所驅(qū)動的打印噴頭,實現(xiàn)材料的實時噴射擠出,同時各路擠出系統(tǒng)中的氣壓監(jiān)控模塊對所在回路的氣壓進行實時監(jiān)控.

1.2 系統(tǒng)總體框架

如圖2所示,噴頭氣壓實時控制系統(tǒng)以MEGA2560單片機為核心,按照功能要求設(shè)計各模塊電路并配以處理程序,實現(xiàn)了顯示可靠、精準氣壓控制、擴展性強、使用便捷的設(shè)計目的. 根據(jù)生物3D打印系統(tǒng)的實際工作情況,本研究所設(shè)計的氣壓控制系統(tǒng)主要由主控單元模塊、比例調(diào)節(jié)閥模塊、氣壓傳感器模塊、串口觸控屏模塊及供電模塊組成. 主控單元模塊負責整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和命令控制,比例調(diào)節(jié)閥模塊接收單片機發(fā)送的氣壓值調(diào)節(jié)命令并進行氣壓比例調(diào)節(jié),氣壓傳感器模塊負責采集噴頭氣路系統(tǒng)中的實時工作氣壓,串口觸控屏模塊兼有目標氣壓值的輸入與監(jiān)控氣壓值的顯示功能,電源模塊為系統(tǒng)各模塊提供不同電壓等級的持續(xù)穩(wěn)定電能.

1.3 主控單元模塊

系統(tǒng)主控單元選用ATmega2560單片機作為氣壓控制模塊和接收顯示模塊的核心控制板[21-23]. 單片機基于Arduino開發(fā)平臺,其構(gòu)建于開放原始碼simple I/O介面版,對其編程是通過編程語言(基于 Wiring)和開發(fā)環(huán)境(基于 Processing)來實現(xiàn)的. 主控系統(tǒng)采用USB接口的核心電路板,具有54路數(shù)字輸入輸出,適合需要大量IO接口的設(shè)計. 處理器核心為ATmega2560,同時具有54路數(shù)字輸入/輸出口(其中15路可作為PWM輸出),15路模擬輸入,4路UART接口,一個16MHz晶體振蕩器,一個USB接口,一個電源插座,一個ICSP header和一個復位按鈕.

系統(tǒng)工作時最先設(shè)定單片機所用的引腳輸入輸出模式,指定4個帶有PWM輸出功能的數(shù)字量引腳為電氣比例閥控制引腳,指定4個模擬量引腳為壓力變送器監(jiān)控引腳,設(shè)定串口通訊的波特率,并啟動串口. 本系統(tǒng)中單片機主要實現(xiàn)兩個主要功能:比例調(diào)節(jié)閥的控制和壓力變送器氣壓值的讀取,程序流程圖如圖3所示.

1.4 氣壓傳感器模塊

內(nèi)置于壓力變送器中的氣壓傳感器將噴頭內(nèi)的氣壓物理量轉(zhuǎn)換為電壓信號傳遞給單片機處理單元. 噴頭工作氣壓數(shù)據(jù)采集的方法有多種,考慮到簡單實用、易于實現(xiàn)、性能穩(wěn)定、功耗低、可靠性高等因素,系統(tǒng)選用SUP-P300壓力變送器來實現(xiàn)噴口壓力數(shù)據(jù)的檢測,如圖4所示. SUP-P300壓力變送器壓力敏感核心采用了高性能的硅壓阻式壓力充油芯體,內(nèi)部的專用集成電路將傳感器毫伏信號轉(zhuǎn)換成標準電壓、電流或頻率信號,可以直接與計算機接口卡、控制儀表、智能儀表或PLC等方便相連. 此外,SUP-P300壓力變送器穩(wěn)定性良好,零點溫度漂移及靈敏度溫度漂移均為±0.03% F.S./℃,工作時不易產(chǎn)生較大誤差.

1.5 電氣比例閥模塊

內(nèi)置于電氣比例閥的控制電路接收單片機IO口發(fā)送的電壓信號,根據(jù)電壓信號轉(zhuǎn)換為輸出氣壓物理量,同時輸出監(jiān)測的輸出氣壓物理量轉(zhuǎn)換為電壓信號至單片機模塊. 氣壓調(diào)節(jié)的方法有多種,考慮到簡單易用、高速響應(yīng)、免手動操作、高精度、可靠性高等因素,系統(tǒng)選用SMC-ITV1030-21-2L型電氣比例閥來實現(xiàn)噴口壓力調(diào)節(jié)與反饋,如圖5所示. 比例閥核心是高速開關(guān)電磁閥與壓力傳感器,控制電路將接收到的電壓模擬信號與5 V電壓進行對比得到需要的輸出氣壓物理量與輸入氣壓物理量比例,根據(jù)該比值通過開關(guān)電磁閥與內(nèi)置壓力傳感器PID閉環(huán)控制閥芯截面面積調(diào)節(jié)氣流流量大小,同時輸出電壓模擬量作為監(jiān)測信號. 此外,ITV1030-21-2L電氣比例閥可靠性高,直線性為±1.0% F.S.以下,延滯性為0.5% F.S.以下,重復精度為±0.5% F.S.以下,自身閉環(huán)控制誤差小.

