3D打印机加热系统的PID控制
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关键 词 ： ３ Ｄ打 印 ； 加热； Ｐ Ｉ Ｄ控制
１ ３ Ｄ打 印 技术 的 概述 ３ Ｄ打印技术的研究始于 ２ ０ 世纪 ８ ０年代 ，当时被称作快速成 型技术 。世界上最早研究 ３ Ｄ打印技术 的是美 国 ３ Ｄ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ 公司 ， 于１ ９ ８ ６年 推 出第 一 台快 速成 型 机 。 ３ Ｄ打 印系 统是 以数 字 化模 型文 件为基础 ， 如三维 Ｃ Ａ Ｄ模型 ， 经过分层切片处理后得到一系列 的二 维截面数据 ，利用这些数据控制 ３ Ｄ打印机的驱动系统来带动喷头 进 行运 动 ， 喷 出可 粘结 的材 料 ， 经 过 逐 层 堆 积 的方 式 得 到 三 维 目标 实体。目前 ３ Ｄ打印技术 已被广泛应用到各个领域 ， 如机器人 、 电子 产品、 生物医学 、 航空航天、 建筑行业等。３ Ｄ打印具有其独特的制造 模式 ， 直接将虚拟的数字化模型转化为产 品， 简化 了生产流程 ， 降低 了产 品 的生 产 成本 ， 缩 短 了产 品的开 发 周期 。 ２熔融式 ３ Ｄ打印的工作原理 通 过采 用 不 同 的材料 及 成 型方 式 ，使 ３ Ｄ打 印技 术 在 实现 方 法 上不 断 创新 。３ Ｄ打 印 技术 主要 分 为挤 出成 型 、 粒 状物 料 成 型 、 光 聚 合成 型等 ， 根据材料和设备 的不 同 ， 以上 三种类 型又 分 别 有 多种 成 型方 式 。 其 中挤 出成 型 是 目前 最 容易 实 现 的一 种 ３ Ｄ成 型 手段 ， 主 要 以熔 融沉 积 成 型 （ Ｆ Ｄ Ｍ） 技 术实 现 【 １ ］ 。熔 融 式 ３ Ｄ打印机通过计算机控制已加热的喷头 ， 根据模型设 计 的单层面数据在 ｘ — Ｙ二维平 面内运动。 喷头可 以将 挤 丝 机 传送 过 来 的 丝 状 打 印材 料 熔 化 ， 然 后 从 喷 嘴 挤 出粘接到工作 台上 ， 在空气 中冷却后凝 固。打印完 一 层之后 ， 计 算 机 控 制 喷 头 上 升 一 层 材 料 的 高度 ， 继 续 按 下 一层 面 的路 径 完成 打 印并 堆 积起 来 ， 最 终 实现 整
科 技 创 新
２ ０ １ ７ 年 第１ ｏ 期ｌ 科技创新与应用
３ Ｄ 打 印机 加热 系 统 的 Ｐ Ｉ Ｄ学实习训练 中心 ， 天津 ３ ０ ０ ３ ８ ７ ）
摘 要： 近年 来 ， ３ Ｄ打 印技 术受 到 了各 国各 界 的 广泛 关 注 。 ３ Ｄ打 印具 有成 型 速度 快 、 无 污 染及 方便 在 室 内使 用等优 点 ， 在 现代 制 造业的发展 中发挥 了巨大的作用。文章通过将 ３ Ｄ打印机的加 热系统采用 Ｐ Ｉ Ｄ控制的方法 ， 可以有效的控制温度 的大幅度 变化 。 从 而很 大程 度提 高 了打 印 出的 工件 质 量 。
