SLS激光快速成型机

SLS 激光快速成型技术总结

1.        SLS 激光快速成型 机工作原理

SLS 激光快速成型 机主要由光、机、电三大部分组成，系统组成见图 1 。它是采用计算机分级控制技术进行工作的。首先由上位机（个人电脑 PC 机），采用 PRO-E 软件绘图三维立体图，生成 STL 文件，然后采用分层算法，把三维立体分层为约干个矢量平面图，从最底层的矢量图开始由 LPT1 打印机接口把矢量数据传递给下位机（单片机），单片机将此参数按图形要求将图形数据分解为不同的节拍信号输出动各电路驱动模块中，控制快速 XY 扫描振镜，引导激光光束进进行扫描固化。当扫描完一层后，单片机模块发出指示控制升降台向下移动一个层高的距离，并左右移动刮粉机在新的一层上加上固化的粉末，再传输下一层矢量的图形数据进行扫描，一直循环直到所有的矢量图都扫描完毕，这样就生成了一个立体模型。

 

 

图 1

 

 

2 ． PRO/E 绘图软件的介绍

   Pro/ENGINEER ( 简称 Pro/E) 是美国 PTC 公司于 1988 年推出的参数化建模软件 , 历经十几年的发展和完善 , 已经有了 20 多个升级版本 , （我们所采用的是 2003 野火版， Pro/ENGINEER Wildfire) 并且功能也延伸到 CAM 及 CAE 领域，成为国内模具设计行业中广泛应用的 3D 设计软件之一。

       我们先在 Pro/E 软件中画好了立体图形，然后在工件底部建立合适的分层坐标，再输出保存副本为 STL 文件，在保存 STL 文件时选择刚才建立的分层坐标，点选 ASCII 格式。点确定生成 STL 文件。输出 STL 文件我们可以看到实体图变为有许多网格组成的图形 , 我们分层就是从这些网格图入手的。

如图所示：

 

图 2  （建立分层坐标）

 

 

 

 

图 4  ( 实体的网格图 )

 

 

图 3  ( 输出 STL 文件 )

 

 

 

 

3 ． STL 文件的格式

       输出了 STL 文件后，我们可以用写字板打开 STL 文件，可以看到 STL 文件格式如下：

solid 019

  facet normal 1.614248e-16 9.881780e-01 1.533112e-01

    outer loop

      vertex -1.500000e+01 5.336752e+01 2.096786e+01

      vertex 1.500000e+01 5.336752e+01 2.096786e+01

      vertex 1.500000e+01 5.600000e+01 4.000000e+00

    endloop

  endfacet

  facet normal 2.559610e-01 9.552589e-01 1.482039e-01

    outer loop

      vertex 1.950000e+01 5.479423e+01 4.000000e+00

      vertex 1.500000e+01 5.600000e+01 4.000000e+00

      vertex 1.500000e+01 5.336752e+01 2.096786e+01

    endloop

  endfacet

 

．．．．．．．．．．．．．

 

facet normal 1.772800e-01 -6.238972e-01 7.611334e-01

    outer loop

      vertex 3.761988e+00 -5.143641e+00 6.002213e+01

      vertex -1.372702e-07 -6.337572e+00 5.991969e+01

      vertex -1.373445e-07 -6.417107e+00 5.985450e+01

    endloop

  endfacet

endsolid 019

 

       文件第一行为文件的名标 : 实体 019

   紧接着就是实体的所有网格面的端点坐标。

   如：

outer loop

      vertex -1.500000e+01 5.336752e+01 2.096786e+01

      vertex 1.500000e+01 5.336752e+01 2.096786e+01

      vertex 1.500000e+01 5.600000e+01 4.000000e+00

    endloop

就表示这是工体的其中一个组成网格面，网格面的三个端点坐标分别为：

（ X1 ， Y1 ， Z1 ） =( -1.500000*10^1，5.336752*10^1，2.096786*10^1)

（ X2 ， Y2 ， Z2 ） =( 1.500000*10^1，5.336752*10^1，2.096786*10^1)

（ X3 ， Y3 ， Z3 ） =( 1.500000*10^1，5.600000*10^1，4.000000*10^1)

