基于μC/OS Ⅱ的三維打印機(jī)的控制系統(tǒng)研究

　　憑借μC/OS Ⅱ靈活的任務(wù)間通信的能力，采用消息郵箱Mbox從數(shù)據(jù)生成任務(wù)中將打印數(shù)據(jù)傳送給打印任務(wù)。在不同任務(wù)中，將暫時(shí)不需要工作的任務(wù)掛起，而將需要工作的任務(wù)恢復(fù)運(yùn)行，圓滿地實(shí)現(xiàn)了三維打印的快速、精確控制。

　　0 引言

　　三維打印制造是近年來快速制造領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一，根據(jù)本小組的研究，采用μC/OSⅡ操作系統(tǒng)開發(fā)三維打印機(jī)，能夠?qū)⒋蛴C(jī)的各項(xiàng)工作分解為不同的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)完成特定的一些工作，從程序模塊的劃分上，任務(wù)明確，層次清晰。其中關(guān)鍵是不同任務(wù)之間的同步與通信，憑借μC/OS Ⅱ系統(tǒng)靈活的任務(wù)間通信的能力，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和調(diào)試，圓滿地實(shí)現(xiàn)了任務(wù)間的通信。使各個(gè)任務(wù)協(xié)調(diào)一致、有條不紊的工作，實(shí)現(xiàn)了三維打印的快速、精確控制。

　　1 三維打印原理與控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　三維打印機(jī)的打印頭固定在一個(gè)確定的高度上，打印的零件處在打印頭下面的工作臺(tái)上，對(duì)零件從最底層往上進(jìn)行逐層打印，打印完一層，工作臺(tái)下移一層，再打印零件的上一層。工作臺(tái)上下移動(dòng)稱為Z 向移動(dòng)，由一個(gè)控制Z 向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在打印一個(gè)零件時(shí)，有兩個(gè)送絲電機(jī)，一個(gè)送粗絲，用于基礎(chǔ)骨架打印，另一個(gè)送細(xì)絲，用于零件精細(xì)部分的打印。打印前在PC計(jì)算機(jī)上對(duì)零件進(jìn)行三維打印的數(shù)據(jù)處理，將零件分為若干層，每層厚度為Δh，每層按照最優(yōu)方向劃分為若干緊密相鄰的剖面線，打印機(jī)打印的就是這些剖面線。打印確定的一層時(shí)，打印頭的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)二維平面運(yùn)動(dòng)，每一條線的打印，都是由X 方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和Y 方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)同工作，完成一條線的打印。這樣逐條線打印直到打印完本層的所有線條，就完成了本層的打印。這樣，共需要X 向、Y 向、Z 向3個(gè)電機(jī)及2個(gè)送絲電機(jī)共計(jì)5個(gè)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，才能實(shí)現(xiàn)三維打印。因此三維打印可以視為一個(gè)五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。

　　對(duì)其控制系統(tǒng)研究的結(jié)果是，采用目前ARM 最新版本V7架構(gòu)的ARM Cortex M3作為主控器的CPU是很好的一個(gè)選擇。這里選用的就是基于ARM Cortex M3 內(nèi)核的由意法半導(dǎo)體出品的STM32F103VE6T，該MCU 為32 位，主頻72 MHz，內(nèi)含512 KB的FLASH閃存，可以存放多達(dá)512 KB 的程序代碼，有64 KB RAM，8 個(gè)多功能定時(shí)器。片內(nèi)其他資源豐富，其速度和資源能很好地滿足三維打印機(jī)的控制要求。選用了5個(gè)通用定時(shí)器分別作為X、Y、Z 方向運(yùn)動(dòng)電機(jī)和2個(gè)送絲電機(jī)的控制器，選用定時(shí)器T6作為每條線段打印的總時(shí)間定時(shí)器。在對(duì)幾種嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行比較后，選用了實(shí)時(shí)性最好、代碼量最小、功能強(qiáng)大的μC/OS Ⅱ系統(tǒng)。在Keil集成仿真平臺(tái)上完成了軟件與硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)與調(diào)試。

　　2 三維打印任務(wù)劃分

　　所有需要在打印之前就完成的工作，全部放在初始化部分完成，例如I/O 口的初始化、串行通信初始化、LCD顯示器初始化、打印控制所需的6個(gè)定時(shí)器的初始化、打印頭初始位置確定、打印頭預(yù)熱、打印模式設(shè)置等。

　　打印過程中的工作劃分為四個(gè)用戶任務(wù)，具體內(nèi)容見表1.

　　再加上兩個(gè)系統(tǒng)任務(wù)--空閑任務(wù)OSIdleTask（）和統(tǒng)計(jì)任務(wù)OSStatTask（），一共有6個(gè)任務(wù)在系統(tǒng)中運(yùn)行。