由于 Ｆ Ｄ Ｍ技术是采用工业级热塑材料进行成型 加工的 ， 与其他类型的 ３ Ｄ打印相 比， Ｆ Ｄ Ｍ成型的产品 Ｐ Ｉ Ｄ 调 前的 温 度 曲 线 无Ｐ Ｉ Ｄ 调 节 的 温 度 曲线 具有很好的耐热性和耐腐蚀性 ， 已在机械零件等产 品 图 １ 中得到直接应用 。 ２ ０ １ ２年由 Ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ｓ ｙ ｓ 公司研发的超大 经过 图 １ 曲 线对 比可 以看 出 ， 在Ｐ Ｉ Ｄ调 控 下 的温 度 曲线 ， 温 度 型快速成型机 Ｆ ｏ ｒ ｔ ｕ ｓ ９ ０ ０ ｍ ｃ ， 具 有 相 当高 的成 型 精 度 、 较 大 的成 型 尺寸 ， 可 以进 行 产 品级 零部 件 的生 产 。 由于 Ｆ Ｄ Ｍ 实现 成 本较 低 ， 目 上升为 １ 分半钟左右， 超调量 ５ ％， ３ 分嘲达到稳定的状态， 最终稳 ８ ０ ℃， 且 稳 态误 差 较小 。而无 Ｐ Ｉ Ｄ调 控 的 升 温 曲线 ， 可 以看 出 前 市 场上 销 售 的 ３ Ｄ打 印 机还 是 以 Ｆ Ｄ Ｍ 型 设 备 为 主 ，小 型 的 Ｆ Ｄ Ｍ 定在 １ 温 度 的 波 动 范 围一 直 在 １ ０ Ｔ ： 左右 ， 超调量较大 ， 平 均 温 度 也 要 高 出 设 备 的价 格甚 至 降 到 了几 千元 。 ３ ３ Ｄ打 印机 的温 度控 制 系统 设计 目标温 度 ５ ℃左右 。 Ｐ Ｉ Ｄ调控的温度明显要 比无 Ｐ Ｉ Ｄ调控 的稳定得多 ， 尤其在挤丝 由于 熔 融 式 ３ Ｄ打 印 机 的挤 丝 头和 热 床 都要 处 于恒 温 的状 态 ， 无Ｐ Ｉ Ｄ调 控 的温 度 波 动 范 围在 ｌ Ｏ Ｔ ： 左右 ， 平 均 温 采 用加 热 电 阻对 其 进行 加 热 ，然 后 通过 热 敏 电 阻进 行 温度 的监 测 。 机 稳 定 运 行 以后 ， ￣ Ｃ 左 右 ，而 在 Ｐ Ｉ Ｄ调 控 下可 以使 温度 趋 近 于 ３ Ｄ打 印机 采 用 的微 控 制器 Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ Ｆ ４ ０ ７拥 有 ｌ ２ 位Ａ Ｄ Ｃ模 块 ，可 以 度 也要 高 出设 定 温 度 ５ 实时采集 Ｃ Ｔ Ｃ Ｉ Ｔ ｅ ｍ ｐ接 口的电压数值 ，其 中接 口连接的热敏电阻 设 置 温度 。 由此 结 果 分 析 可 得 ， ３ Ｄ打 印 机 的 加 热 系 统 通 过 Ｐ Ｉ Ｄ调 控 对 温 通过分压实现 Ｃ Ｔ Ｃ Ｉ Ｔ ｅ ｍ ｐ接口电压随温度变化 ，且控制器 Ａ Ｄ Ｃ采 Ｄ打 印耗 材 对 温度 的要 求 ，保 证 了 集到的电压模拟量与热敏电阻上 的温度变化之 间具有 良好 的线性 度 能够 实 现精 确 控制 ，能满 足 ３ Ｌ Ａ材料在打印过程 中处于最佳的熔融状态。若无 Ｐ Ｉ Ｄ调节 ， 挤出 关 系， 具体参数可以通过温度校对标定出来 。微控制器根据采集到 Ｐ 就有 可 能 因 为 Ｐ Ｌ Ａ耗 材 因 为 温 度过 高而 碳 化 ， 造 的 电压 转换 成 温度 值 ， 然 后将 这 个 温度 值 与 系 统设 置 的 目标 温 度 进 头 温度 过 大 波 动 ， 影 响 打 印效 果 。 