数据的大小是同 PRO/E 软件设计时定的尺寸大小 1 比 1 。

     这样读入所有的网格面，就可以采用分层算法对实体工件进行分层了。

 

 

 

4 ．立体模具的分层算法

对立体文件 *.STL ，进行分层。算法如下：

1 ）读入所有网格的面（面由三个空间构成）。 (XA,YA,ZA)  (XB,YB,ZB)  (XC ,YC,ZC)

   并调整端点顺序，使 ZA>=ZB>=ZC 。

2 ）找出 Z 值最大和最小的端点，找到立体最底面，最高面。并定义工件面在最底层开始。

3 ）求所有网格面与工作面相交的交线

   求法：网格面由三个点定义，也就是三条线段构成。求该网格面与工作面的交线。

   设定网格面为： (XA,YA,ZA)  （ XB,YB,ZB ）  (XC,YC,ZC)

   其中， ZA>=ZB>=ZC

   设定工作面： Z=ZW

    那网格面的线为：

  线段 1 ：    (XA,YA,ZA)--------(XB,YB,ZB)

    线段 2 ：    (XA,YA,ZA)--------(XC,YC,ZC)

    线段 3 ：    (XB,YB,ZB)--------(XC,YC,ZC)

 

    空间直线方程： (x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p

 

l        当 ZB 〈 ZW 〈 =ZA 时：

空间平面 Z=ZW 与线段 1 的交点为：

空间直线方程： (x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p

求得线段 1 的参数为：

m=XA-XB

n=YA-YB

p=ZA-ZB

求得交点坐标为： (XTZ0,YTZ0,ZTZ0)

XTZ0=(ZW-ZB)/(ZA-ZB)*(XA-XB)+XB

YTZ0=(ZW-ZB)/(ZA-ZB)*(YA-YB)+YB

ZTZ0=ZW

 

空间平面 Z=ZW 与线段 2 的交点为：

空间直线方程： (x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p

求得线段 2 的参数为：

m=XA-XC

n=YA-YC

p=ZA-ZC

求得交点坐标为： (XTZ1,YTZ1,ZTZ1)

XTZ1=(ZW-ZC)/(ZA-ZC)*(XA-XC)+XC

YTZ1=(ZW-ZC)/(ZA-ZC)*(YA-YC)+YC

ZTZ1=ZW

 

l        当 ZC 〈 ZW 〈 =ZB

空间平面 Z=ZW 与线段 3 的交点为：

空间直线方程： (x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p

求得线段 3 的参数为：

m=XB-XC

n=YB-YC

p=ZB-ZC

求得交点坐标为： (XTZ2,YTZ2,ZTZ2)

XTZ2=(ZW-ZC)/(ZB-ZC)*(XB-XC)+XC

YTZ2=(ZW-ZC)/(ZB-ZC)*(YB-YC)+YC

ZTZ2=ZW

 

空间平面 Z=ZW 与线段 2 的交点为：

空间直线方程： (x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p

求得线段 2 的参数为：

m=XA-XC

n=YA-YC

p=ZA-ZC

求得交点坐标为： (XTZ3,YTZ3,ZTZ3)

XTZ3=(ZW-ZC)/(ZA-ZC)*(XA-XC)+XC

YTZ3=(ZW-ZC)/(ZA-ZC)*(YA-YC)+YC

ZTZ3=ZW

 

从而求得网格面与工作面 Z=ZW 的交线为 :

       [(XTZ0,YTZ0,ZTZ0),(XTZ1,YTZ1,ZTZ1)]---[(XTZ2,YTZ2,ZTZ2),(XTZ3,YTZ3,ZTZ3)]

 

4 ）调整走线的循序，先走端点最近的交线段

当走完第一条交线后，寻找端点最近的交线段

disxy=sqr((xtz1(i)-xtz0(I+1))^2+(ytz1(i)-ytz0(I+1))^2)

寻找 disxy 最小的点。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 ．电脑驱动软件设计

   软件的介面如下图所示：

图５（立体模具快速成型软件介面）

 

