合肥工业大学机械工程学院，合肥，230009
关键词：3D打印；预处理；前瞻算法；速度规划
0引言传统方法中，当一个三维模型需要打印时，首先由三维建模软件或设备建立一个三维模型，然后将三维模型文件转换成目前大多数3D打印机系统通用的STL格式，再经过切片软件将三维模型按照用户设定的层高将模型切成一层层的截面进而对每一层截面进行路径规划，最后生成3D打印机通用的格式G代码文件输入到3D打印机进行打印[1-2]。3D打印机的控制系统Marlin在处理G代码时，需要经过字符串识别命令并转换提取数值，接着执行相对应的工作[3]，当G代码命令为直线移动时，则须执行直线坐标运算、直线轨迹规划及连接速度计算等运算；控制系统在打印过程中还要处理中断、温度检测、加热温度控制及打印头移动控制等任务[4]。Marlin系统及其他开源3D打印机控制系统，目前只支持单核处理器，只能应付目前的工作需求，若在产品开发过程中增加新功能导致处理器无法负担时，只有使用更快更好的处理器来回应，这就限制了3D打印机日后的发展。
本文研究的3D打印机G代码预处理机制架构采用间接打印的方式。当切层软件将STL文件转换成G代码后，先经由本文研究开发的G代码预处理程序预先处理转换成自行定义的GPRE格式文档，存储于PC机中，再通过串口输入到打印机中进行打印，因此，本文研究的3D打印机G代码预处理架构分为两大部分：
(1)PC端的G代码预处理程序负责将G代码文件预先进行路径规划后，输出成本文自行定义的预处理文件GPRE文件。
(2)在熔融沉积成形(fuseddepositionmodeling,FDM)3D打印机端将Marlin系统固件修改成一个不需执行路径规划运算的软件系统。
一般3D打印机在打印零件时是一边编译G代码一边执行打印，所以G代码的预处理就是将原本由3D打印机控制系统Marlin所需处理的G代码程序移出至PC端先行编译，然后输入至打印机执行打印。由于在原来的Marlin中打印时G代码文件的处理都是依序读入命令及运算处理再存入队列架构的块缓冲器中，等待电机驱动程序提取，加上运算时绝大部分的运算参数皆为固定参数或是由前次运算产生，所以G代码的预处理程序就是将一部分处理程序由3D打印机的控制系统“移植”到PC端由软件来处理。
预处理程序工作可分为文件输入与输出、指令分析与字符转换、指令运算处理3个部分，工作流程见图1。
图1G代码预处理程序流程图Fig.1Gcodepreprocessflowchart
(1)文件的输入与输出。当预处理程序开始时，会先根据输入的文件名开启文件，并建立文件名相同、后缀名为GPRE的预处理文件，并将预处理的结果存入该文件中。
(2)指令分析与字符转换。以“行”为单位读取文件内容并分析，首先判断该行的指令类别，对G预备功能指令或M辅助功能指令分别进行处理；若为G预备功能指令，那么接着将由字符组成的G代码指令中代表数值的部分转换成数值，再将所转出的功能参数分别存入相应的暂存器中，供指令运算处理提取使用。
(3)指令运算处理。当代码指令分析完成后，根据指令的不同进入各自的处理程序，并进行判断。①若为G预备功能命令，则进入预备功能处理程序，再根据不同命令分别作如下不同处置：若G为G0或G1指令，由于G0和G1基本功能类似，G0和G1指令在Marlin中被视为同一功能，因此在执行预处理时，也被视为同一功能，首先提取代表各移动轴移动的目标点位置及移动速度参数，再开始进行路径规划，计算各轴电机移动参数，运算结果按照本文规划的文件封包格式存入预处理文件中；若为G92指令，则根据指令参数重设该轴位置参数，下次运算时会以新位置参数来计算移动位置。②若为M辅助功能命令，则进入辅助功能处理程序，由于辅助功能命令是作为变更内部系统设定及动作的功能命令，无需预处理，因此所有辅助功能命令都是按照规划的文件格式，直接转换成数值封包存入预处理文件中的。
分析3D打印G代码文件时会发现，打印指令绝大部分都是由G1指令构成的，因此G代码预处理的工作重点就是连续的直线路径规划。直线路径规划的工作是输入各轴目标位置及目前速度后，计算目前位置移动到下一个位置时，控制步进电机动作所需的各项参数。由于步进电机在启动时速度不能太大，必须要有一个加速过程，因此在G代码文件预处理时，要规划加减速算法，本文经过综合考虑，采用梯形加减速速度控制算法。经计算产生的参数及说明见表1，表1中的步数是指步进电机转动一个步距角时，驱动执行机构所移动的直线位移。
由于预处理程序主要做G代码路径规划的预先计算处理，所以本文将G代码预处理后文件数据结构分为两类：一类是路径规划运算完成后所产生的数据，另一类是不经运算处理直接转换成数据的状态控制及辅助功能指令所产生的数据。这两类数据封包格式分别为：①直线轨迹计算文件封包格式，用于记录路径规划运算完成后所产生的数据，封包大小为84字节；②状态控制及辅助功能指令封包格式，用于记录不经运算处理直接转换成数据的指令，封包大小为12字节。本文规划了开头码与结束码作为每一段封包的识别标记。