行对 比 ， 并 进行 Ｐ Ｉ Ｄ调节 ， 由Ｃ Ｔ Ｃ Ｉ Ｈ ｅ ａ ｔ 引脚输 出信号驱动功率管 成 喷丝 头堵 丝 现 象 ， 参考 文献 的导通与断开 ， 进而控制挤丝机和热床的加热 电阻是否加热 。微控 １ 】 殷媛媛． 上 海 软科 学研 究基 地 —— 上 海科 学技 术 情报 研 究所 前 沿 制器经过 Ｐ Ｉ Ｄ调 控 使 挤 丝 机 和热 床 的温 度 浮 动保 持 在 一 定 范 围之 【
个 打 印件 的 成 型 。
Ｇ （ ｓ ） ： Ｌ ， ＝ Ｋ Ｐ Ｉ 【 ｌ ＋ ＋ Ｔ Ｄ ｓ Ｉ ｉ Ｊ
式中 Ｋ 是 比例 增 益 系数 ， Ｔ Ｊ 是积 分 时 间 常数 ， Ｔ 。 是 微 分 时 间 常 数， ｕ （ ｔ ） 为输 出量 ， ｅ （ ｔ ） 表 示 偏差 。 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器 中 通 过 调 节 Ｋ Ｐ ， Ｔ ， Ｔ 。 三 个 参 数 来 实 现 温 度 的调 节 的。ｅ （ ｔ ） 是采集信号与给定参数值 的偏差值 ， 通过 Ｐ Ｉ Ｄ调节使其趋 近于 ０ ， 从而输出量也逐渐接近给定值 ， 此时三个参数 的值为最优 。 Ｐ Ｉ Ｄ运 算 一 般 需 要 建 立 一 个 用 来 保 存 Ｐ Ｉ Ｄ运 算 所 需 要 的三 个 参 数 Ｋ Ｐ ， ， Ｔ Ｄ 以及设定值、 历史误差的累加值等信息的结构体数据类型 。 Ｐ Ｉ Ｄ运算后的返 回值来控制定时器 ， 根据定时器的调整控制输 出不 同占空 比的 Ｐ ＷＭ 波 ， 进 而 控制 加 热 元件 的工作 时间 ， 得 到几 乎 恒定 的温度 。 ４ Ｐ Ｉ Ｄ测试 结 果分 析
１ ３ Ｄ打 印 技术 的 概述 ３ Ｄ打印技术的研究始于 ２ ０ 世纪 ８ ０年代 ，当时被称作快速成 型技术 。世界上最早研究 ３ Ｄ打印技术 的是美 国 ３ Ｄ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｓ 公司 ， 于１ ９ ８ ６年 推 出第 一 台快 速成 型 机 。 ３ Ｄ打 印系 统是 以数 字 化模 型文 件为基础 ， 如三维 Ｃ Ａ Ｄ模型 ， 经过分层切片处理后得到一系列 的二 维截面数据 ，利用这些数据控制 ３ Ｄ打印机的驱动系统来带动喷头 进 行运 动 ， 喷 出可 粘结 的材 料 ， 经 过 逐 层 堆 积 的方 式 得 到 三 维 目标 实体。目前 ３ Ｄ打印技术 已被广泛应用到各个领域 ， 如机器人 、 电子 产品、 生物医学 、 航空航天、 建筑行业等。３ Ｄ打印具有其独特的制造 模式 ， 直接将虚拟的数字化模型转化为产 品， 简化 了生产流程 ， 降低 了产 品 的生 产 成本 ， 缩 短 了产 品的开 发 周期 。 ２熔融式 ３ Ｄ打印的工作原理 通 过采 用 不 同 的材料 及 成 型方 式 ，使 ３ Ｄ打 印技 术 在 实现 方 法 上不 断 创新 。３ Ｄ打 印 技术 主要 分 为挤 出成 型 、 粒 状物 料 成 型 、 光 聚 合成 型等 ， 根据材料和设备 的不 同 ， 以上 三种类 型又 分 别 有 多种 成 型方 式 。 