基于μC/OS Ⅱ的三维打印机的控制系统研究

　　凭借μC/OS Ⅱ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μC/OSⅡ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μC/OS Ⅱ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Δh，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μC/OS Ⅱ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。