软件介面主要分为两个区域。左边的图形区，用来显视当前工作层的图形外框。右边为参数设定区，用来设定工作时的

l      速度：工作时扫描振镜的扫描的速度。

l      功率：工作时激光的功率大小。

l      扫描密度：当钩选了 [ 选择扫描 ] 选项时软件就会自动对对图形进行田充扫描。

l      放大倍数：可以设定图形的放大比例。

l      扫描方式：设定图形田充扫描方式，可以是 180 度或者 90 度扫描田充。  

l      总层数：显视工件的分层总层数。

l      工作层：显视当前的工作层数。

软件介面下方为控制按制键，

l        [ 打开 ] ：可以打开需要分层的文件 [STL 文件 ] 、已经分层好的文件 [LEO 文件 ] 或者并面打示文 [PLT 文件 ] 。当打开 PLT 并面打标文件时，软件会自动进入平面打标软件的介面如图 3 所示。

l        [ 分层 ] ：当打开了 STL 文件时，点 [ 分层 ] 按键，就会开始分层，分层开始时会要求输入分层的保存文件名，即保存分层的 LEO 文件，分层完毕后会显视分层的总层数。

l        [ 复位 ] ：为机器回到起始的复位

l        [ 成型 ] ：机器复位后就可以进行 [ 成型 ] 操作，机器就会全自动完成快速成型。

l        [ 暂停 ] ：在工作过程中可以 [ 暂停 ] 。

l        [ 停止 ] ：在工作过程中可以 [ 停止 ] 机器。

l        [ 退出 ] ：成型完毕后 [ 退出 ] 软件。

图５（平面打标软件介面）

 

6 ．数据传输协议

上位机的图形数据通过输出动态连接库 winio.dll 中的 SetPortVal(ByVal PortAddr As Integer, ByVal PortVal As Long, ByVal bSize As Byte) 函数由 ECP 打印机口输出，输出的数据传输数据格式为 ASCII 格式，通过正反码校检。通信协议为：

 

ECP 打印机口引脚定义为下表 1 所示。

引脚定义

脚号	名称	说明
1	选通	选通信号，低电平有效
2	数据位 0	数据位 0
3	数据位 1	数据位 1
4	数据位 2	数据位 2
5	数据位 3	数据位 3
6	数据位 4	数据位 4
7	数据位 5	数据位 5
8	数据位 6	数据位 6
9	数据位 7	数据位 7
10	应答	接收到数据后发出应答，低电平有效
11	忙	打印机忙，低电平有效
12	纸用完	纸用完，高电平有效
13	连接	打印机连接好
14	自动进纸	自动进纸
15	错误	错误，低电平有效
16	复位	打印机复位
17	接入	接入
18~25	地	地

表 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 ．下位机扫描振镜控制板原理

下位机扫描振镜控制板采用了两片 MEGA16L 的 AVR 单片机，与几片 74 系列的数字电路芯片用来响应 ECP 打印机接口的信号。

其中一片 MEGA16L 蕊片用来接收打印机口的数据储存在缓冲区，并与升降台通信控制升降台的升降和刮粉机的动作。另一片 MEGA16L 用来驱动数模转换输出模拟信号到 671 振镜驱动板驱动 XY 振镜的扫描，并产生 0%--100% 的脉宽信号控制激光输出功率大小。而 74HC04 、 74HC74 和 74HC86 用来响应 ECP 打印机接口相关信号。原理如下图所示：

数模转换电路模块

数模转换蕊片采用了 AD7846 ， 16 位高速数模转换蕊片面性。误差小，精度高。输出电范围为 [ -10V--+10V] ，引脚如下图3所示：

图3

AD7846 波形时序图：

图 4

 

 

 

 

8 ．振镜扫描控制板与升降台通信

振镜扫描控制板与升降台之间的通信是通过 RS232 通信接口实现的，

1 ）通信协议为：

2 ）发送的命令

 

命令	命令字节
升降台总复位命令	[74] ， [59]
向下走一层的命令	[90] ， [59]
设定层高命令	[72] ， [ 层高 ] ， [59]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 ．升降台控制原理图

下位机扫描振镜控制板采用了 1 片 MEGA16L 的 AVR 单片机，与几片 74HC04 与步进马达驱动器通信。根据振镜扫描控制板发送过来的走层控制命令和设定的层高，控制升降步进电机上下运动，当下降完一层后再驱动刮粉电机左右运动，在新的工作层上铺上固化的粉末。

