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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52.3系统原理图63 参数整定83.1 定位模块参数设置
2、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
3、：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 resp
4、onse 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
5、Control Accuracy- 25 -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
6、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
7、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
8、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，3
9、D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.
10、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
11、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，
12、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J
13、OG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，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、Rockw
14、ell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
