基于三菱PLC的打印喷头控制系统设计

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　　摘 要：喷头控制是3D打印系统中的一个重要环节，喷头的控制系统对打印产品的质量起着重要的作用，其中喷头温度的控制、步进电机速度的控制都大大影响着模型成型的好坏。针对3D打印喷头系统的设计应用，设计了基于三菱PLC的3D打印喷头的控制系统。该系统利用三菱AD转换器将温度转换成模拟量实现温度的控制，并且PLC采用晶体管漏型输出，利用特定输出端口发送高速脉冲控制出丝速度。经调试系统可实现温度和进料速度的控制。
　　关键词：3D打印;三菱PLC;温度控制
　　Design of printing head control system based on Mitsubishi PLC
　　Yuan Junhua Dai Yicheng Fu Yuhao Long Junyu Shao Dongyan
　　Guangzhou College South China University of Technology GuangdongGuangzhou 510800
　　Abstract：Nozzle control is an important part of 3D printing system.The control system of nozzle plays an important role in the quality of printing products.The temperature control of nozzle and the speed control of stepping motor greatly affect the quality of model forming.Aiming at the design and application of 3D printing head system，the control system of 3D printing head based on Mitsubishi PLC is designed.The system uses Mitsubishi AD converter to convert the temperature into analog to realize the temperature control，and the PLC uses transistor leakage output to send high-speed pulse through a specific output port to control the wire speed.The temperature and feeding speed can be controlled by debugging the system.
　　Key words：3D printing;Mitsubishi PLC;temperature control
　　3D打印技术作为一种新兴的增材制造技术，是制造业领域内快速发展的技术，包含多种类型的过程控制系统。其中，在熔融沉积成型过程控制系统中，喷头控制是极为重要的环节，包括喷头温度和送丝机构等的测控。[1-3]本文以三菱PLC为控制中心，结合一般3D打印喷头的功能要求，完成基于三菱PLC的3D打印喷头控制系统设计。
　　1 方案及硬件设计
　　本系统针对一般3D打印喷头结构的功能模块，包括温度采集模块、加热扇热模块、驱动传动模块。基于三菱PLC控制中心的控制功能，包括利用AD模拟量转换模块对热敏电阻采集到的电压数据进行转换和比较;利用开关量的控制控制加热棒风扇的启停工作，利用能发送高速脉冲的端口控制驱动传动模块;实现3D打印喷头温度和送丝机构的测控。具体硬件模块有以下四个部分构成。
　　1.1 PLC处理器模塊
　　三菱PLC处理器采用的是FX3U-16MT-ES-A，晶体管漏型输出，响应快速，性能稳定，可靠性非常高，抗干扰能力强。供电220V，一共16个点，能够输出高速脉冲驱动步进驱动器。正好满足了控制3D打印喷头的控制特点和控制点位。
　　1.2 温度采集模块 　　温度采集模块是由AD转换模块，三菱PLC的Fx2n-4AD的AD转换器和线性电路，热敏电阻NTC 100K 3950和220k，33k两电阻并联构成的。由于PLCFxn-4AD电压输入0-10V的输入特点和热敏电阻NTC系列只在-35°-130°区间成线性规律变化而在3D打印的大部分材料中熔融温度是在190-230°左右的范围，所以为了调高控制精度而采取了多段式温度段控制。其中温度的控制数据则根据热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性，并根据电路中热敏电阻分得的电压获得。
　　1.3 加热扇热模块
　　控制系统采用加热棒24V，40W的加热棒加热，以加快3D打印系统在初始工作阶段加热材料温度的时间。扇热采用的是12V的强力风扇，控制采用继电器的停段控制，在加热温度超过后开启扇热。同时3D打印工作时间较长，长时间的高温作业会印象到喷头整体的温度，以及影响步进电机的使用寿命，所以该系统需要较高的扇热性能需求。
　　1.4 驱动传动模块
　　出丝料动能器件采用的是42两相的步进电机，步进角度1.8度，传动平稳可靠，低噪声。传动部件采用U型环和步进电机夹着材料，挤压材料摩擦传动。驱动模块选用的是NL驱动器，可驱动两相步进电机，使用简单性能可靠，驱动电流最高可达到4A。
　　综上各个模块的功能将系统的PLC端口IO分配如下表所示。
　　2 软件设计及调试
　　根据硬件模块的设计和控制系统的要求设计了：采集数据程序、测温分段电路程序、控制电机正反转以及控制速度的程序。程序如下所示：
　　2.1 采集数据程序
　　PLC和采集电路接通时，温度数据开始采集，PLC通过FROM指令向AD转换器读取温度数据。当采集电压超过0-10V和采集数据错误时，采集数据动作停止。
　　LD M8000
　　TO K0 K0 H333 K1
　　FROM K0 K29 K4M100 K1
　　ANI M100
　　ANI M110
　　FROM K0 K8 D3 K1
　　2.2 测温分段电路程序
　　当采集的温度D3在0-150度时候Y7开启，热敏电阻与220K电阻电路串联电路接通，当D3超过150度时通过CMP比较指令将Y7断开，Y6开启，热敏电阻与3.3K电阻电路串联电路接通。
　　LD Y006
　　CMP K44 D3 M10
　　CMP D14 D3 M13
　　LD M10
　　OR Y007
　　AND M1
　　ANI M110
　　ANI M16
　　OUT Y007
　　LDI Y007
　　OUT Y006
　　2.3 控制电机正反转和进料速度程序
　　当要求喷头出丝时，X002停止，X001正转信号开启，电机按照频率为D0的速度出丝。当要求喷头材料回料时，X001停止，X002反转信号开启，电机按照频率为D0的速度回材料。
　　LD X001
　　ANI X002
　　PLSY D0 K0 Y000
　　LD X002
　　ANI X001
　　OUT Y004
　　PLSY D0 K0 Y000
　　通过上述硬件搭建，并编写PLC程序调试。控制系统为开始加热到设定的温度，当温度达到设定温度后，风扇开启扇热，步进电机允许开启送料。如下图为喷头达到温度后送出的丝状材料。
　　
　　喷头出丝
　　3 小结
　　本文基于PLC和3D打印喷头的基础上，设计了基于PLC的3D打印喷头控制系统，能够实现对材料温度的设定以及定温的控制，对打印喷头的出丝速度的控制，并且使喷头能够长时间的持续工作。本系统对应于一般的3D打印工作场景的精度需求尚可满足。目前，该系统的稳定性和可靠性较好，可实现最基本的3D打印作业。
　　参考文献：
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　　[2]张宇豪，梁程华，孙子发，黄庆南.基于模糊算法3D打印喷头PID温度控制[J].广西科技大学学报，2016（04）：2095-7335.
　　[3]張香，秦广，屈祥如，文迪，王荣敬.喷头温度及材料对3D打印精密的影响[J].现代工业经济和信息化，2018（11）：2095-0748.
　　基金项目：华南理工大学广州学院大学生创新创业训练计划项目（52-JY191401）

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