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1、华中科技大学硕士学位论文基于CAN总线的FDM网络化控制系统设计及G代码实现姓名：张鸿平申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：叶春生2011-01-12华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘 要 基于 CAN 总线的 FDM 网络化控制系统是结合基于 ARM 的 FDM 控制技术、 数字化控制技术、CAN 总线通信技术而提出来的网络化控制系统。随着 FDM 向微型化、低成本化和智能化发展，FDM 必然会以三维打印机的形式在日常生活中得到广泛应用，因此，本文提出的 FDM 网络化控制具有很好的发展前景。 以 FDM 运动控制模块、温度控制模块和送丝控制模块为设计需求，本文搭
2、建了基于 CAN 总线通讯的多个 FDM 网络化控制系统，与上位机控制软件相结合，实现了对多个模块的集中控制。本课题的研究内容为： 1、根据 FDM 数控系统特性搭建网络化控制系统框架。PC 主控制节点对多个FDM 设备进行监控，从 CAN 线接收 FDM 主控制模块及各子控制模块的信息，经数据处理后在 PC 机上显示监测结果。PC 主控制节点通过 CAN 总线向各 FDM 主控制模块和子控制模块发送控制信息，完成 FDM 的网络化控制。 2、为降低 FDM 的成本并提高其通用性，实现了加工路径向 G 代码的转换。读取经切片处理、扫描填充及优化的路径文件中各个点的三维坐标，以文本文档的形式存储
3、在存储器中，然后采用数控代码编写模块将三维点坐标转换成标准 G 代码。 3、 基于 CAN 总线的网络化控制系统要求网络上各个节点通过 CAN 报文进行通信。为此本文针对该系统制定了一套 CAN 通信报文格式，使系统各个模块之间能完成数据信息的交换。 关键词：FDM、数控系统、网络化、CAN 总线、G 代码 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract FDM networked control system based on CAN bus is a networked control system which is proposed combining FDM co
4、ntrol technology based on ARM, digital control technology, and CAN bus communication technology. With the development of FDM towards the miniaturization, low cost and intellectualization, FDM will be bound to be widely used in daily life in the form of three- dimensional printers. So, FDM networked
5、control has good prospects for development. To meet the design requirement for FDM motion control module, temperature control module and wire feed control module, the article puts up a couple of FDM networked control systems through CAN bus communication, combing with upper PC control software, the
6、centralized control on multiple modules is achieved. The research contents of this project are: 1. According to characteristics of numerical control decency of FDM to set up the design framework of networked control system. PC master control node monitors a couple of FDM equipments, the CAN wire FDM
7、 receives information from the main control module and the sub control module, and monitoring results will be displayed on PC after the data processing. The PC master control node sends control information to all main control modules and sub control modules through the CAN bus, to complete the netwo
8、rked control of FDM. 2. With the purpose of reducing costs of FDM and improving its generality, the processing path conversing to G code is realized. Read the three- dimensional coordinates of each point in the path file which have been sliced, filled and optimized, store them in the storage in the
9、form of text documents, and then adopt the numerical control code compiling module to convert the three- dimensional point coordinate into standard G codes. 3. Networked control system based on CAN bus requires each panel point node on the network to communicate through CAN messages. Therefore, in a
10、llusion to this system, the thesis develops a set of CAN communication message form, which can achieve the exchange of data information between each module of the system. Key words：FDM, CNC system, Networked control, CAN bus, G code 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集
11、体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 (请在以上方框内打 “ ” ) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期: 年
12、月 日 日期: 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪论 1.1 FDM 快速成型技术 1.1.1 FDM 工艺原理 FDM 成形工艺的基本特征是采用丝状热塑性材料，连续地送入喷头并在其中加热熔融后挤出，靠材料本身粘性逐层堆积成形。如图 1- 1 所示，FDM 成型系统采用双挤出头结构，分别加热实体丝材和支撑丝材。成形过程中，挤出头在 X、Y 轴电机控制下进行二维扫描填充运动，当丝材挤出与填充运动同步进行时，由喷头挤出的丝材在工作台固化粘接。堆积完一层后，喷头上升一个层厚的高度，开始下一层的堆积，层层粘结并固化，如此重复进行，完成一个零件的成形过程1- 6。FDM
13、 的工艺过程决定了它在制造镂空件时需要添加支撑结构， 所以 FDM 系统一般都采用双喷头独立加热，一个用来喷头制作实体结构，另一个用来制作支撑结构，实体和支撑所用的材料有所不同，以便零件加工结束后去除支撑。 图 1- 1 FDM 系统的原理图 1.1.2 FDM 控制系统 FDM 成形系统可分为扫描填充运动、挤丝运动和成形温度三项子功能。通过分析，这三各子功能还可继续分解成如图 1- 2 所示的具体控制单元。 送丝机构 加热器 支撑材料喷嘴 支撑 模型材料喷嘴 模型 基底支撑 工作台 挤出机构 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2图 1- 2 HRPF 系统的功能分解图 根据 F
14、DM 系统的功能分解子单元，可以得到 9 个时域参数：AP1：X 轴定位与运动；AP2：Y 轴定位与运动；AP3：Z 轴定位与运动；AP4：实体材料挤出运动；AP5：实体材料温度；AP6：支撑材料挤出运动；AP7：支撑材料温度；AP8：成型底板温度；AP9：成型室温度。 华中科技大学FDM控制系统经历了三个阶段。 第一个阶段是PC+通用板卡方案，该方案的控制系统高效成熟、稳定性较高、有较强的可扩展性，在已推出的 RP 设备中得到了广泛应用，但因板卡价格昂贵而逐渐被取代。第二个阶段是 PC+PLC 方案，目前该方案是华中科技大学快速成形中心 RP 系统使用的主流控制系统结构， 该系统稳定性高、升
15、级方便、可维护性好。但相对于价格低廉、功能更加强大的嵌入式系统来说，PC+PLC 在价格和功能方面的优势已经不再明显。第三阶段，基于 STM32的嵌入式控制方案，该方案的提出是与 FDM 未来的发展方向相一致的。FDM 只有向低成本、高精度、轻量化的方向发展，才能更好的促进 FDM 技术的推进与应用7。因此， 华中科技大学快速成型中心提出并实现了基于STM32的嵌入式控制系统方案。 1）基于 PC+通用板卡控制系统 如图 1- 3 所示，基于 PC+通用板卡的 FDM 控制系统由工业控制计算机、运动控制卡、AD/DA 转换卡、数字量输入卡和数字量输出卡组成。它使用工业控制机实现华 中 科 技
16、大 学 硕 士 学 位 论 文 3上层数据处理和下层设备驱动的功能，使用通用板卡作为工业控制计算机与其他子执行系统的接口8。 图 1- 3 基于 PC+通用板卡的 FDM 控制系统 运动控制系统采用开环运动控制方案，通过三路步进电机、细分驱动器、检测开关实现工作台和喷头的运动。步进电机有易于开环精确控制、无累积误差、结构简单、可靠性高等优势，满足工作台和喷头运动的精度及稳定性要求。工控机通过运动控制卡对运动控制系统进行控制。 送丝控制系统通过驱动电路对送丝电机进行控制，实体材料和支撑材料通过挤压分别送入实体喷头和支撑喷头加热熔化，并通过挤压力将熔融后的丝材从喷嘴挤出。工控机通过数字量输出卡和 A/D、D/A 转换卡，通过驱动电路实现对送丝电机的正反转、启停和调速控制。 温度控制系统采用独立的闭环控制，由四组温控单元、可控硅和热电耦组成。在 FDM 工作时，分别将实体喷头、支撑喷头、工作台和成
