基于μC-OS Ⅱ的三维打印机的控制系统研究.doc

基于C/OS 的三维打印机的控制系统研究凭借C/OS 灵活的任务间通信的能力，采用消息邮箱Mbox从数据生成任务中将打印数据传送给打印任务。在不同任务中，将暂时不需要工作的任务挂起，而将需要工作的任务恢复运行，圆满地实现了三维打印的快速、精确控制。0 引言三维打印制造是近年来快速制造领域的热点技术之一，根据本小组的研究，采用C/OS操作系统开发三维打印机，能够将打印机的各项工作分解为不同的任务，每个任务完成特定的一些工作，从程序模块的划分上，任务明确，层次清晰。其中关键是不同任务之间的同步与通信，凭借C/OS 系统灵活的任务间通信的能力，经过精心设计和调试，圆满地实现了任务间的通信。使各个任务协调一致、有条不紊的工作，实现了三维打印的快速、精确控制。1 三维打印原理与控制系统简介三维打印机的打印头固定在一个确定的高度上，打印的零件处在打印头下面的工作台上，对零件从最底层往上进行逐层打印，打印完一层，工作台下移一层，再打印零件的上一层。工作台上下移动称为Z 向移动，由一个控制Z 向运动的电机驱动，在打印一个零件时，有两个送丝电机，一个送粗丝，用于基础骨架打印，另一个送细丝，用于零件精细部分的打印。打印前在PC计算机上对零件进行三维打印的数据处理，将零件分为若干层，每层厚度为h，每层按照最优方向划分为若干紧密相邻的剖面线，打印机打印的就是这些剖面线。打印确定的一层时，打印头的运动是一个二维平面运动，每一条线的打印，都是由X 方向的驱动电机和Y 方向的驱动电机协同工作，完成一条线的打印。这样逐条线打印直到打印完本层的所有线条，就完成了本层的打印。这样，共需要X 向、Y 向、Z 向3个电机及2个送丝电机共计5个电机的实时控制，才能实现三维打印。因此三维打印可以视为一个五轴联动系统。对其控制系统研究的结果是，采用目前ARM 最新版本V7架构的ARM Cortex M3作为主控器的CPU是很好的一个选择。这里选用的就是基于ARM Cortex M3 内核的由意法半导体出品的STM32F103VE6T，该MCU 为32 位，主频72 MHz，内含512 KB的FLASH闪存，可以存放多达512 KB 的程序代码，有64 KB RAM，8 个多功能定时器。片内其他资源丰富，其速度和资源能很好地满足三维打印机的控制要求。选用了5个通用定时器分别作为X、Y、Z 方向运动电机和2个送丝电机的控制器，选用定时器T6作为每条线段打印的总时间定时器。在对几种嵌入式操作系统进行比较后，选用了实时性最好、代码量最小、功能强大的C/OS 系统。在Keil集成仿真平台上完成了软件与硬件系统的设计开发与调试。2 三维打印任务划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显示器初始化、打印控制所需的6个定时器的初始化、打印头初始位置确定、打印头预热、打印模式设置等。打印过程中的工作划分为四个用户任务，具体内容见表1.再加上两个系统任务-空闲任务OSIdleTask（）和统计任务OSStatTask（），一共有6个任务在系统中运行。