1.6 串口觸控屏模塊

串口觸控屏選用迪文T5L_DGUS II觸摸屏,該觸摸屏具有較高的性價比、開發(fā)環(huán)境友好等優(yōu)點. 串口屏是基于配置文件來工作的,開發(fā)過程中利用DGUS開發(fā)軟件可完成變量、界面按鍵等人機交互系統(tǒng)的配置串口屏內(nèi)部運行流程如圖6所示.

系統(tǒng)開發(fā)工作具體如下:(1)變量規(guī)劃:在工程開始前制作一個表格,將所需要的變量地址做一個框定和規(guī)劃;(2)界面設(shè)計:運用平面設(shè)計工具按需繪制屏幕中的功能圖標;(3)界面配置:通過DGUS2 軟件對界面進行配置,工程結(jié)束后分別生成 13.BIN 觸控配置文件,14.BIN 顯示配置文件,以及 22.BIN 變量初始化文件;(4)測試修改:將生成的配置文件存放到DWIN_SET文件夾并通過SD卡下載到屏里. 最后將正確的配置文件、圖片文件、圖標、字庫等放到DWIN_SET文件夾并下載. 觸控屏的變量地址設(shè)置及人機界面設(shè)置如圖7所示.

2 結(jié)果與討論

系統(tǒng)工作時,通過程序設(shè)定或觸摸屏調(diào)節(jié)輸入目標氣壓值,輸入值經(jīng)過轉(zhuǎn)換后通過單片機控制系統(tǒng)實時發(fā)送模擬信號給比例調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié),以實現(xiàn)給定目標壓力值施加于所驅(qū)動噴頭,實現(xiàn)材料的實時噴射擠出. 同時,各路擠出系統(tǒng)中的氣壓監(jiān)控模塊對所在回路的氣壓進行實時監(jiān)控,通過單片機程序處理將壓力信號值由十進制轉(zhuǎn)成十六進制后發(fā)給串口觸控屏,由此實現(xiàn)噴頭工作氣壓在屏幕上的實時顯示.

從功能要求和系統(tǒng)總體框架可知,本次研究開發(fā)的基于單片機和觸摸屏的生物3D打印設(shè)備多路氣壓控制系統(tǒng),涉及單片機與串口觸摸屏的通訊問題,以及將壓力變送器采集到的數(shù)據(jù)準確無誤通過單片機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并在觸控屏上進行顯示. 所以為驗證本系統(tǒng)的有效性,將該系統(tǒng)在一臺四噴頭生物3D打印設(shè)備上進行了應(yīng)用實驗. 實驗表明,由觸控屏輸入的目標氣壓值能及時調(diào)控比例調(diào)節(jié)閥進行噴頭工作氣壓的控制. 同時,氣壓監(jiān)控模塊測得的噴口氣壓數(shù)據(jù)與儀器測得的實際數(shù)據(jù)進行比較,系統(tǒng)串口數(shù)據(jù)刷新頻率滿足實時監(jiān)控的使用要求,多路氣壓控制系統(tǒng)在多材料生物3D打印設(shè)備上的應(yīng)用良好,如圖8所示.

3 結(jié)論

系統(tǒng)以MEGA2560單片機作為主控單元,利用比例調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、迪文DGUS串口屏等硬件單元模塊,搭建了一個面向多材料生物3D打印的多路氣壓實時控制系統(tǒng),實現(xiàn)了對噴頭工作狀態(tài)下氣壓數(shù)據(jù)實時調(diào)控及精確采集. 系統(tǒng)采用串口觸摸屏作為人機交互系統(tǒng),提高了操作的便捷性并降低了系統(tǒng)的復雜程度,同時也實現(xiàn)了傳感器探測的靈活性. 同時,利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)對多噴頭生物3D打印機氣壓的實時監(jiān)測與智能控制,為多材料生物打印系統(tǒng)中不同特性材料的精確噴射提供有效保障.