其 中挤 出成 型 是 目前 最 容易 实 现 的一 种 ３ Ｄ成 型 手段 ， 主 要 以熔 融沉 积 成 型 （ Ｆ Ｄ Ｍ） 技 术实 现 【 １ ］ 。熔 融 式 ３ Ｄ打印机通过计算机控制已加热的喷头 ， 根据模型设 计 的单层面数据在 ｘ — Ｙ二维平 面内运动。 喷头可 以将 挤 丝 机 传送 过 来 的 丝 状 打 印材 料 熔 化 ， 然 后 从 喷 嘴 挤 出粘接到工作 台上 ， 在空气 中冷却后凝 固。打印完 一 层之后 ， 计 算 机 控 制 喷 头 上 升 一 层 材 料 的 高度 ， 继 续 按 下 一层 面 的路 径 完成 打 印并 堆 积起 来 ， 最 终 实现 整
科 技 创 新
２ ０ １ ７ 年 第１ ｏ 期ｌ 科技创新与应用
３ Ｄ 打 印机 加热 系 统 的 Ｐ Ｉ Ｄ学实习训练 中心 ， 天津 ３ ０ ０ ３ ８ ７ ）
摘 要： 近年 来 ， ３ Ｄ打 印技 术受 到 了各 国各 界 的 广泛 关 注 。 ３ Ｄ打 印具 有成 型 速度 快 、 无 污 染及 方便 在 室 内使 用等优 点 ， 在 现代 制 造业的发展 中发挥 了巨大的作用。文章通过将 ３ Ｄ打印机的加 热系统采用 Ｐ Ｉ Ｄ控制的方法 ， 可以有效的控制温度 的大幅度 变化 。 从 而很 大程 度提 高 了打 印 出的 工件 质 量 。
由于 Ｆ Ｄ Ｍ技术是采用工业级热塑材料进行成型 加工的 ， 与其他类型的 ３ Ｄ打印相 比， Ｆ Ｄ Ｍ成型的产品 Ｐ Ｉ Ｄ 调 前的 温 度 曲 线 无Ｐ Ｉ Ｄ 调 节 的 温 度 曲线 具有很好的耐热性和耐腐蚀性 ， 已在机械零件等产 品 图 １ 中得到直接应用 。 ２ ０ １ ２年由 Ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ｓ ｙ ｓ 公司研发的超大 经过 图 １ 曲 线对 比可 以看 出 ， 在Ｐ Ｉ Ｄ调 控 下 的温 度 曲线 ， 温 度 型快速成型机 Ｆ ｏ ｒ ｔ ｕ ｓ ９ ０ ０ ｍ ｃ ， 具 有 相 当高 的成 型 精 度 、 较 大 的成 型 尺寸 ， 可 以进 行 产 品级 零部 件 的生 产 。 由于 Ｆ Ｄ Ｍ 实现 成 本较 低 ， 目 上升为 １ 分半钟左右， 超调量 ５ ％， ３ 分嘲达到稳定的状态， 最终稳 ８ ０ ℃， 且 稳 态误 差 较小 。而无 Ｐ Ｉ Ｄ调 控 的 升 温 曲线 ， 可 以看 出 前 市 场上 销 售 的 ３ Ｄ打 印 机还 是 以 Ｆ Ｄ Ｍ 型 设 备 为 主 ，小 型 的 Ｆ Ｄ Ｍ 定在 １ 温 度 的 波 动 范 围一 直 在 １ ０ Ｔ ： 左右 ， 超调量较大 ， 平 均 温 度 也 要 高 出 设 备 的价 格甚 至 降 到 了几 千元 。 ３ ３ Ｄ打 印机 的温 度控 制 系统 设计 目标温 度 ５ ℃左右 。 Ｐ Ｉ Ｄ调控的温度明显要 比无 Ｐ Ｉ Ｄ调控 的稳定得多 ， 尤其在挤丝 由于 熔 融 式 ３ Ｄ打 印 机 的挤 丝 头和 热 床 都要 处 于恒 温 的状 态 ， 无Ｐ Ｉ Ｄ调 控 的温 度 波 动 范 围在 ｌ Ｏ Ｔ ： 左右 ， 平 均 温 采 用加 热 电 阻对 其 进行 加 热 ，然 后 通过 热 敏 电 阻进 行 温度 的监 测 。 