1、 金 华 职 业 技 术 学 院JINHUA COLLEGE OF VOCATION AND TECHNOLOGY毕业教学环节成果（2014 届）题 目 基于 PLC 的 3D 打印机 控制系统设计 学 院 信息工程学院 专 业 电气自动化技术 班 级 自动化 111 学 号 201131010350103 姓 名 指导教师 2013 年 12 月 22 日 金华职业技术学院毕业教学成果目 录摘要 .1英文摘要 .1引言 .21.方案设计 .31.1 3D 打印机简介 .31.2 系统任务要求 .31.3 系统设计思路 .42.硬件设计 .42.1 系统结构及工作原理 .42.2 元器件选型
2、.52.3 系统原理图 .63 参数整定 .83.1 定位模块参数设置 .83.2 伺服系统内部参数设定 .93.3 步进内部参数设定 .104 人机界面设计 .115 软件设计 .135.1 系统流程图 .135.2 控制程序设计 .146 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- 0 -基于 PLC 的 3D 打印机控制系统设计信息工程学院电气自动化技术 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
3、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 thi
4、s 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 t
5、he drive motor can be achieved industrial grade printing accuracy.Key words: 3D printer PLC Control Accuracy- 1 -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
6、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，
7、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
8、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。- 2 -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
9、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
10、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- 3 -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
11、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
12、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- 4 -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
13、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 ONOFF。 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
14、放大器的得电、失电，XYZ 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
15、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。- 5 -（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
16、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 320240，256 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。- 6 -图 2-2 系统设计原理图
17、- 7 -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）定位参数设定运行模式控制方式 差补对象加速时间编号减速时间编号定位地址 圆弧地址指令速度 停留时间M 代码3:轨迹 0Ah:ABS 直线 2轴 2 0:100 0:2000 -50000um 1000.00mm/min0 13:轨迹 0Ah:ABS 直线 2轴 2 0:100 0:2000 0.0um 1000.00mm/min0 13:轨迹
18、0Ah:ABS 直线 2轴 2 0:100 0:2000 19151um 1000.00mm/min0 13:轨迹 0Ah:ABS 直线 2轴 2 0:100 0:2000 -24776um 1000.00mm/min0 13:轨迹 0Ah:ABS 直线 2轴 2 0:100 0:2000 24776um 1000.00mm/min0 13:轨迹 0Ah:ABS 直线 2轴 2 0:100 0:2000 -19151um 1000.00mm/min0 10:结束 0Ah:ABS 直线 2轴 2 0:100 0:2000 -19151um 1000.00mm/min0 2整定的 Y 轴参数为下表 3-2 所示。表 3-2 Y 轴(插补轴)定位参数设定运行模式控制方式 差补对象加速时间编号减速时间编号定位地址 圆弧地址指令速度 停留时间M 代码-50000um-25000um20225um-7225um-7225um20225um20225um
