SLS激光快速成型技術總結
1. SLS激光快速成型機工作原理
SLS激光快速成型機主要由光、機、電三大部分組成，系統組成見圖1。它是採用計算機分級控制技術進行工作的。首先由上位機（個人電腦PC機），採用PRO-E軟件繪圖三維立體圖，生成STL文件，然後採用分層算法，把三維立體分層爲約幹個矢量平面圖，從最底層的矢量圖開始由LPT1打印機接口把矢量數據傳遞給下位機（單片機），單片機將此參數按圖形要求將圖形數據分解爲不同的節拍信號輸出動各電路驅動模塊中，控制快速XY掃描振鏡，引導激光光束進進行掃描固化。當掃描完一層後，單片機模塊發出指示控制升降臺向下移動一個層高的距離，並左右移動刮粉機在新的一層上加上固化的粉末，再傳輸下一層矢量的圖形數據進行掃描，一直循環直到所有的矢量圖都掃描完畢，這樣就生成了一個立體模型。
圖1
2．PRO/E繪圖軟件的介紹
Pro/ENGINEER (簡稱Pro/E)是美國PTC公司於1988年推出的參數化建模軟件,歷經十幾年的發展和完善,已經有了20多個升級版本,（我們所採用的是2003野火版，Pro/ENGINEER Wildfire)並且功能也延伸到CAM及CAE領域，成爲國內模具設計行業中廣泛應用的3D設計軟件之一。
我們先在Pro/E軟件中畫好了立體圖形，然後在工件底部建立合適的分層座標，再輸出保存副本爲STL文件，在保存STL文件時選擇剛纔建立的分層座標，點選ASCII格式。點確定生成STL文件。輸出STL文件我們可以看到實體圖變爲有許多網格組成的圖形,我們分層就是從這些網格圖入手的。
如圖所示：
圖2 （建立分層座標）
圖4 (實體的網格圖)
圖3 (輸出STL文件)
3．STL文件的格式
輸出了STL文件後，我們可以用寫字板打開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
文件第一行爲文件的名標: 實體019
緊接着就是實體的所有網格面的端點座標。
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
就表示這是工體的其中一個組成網格面，網格面的三個端點座標分別爲：
（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)
數據的大小是同PRO/E軟件設計時定的尺寸大小1比1。
這樣讀入所有的網格面，就可以採用分層算法對實體工件進行分層了。
4．立體模具的分層算法
對立體文件*.STL，進行分層。算法如下：
1）讀入所有網格的面（面由三個空間構成）。(XA,YA,ZA) (XB,YB,ZB) (XC ,YC,ZC)
並調整端點順序，使ZA>=ZB>=ZC。
2）找出Z值最大和最小的端點，找到立體最底面，最高面。並定義工件面在最底層開始。
3）求所有網格面與工作面相交的交線
求法：網格面由三個點定義，也就是三條線段構成。求該網格面與工作面的交線。
設定網格面爲：(XA,YA,ZA) （XB,YB,ZB） (XC,YC,ZC)
其中，ZA>=ZB>=ZC
設定工作面：Z=ZW
那網格面的線爲：
線段1： (XA,YA,ZA)--------(XB,YB,ZB)
線段2： (XA,YA,ZA)--------(XC,YC,ZC)
線段3： (XB,YB,ZB)--------(XC,YC,ZC)
空間直線方程：(x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p
l 當ZB〈ZW〈=ZA時：
空間平面Z=ZW與線段1的交點爲：
空間直線方程：(x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p
求得線段1的參數爲：
m=XA-XB
n=YA-YB
求得交點座標爲：(XTZ0,YTZ0,ZTZ0)
XTZ0=(ZW-ZB)/(ZA-ZB)*(XA-XB)+XB
YTZ0=(ZW-ZB)/(ZA-ZB)*(YA-YB)+YB
ZTZ0=ZW
空間平面Z=ZW與線段2的交點爲：
空間直線方程：(x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p
求得線段2的參數爲：
m=XA-XC
n=YA-YC
p=ZA-ZC
求得交點座標爲：(XTZ1,YTZ1,ZTZ1)
XTZ1=(ZW-ZC)/(ZA-ZC)*(XA-XC)+XC
YTZ1=(ZW-ZC)/(ZA-ZC)*(YA-YC)+YC
ZTZ1=ZW
