基于μC/OS Ⅱ的三維打印機的控制系統研究

　　憑借μC/OS Ⅱ靈活的任務間通信的能力，采用消息郵箱Mbox從數據生成任務中將打印數據傳送給打印任務。在不同任務中，將暫時不需要工作的任務掛起，而將需要工作的任務恢復運行，圓滿地實現了三維打印的快速、精確控制。

　　0 引言

　　三維打印制造是近年來快速制造領域的熱點技術之一，根據本小組的研究，采用μC/OSⅡ操作系統開發三維打印機，能夠將打印機的各項工作分解為不同的任務，每個任務完成特定的一些工作，從程序模塊的劃分上，任務明確，層次清晰。其中關鍵是不同任務之間的同步與通信，憑借μC/OS Ⅱ系統靈活的任務間通信的能力，經過精心設計和調試，圓滿地實現了任務間的通信。使各個任務協調一致、有條不紊的工作，實現了三維打印的快速、精確控制。

　　1 三維打印原理與控制系統簡介

　　三維打印機的打印頭固定在一個確定的高度上，打印的零件處在打印頭下面的工作臺上，對零件從最底層往上進行逐層打印，打印完一層，工作臺下移一層，再打印零件的上一層。工作臺上下移動稱為Z 向移動，由一個控制Z 向運動的電機驅動，在打印一個零件時，有兩個送絲電機，一個送粗絲，用于基礎骨架打印，另一個送細絲，用于零件精細部分的打印。打印前在PC計算機上對零件進行三維打印的數據處理，將零件分為若干層，每層厚度為Δh，每層按照最優方向劃分為若干緊密相鄰的剖面線，打印機打印的就是這些剖面線。打印確定的一層時，打印頭的運動是一個二維平面運動，每一條線的打印，都是由X 方向的驅動電機和Y 方向的驅動電機協同工作，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個電機及2個送絲電機共計5個電機的實時控制，才能實現三維打印。因此三維打印可以視為一個五軸聯動系統。

　　對其控制系統研究的結果是，采用目前ARM 最新版本V7架構的ARM Cortex M3作為主控器的CPU是很好的一個選擇。這里選用的就是基于ARM Cortex M3 內核的由意法半導體出品的STM32F103VE6T，該MCU 為32 位，主頻72 MHz，內含512 KB的FLASH閃存，可以存放多達512 KB 的程序代碼，有64 KB RAM，8 個多功能定時器。片內其他資源豐富，其速度和資源能很好地滿足三維打印機的控制要求。選用了5個通用定時器分別作為X、Y、Z 方向運動電機和2個送絲電機的控制器，選用定時器T6作為每條線段打印的總時間定時器。在對幾種嵌入式操作系統進行比較后，選用了實時性最好、代碼量最小、功能強大的μC/OS Ⅱ系統。在Keil集成仿真平臺上完成了軟件與硬件系統的設計開發與調試。

　　2 三維打印任務劃分

　　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個定時器的初始化、打印頭初始位置確定、打印頭預熱、打印模式設置等。

　　打印過程中的工作劃分為四個用戶任務，具體內容見表1.

　　再加上兩個系統任務--空閑任務OSIdleTask（）和統計任務OSStatTask（），一共有6個任務在系統中運行。