机 稳 定 运 行 以后 ， ￣ Ｃ 左 右 ，而 在 Ｐ Ｉ Ｄ调 控 下可 以使 温度 趋 近 于 ３ Ｄ打 印机 采 用 的微 控 制器 Ｓ Ｔ Ｍ３ ２ Ｆ ４ ０ ７拥 有 ｌ ２ 位Ａ Ｄ Ｃ模 块 ，可 以 度 也要 高 出设 定 温 度 ５ 实时采集 Ｃ Ｔ Ｃ Ｉ Ｔ ｅ ｍ ｐ接 口的电压数值 ，其 中接 口连接的热敏电阻 设 置 温度 。 由此 结 果 分 析 可 得 ， ３ Ｄ打 印 机 的 加 热 系 统 通 过 Ｐ Ｉ Ｄ调 控 对 温 通过分压实现 Ｃ Ｔ Ｃ Ｉ Ｔ ｅ ｍ ｐ接口电压随温度变化 ，且控制器 Ａ Ｄ Ｃ采 Ｄ打 印耗 材 对 温度 的要 求 ，保 证 了 集到的电压模拟量与热敏电阻上 的温度变化之 间具有 良好 的线性 度 能够 实 现精 确 控制 ，能满 足 ３ Ｌ Ａ材料在打印过程 中处于最佳的熔融状态。若无 Ｐ Ｉ Ｄ调节 ， 挤出 关 系， 具体参数可以通过温度校对标定出来 。微控制器根据采集到 Ｐ 就有 可 能 因 为 Ｐ Ｌ Ａ耗 材 因 为 温 度过 高而 碳 化 ， 造 的 电压 转换 成 温度 值 ， 然 后将 这 个 温度 值 与 系 统设 置 的 目标 温 度 进 头 温度 过 大 波 动 ， 影 响 打 印效 果 。 行对 比 ， 并 进行 Ｐ Ｉ Ｄ调节 ， 由Ｃ Ｔ Ｃ Ｉ Ｈ ｅ ａ ｔ 引脚输 出信号驱动功率管 成 喷丝 头堵 丝 现 象 ， 参考 文献 的导通与断开 ， 进而控制挤丝机和热床的加热 电阻是否加热 。微控 １ 】 殷媛媛． 上 海 软科 学研 究基 地 —— 上 海科 学技 术 情报 研 究所 前 沿 制器经过 Ｐ Ｉ Ｄ调 控 使 挤 丝 机 和热 床 的温 度 浮 动保 持 在 一 定 范 围之 【
个 打 印件 的 成 型 。
Ｇ （ ｓ ） ： Ｌ ， ＝ Ｋ Ｐ Ｉ 【 ｌ ＋ ＋ Ｔ Ｄ ｓ Ｉ ｉ Ｊ
式中 Ｋ 是 比例 增 益 系数 ， Ｔ Ｊ 是积 分 时 间 常数 ， Ｔ 。 是 微 分 时 间 常 数， ｕ （ ｔ ） 为输 出量 ， ｅ （ ｔ ） 表 示 偏差 。 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 器 中 通 过 调 节 Ｋ Ｐ ， Ｔ ， Ｔ 。 三 个 参 数 来 实 现 温 度 的调 节 的。ｅ （ ｔ ） 是采集信号与给定参数值 的偏差值 ， 通过 Ｐ Ｉ Ｄ调节使其趋 近于 ０ ， 从而输出量也逐渐接近给定值 ， 此时三个参数 的值为最优 。 Ｐ Ｉ Ｄ运 算 一 般 需 要 建 立 一 个 用 来 保 存 Ｐ Ｉ Ｄ运 算 所 需 要 的三 个 参 数 Ｋ Ｐ ， ， Ｔ Ｄ 以及设定值、 历史误差的累加值等信息的结构体数据类型 。 Ｐ Ｉ Ｄ运算后的返 回值来控制定时器 ， 根据定时器的调整控制输 出不 同占空 比的 Ｐ ＷＭ 波 ， 进 而 控制 加 热 元件 的工作 时间 ， 得 到几 乎 恒定 的温度 。 ４ Ｐ Ｉ Ｄ测试 结 果分 析