l 當ZC〈ZW〈=ZB
空間平面Z=ZW與線段3的交點爲：
空間直線方程：(x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p
求得線段3的參數爲：
m=XB-XC
n=YB-YC
求得交點座標爲：(XTZ2,YTZ2,ZTZ2)
XTZ2=(ZW-ZC)/(ZB-ZC)*(XB-XC)+XC
YTZ2=(ZW-ZC)/(ZB-ZC)*(YB-YC)+YC
ZTZ2=ZW
空間平面Z=ZW與線段2的交點爲：
空間直線方程：(x-x0)/m=(y-y0)/n=(z-z0)/p
求得線段2的參數爲：
m=XA-XC
n=YA-YC
p=ZA-ZC
求得交點座標爲：(XTZ3,YTZ3,ZTZ3)
XTZ3=(ZW-ZC)/(ZA-ZC)*(XA-XC)+XC
YTZ3=(ZW-ZC)/(ZA-ZC)*(YA-YC)+YC
ZTZ3=ZW
從而求得網格面與工作面Z=ZW的交線爲:
[(XTZ0,YTZ0,ZTZ0),(XTZ1,YTZ1,ZTZ1)]---[(XTZ2,YTZ2,ZTZ2),(XTZ3,YTZ3,ZTZ3)]
4）調整走線的循序，先走端點最近的交線段
當走完第一條交線後，尋找端點最近的交線段
disxy=sqr((xtz1(i)-xtz0(I+1))^2+(ytz1(i)-ytz0(I+1))^2)
尋找disxy最小的點。
5．電腦驅動軟件設計
軟件的介面如下圖所示：
圖５（立體模具快速成型軟件介面）
軟件介面主要分爲兩個區域。左邊的圖形區，用來顯視當前工作層的圖形外框。右邊爲參數設定區，用來設定工作時的
l 速度：工作時掃描振鏡的掃描的速度。
l 功率：工作時激光的功率大小。
l 掃描密度：當鉤選了[選擇掃描]選項時軟件就會自動對對圖形進行田充掃描。
l 放大倍數：可以設定圖形的放大比例。
l 掃描方式：設定圖形田充掃描方式，可以是180度或者90度掃描田充。
l 總層數：顯視工件的分層總層數。
l 工作層：顯視當前的工作層數。
軟件介面下方爲控制按制鍵，
l [打開]：可以打開需要分層的文件[STL文件]、已經分層好的文件[LEO文件]或者並面打示文[PLT文件]。當打開PLT並面打標文件時，軟件會自動進入平面打標軟件的介面如圖3所示。
l [分層]：當打開了STL文件時，點[分層]按鍵，就會開始分層，分層開始時會要求輸入分層的保存文件名，即保存分層的LEO文件，分層完畢後會顯視分層的總層數。
l [復位]：爲機器回到起始的復位
l [成型]：機器復位後就可以進行[成型]操作，機器就會全自動完成快速成型。
l [暫停]：在工作過程中可以[暫停]。
l [停止]：在工作過程中可以[停止]機器。
l [退出]：成型完畢後[退出]軟件。
圖５（平面打標軟件介面）
6．數據傳輸協議
上位機的圖形數據通過輸出動態連接庫winio.dll中的SetPortVal(ByVal PortAddr As Integer, ByVal PortVal As Long, ByVal bSize As Byte)函數由ECP打印機口輸出，輸出的數據傳輸數據格式爲ASCII格式，通過正反碼校檢。通信協議爲：
ECP打印機口引腳定義爲下表1所示。
引腳定義
|
腳號 |
名稱 |
說明 |
|
1 |
選通 |
選通信號，低電平有效 |
|
2 |
數據位0 |
數據位0 |
|
3 |
數據位1 |
數據位1 |
|
4 |
數據位2 |
數據位2 |
|
5 |
數據位3 |
數據位3 |
|
6 |
數據位4 |
數據位4 |
|
7 |
數據位5 |
數據位5 |
|
8 |
數據位6 |
數據位6 |
|
9 |
數據位7 |
數據位7 |
|
10 |
應答 |
接收到數據後發出應答，低電平有效 |
|
11 |
忙 |
打印機忙，低電平有效 |
|
12 |
紙用完 |
紙用完，高電平有效 |
|
13 |
連接 |
打印機連接好 |
|
14 |
自動進紙 |
自動進紙 |
|
15 |
錯誤 |
錯誤，低電平有效 |
|
16 |
復位 |
打印機復位 |
|
17 |
接入 |
接入 |
|
18~25 |
地 |
地 |
表1
7．下位機掃描振鏡控制板原理
下位機掃描振鏡控制板採用了兩片MEGA16L的AVR單片機，與幾片74系列的數字電路芯片用來響應ECP打印機接口的信號。