控制上有一个四位的数码管用来显视工作的层数，一个三位的数码管用来显视层高的大小。

原理图为：

10． 步进马达细分驱动器 Q2HB44A(B)

Q2HB 44A (B) 为等角度恒力矩细分型驱动器，驱动电压 DC12-40V ，适配 6 或 8 出线电流在 4A 以下，外径 42 -86mm 的各种型号的二相混合式步进电机。该驱动器内部采用独特的控制电路，用此电路可以使电机噪音减小，电机运行更平衡，电机的高速性能可提高 30% 而驱动器的发热可减少 50% 。

特点

1．  高性能、低价格

2．  设有 12/8 档等角度恒力矩细分，最高 200 细分

3．  采用独特的控制电路

4．  最高反应频率可达 200Kpps

5．  步进脉冲停止超过 100ms 时，线圈电流自动减半

6．  双极恒流斩波方式

7．  光电隔信号输入／输出

8．  驱动电流从 0.5A ／相到 4A 相连续可调

9．  单电源输入，电压范围： DC12-40V

 

   Q2HB44MA （ B ）接线图：

图 5

   

引脚功能说明：

标记符号	功   能	注       释
TM	工作指示灯	TM 信号有效时，绿色指示灯点亮
O.H	故障指示灯	过热保护时线色发光管点亮
Im	电机线圈电流设定电位器	调整电机相电流，逆时针减小，顺时针增大
＋	输入信号光电隔离正端	接 +5V 供电电源 .+5V-+24V 均可驱动 , 高于 +5V 需接限流电阻 , 请 参见输入信号。
PU	D4=OFF ， PU 为步进脉冲信号	下降沿有效 , 每当脉冲由高变低时电机走一步。输入电阻 220 Ω，要求：低 电平 0 － 0.5V ，高电平 4 － 5V ，脉冲宽度 >2.5 μs
	D4=ON ， PU 为正向步进脉冲信号
DR	D4=OFF ， DR 为方向控制信号	用于改变电机转向。输入电阻 430 Ω，要求：低 电平 0 － 0.5V ，高电平 4 － 5V ，脉冲宽度 >200 μs
	D4=ON ， DR 为反向步进脉冲信号
SM	细分选择信号	低电平时按 D0-D3 设定的细分运行 ( 细分设定数见表 ) ；高电平时按四相八拍 ( 半步 ) 运行
MF	电机释放信号	有效（低电平）时关断电机线圈电流，驱动器停止工作，电机处于自由状态
TM	原点输出信号	电机线圈通电位于原点置为有效 (B 、 -A 通电 ) ；光电隔离输出 ( 高电平 )
FL	过热保护信号	驱动器温度高于 70 度时，自动关断线圈电流同时置 FL 为有效 ( 低电平 ) ，温度降至 50 度时驱动器自动恢复工作清除 FL 信号
-	输出信号公共地	TM 、 FL 信号光电隔离公共地端， FL 、 TM 端接输出信号限流电阻，最大驱动电流 50mA ，最高电压 50V
＋ V	电源正极	DC12 ～ 40V
－ V	电源负极
AC 、 BC	电机接线
＋ A 、－ A
＋ B 、－ B

输出信号波形时序图：

图 6

 

Q2HB44MA 细分表：

细分数

1

2

4

5

8

10

20

25

40

50

100

200

200

200

200

200

D0

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

ON

OFF

D1

ON

ON

OFF

OFF

ON

ON

OFF

OFF

ON

ON

OFF

OFF

ON

ON

OFF

OFF

D2

ON

ON

ON

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

ON

ON

ON

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

D3

ON

ON

ON

ON

ON

ON

ON

ON

OFF

OFF

OFF

OFF

OFF

OFF

OFF

OFF

D4

ON ：双脉冲： PU 为正向步进脉冲信号， DR 为反向步进脉冲信号

OFF ：单脉冲： PU 为步进脉冲信号， DR 为方向控制信号

D5

自检测开关 (OFF 时接收外部脉冲， ON 时驱动器内部发 7.5KHz 脉冲 )

表 3

 

 

 

 

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