其中一片MEGA16L蕊片用來接收打印機口的數據儲存在緩衝區，並與升降臺通信控制升降臺的升降和刮粉機的動作。另一片MEGA16L用來驅動數模轉換輸出模擬信號到671振鏡驅動板驅動XY振鏡的掃描，併產生0%--100%的脈寬信號控制激光輸出功率大小。而74HC04、74HC74和74HC86用來響應ECP打印機接口相關信號。原理如下圖所示：
數模轉換電路模塊
數模轉換蕊片採用了AD7846，16位高速數模轉換蕊片面性。誤差小，精度高。輸出電範圍爲[-10V--+10V]，引腳如下圖3所示：
圖3
AD7846波形時序圖：
圖4
8．振鏡掃描控制板與升降臺通信
振鏡掃描控制板與升降臺之間的通信是通過RS232通信接口實現的，
1）通信協議爲：
2）發送的命令
|
命令 |
命令字節 |
|
升降臺總復位命令 |
[74]，[59] |
|
向下走一層的命令 |
[90]，[59] |
|
設定層高命令 |
[72]，[層高]，[59] |
9．升降臺控制原理圖
下位機掃描振鏡控制板採用了1片MEGA16L的AVR單片機，與幾片74HC04與步進馬達驅動器通信。根據振鏡掃描控制板發送過來的走層控制命令和設定的層高，控制升降步進電機上下運動，當下降完一層後再驅動刮粉電機左右運動，在新的工作層上鋪上固化的粉末。
控制上有一個四位的數碼管用來顯視工作的層數，一個三位的數碼管用來顯視層高的大小。
原理圖爲：
10．步進馬達細分驅動器Q2HB44A(B)
Q2HB44A (B)爲等角度恆力矩細分型驅動器，驅動電壓DC12-40V，適配6或8出線電流在4A 以下，外徑42-86mm 的各種型號的二相混合式步進電機。該驅動器內部採用獨特的控制電路，用此電路可以使電機噪音減小，電機運行更平衡，電機的高速性能可提高30%而驅動器的發熱可減少 50%。
特點
1． 高性能、低價格
2． 設有12/8檔等角度恆力矩細分，最高200細分
3． 採用獨特的控制電路
4． 最高反應頻率可達200Kpps
5． 步進脈衝停止超過100ms時，線圈電流自動減半
6． 雙極恆流斬波方式
7． 光電隔信號輸入／輸出
8． 驅動電流從0.5A／相到4A相連續可調
9． 單電源輸入，電壓範圍：DC12-40V
Q2HB44MA（B）接線圖：
圖5
引腳功能說明：
|
標記符號 |
功 能 |
注 釋 |
|
TM |
工作指示燈 |
TM信號有效時，綠色指示燈點亮 |
|
O.H |
故障指示燈 |
過熱保護時線色發光管點亮 |
|
Im |
電機線圈電流設定電位器 |
調整電機相電流，逆時針減小，順時針增大 |
|
＋ |
輸入信號光電隔離正端 |
|
|
PU |
D4=OFF，PU爲步進脈衝信號 |
下降沿有效,每當脈衝由高變低時電機走一步。輸入電阻220Ω，要求：低電平0－0.5V，高電平4－5V，脈衝寬度>2.5μs |
|
D4=ON，PU爲正向步進脈衝信號 | ||
|
DR |
D4=OFF，DR爲方向控制信號 |
用於改變電機轉向。輸入電阻430Ω，要求：低電平0－0.5V，高電平4－5V，脈衝寬度>200μs |
|
D4=ON，DR爲反向步進脈衝信號 | ||
|
SM |
細分選擇信號 |
低電平時按D0-D3設定的細分運行(細分設定數見表)；高電平時按四相八拍(半步)運行 |
|
MF |
電機釋放信號 |
有效（低電平）時關斷電機線圈電流，驅動器停止工作，電機處於自由狀態 |
|
TM |
原點輸出信號 |
電機線圈通電位於原點置爲有效(B、-A通電)；光電隔離輸出(高電平) |
|
FL |
過熱保護信號 |
驅動器溫度高於70度時，自動關斷線圈電流同時置FL爲有效(低電平)，溫度降至50度時驅動器自動恢復工作清除FL信號 |
|
- |
輸出信號公共地 |
TM、FL信號光電隔離公共地端，FL、TM端接輸出信號限流電阻，最大驅動電流50mA，最高電壓50V |
|
＋V |
電源正極 |
DC12～40V |
|
－V |
電源負極 | |
|
AC、BC |
電機接線 |
|
|
＋A、－A | ||
|
＋B、－B |
輸出信號波形時序圖：
圖6
Q2HB44MA細分表：
|
細分數 |
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：雙脈衝：PU爲正向步進脈衝信號，DR爲反向步進脈衝信號 | |||||||||||||||
|
OFF：單脈衝：PU爲步進脈衝信號，DR爲方向控制信號 | ||||||||||||||||
|
D5 |
自檢測開關(OFF時接收外部脈衝，ON時驅動器內部發7.5KHz脈衝) | |||||||||||||||
表3