表1采用梯形加减速控制算法的直线轨迹参数
Tab.1Linetrajectoryparametersoftrapezoidalacc./dec.controlalgorithm
序号名称含义1StepXX轴电机移动所需步数2StepYY轴电机移动所需步数3StepZZ轴电机移动所需步数4StepE送料电机移动所需步数5StepEventCountX、Y、Z及送料电机最大移动步数6Accelerateuntil加速移动停止时步数7Decelerateafter减速移动开始时步数8Directionbits4个轴移动方向,1反向,0正向9NominalSpeed指令速度(mm/s)10Entryspeed上一个块进入速度(mm/s)11Maxentryspeed最大进入速度(mm/s)12Millimeters本次移动总行程(mm)13Acceleration移动加速度(mm/s2)14Nominallengthflag能否达到指令速度的标志15Nominalrate指令速率(步数/s)16Initialrate初始速率(步数/s)17Finalrate退出速率(步数/s)18Extruderrate挤料速率(步数/s)19Acceleratest加速率(步数/s2)
为了保证大量微小线段的连续运行，避免在运动过程中出现停顿，G代码预处理程序必须具备对多段微小线段进行预读的前瞻控制功能，提前优化相邻程序段转接处速度和判别减速区域[5]，实现程序转折和减速区域的平滑过渡，从而避免冲击，提高打印成形质量。前瞻控制通过提前检查将在某一特定程序段内执行的数据，以验证控制系统能否处理所要求的路径，如果检查结果显示存在问题，就要对程序指令中速度进行修正，包括相邻程序段转接处速度优化算法、反向速度规划算法及熔丝挤出速度优化算法等。
1.3.1相邻程序段转接处速度优化算法
相邻程序段间是具有连续性的，加工过程中，程序段间的过渡速度也应该是连续变化的。由于相邻程序段转接点处速度大小甚至方向都可能产生突变，因此需要对相邻程序段的转接处进行速度平滑处理，使运动能够在转接处平稳过渡，满足打印精度要求。本文采用的算法如下：将相邻程序段通过圆弧过渡，如图2所示，假设打印头做圆周运动时，角速度为ω，则线速度v=Rω，加速度a=Rω2，所以只要知道圆周半径R，就可以得到连接线速度v。
已知
则
式中，δ为图2中OA的长度，本文预设δ=0.1mm；θ为相邻路径段之间的夹角，即第一条路径段终点处的进给方向与第二条路径段起点处的进给方向之间的夹角。
图2连接速度计算示意图Fig.2Schematicdiagramofconnectionspeedcalculation
1.3.2反向速度规划算法
对于单个线性程序段来说，在插补过程中需要提前预测减速点，确定何时进入减速区域，从而保证在系统运行到终点时，速度达到预定值[6]。切片软件生成的G代码多为微线段，对于连续微线段的插补，由于线段长度很短，则减速点可能在上一个程序段中,甚至在转接点之前多个程序段中，因此在插补过程中仅仅保证本程序段终点速度没有超过最高限速是不行的。并且由于没有预见到后面的减速情况，可能在插补到某个程序段处，基于减速能力的限制，系统无法减速到该程序段终点限制速度，从而产生过冲。
本文为了保证在打印过程中不产生过冲，G代码预处理程序采用对所预读的程序段进行反向速度规划的方式进行速度规划。该过程从预读程序段的最后一段Nn开始反向计算各段程序Nj(j=1,2,…,n)所允许的最大初速度，具体计算方法是根据每段给定的末速度ve及运动距离s，以梯形加减速作为速度曲线进行倒推，求得最大初速度vs，并将计算出的第Nj段允许的最大初速度作为第Nj-1段的最大允许末速度。
1.3.3熔丝挤出速度优化算法
切层软件生成的G代码程序熔丝挤出速率一般为恒定的，然而，沿着刀具路径的切向速度并不是保持恒定的，在接近程序段转接处要减速，通过程序段转接处又要加速，导致的结果是多余的熔料可能沉积在相邻路径转接处[7]。
由于本文采用了预处理机制，从而需对Marlin固件程序作部分修改，使得Marlin能够接收及处理预处理程序完成的文件。由于原始Marlin文件的G代码处理程序并非只处理打印时的G代码文件，还包含系统工作时通过下达G代码指令的方式执行系统参数变更等工作，所以无法直接使用预处理程序取代原有的G代码处理程序。本文采用两者并存的方式，额外增加预处理机制以处理GPRE文件，并保留原有的工作模式，只在进行文件读取时增加了文件类型的判别及处理，而对原有的处理程序并未作任何改变。
预处理机制的Marlin文件处理程序如图3所示，G代码文件处理流程部分与原来相同。而新增加的GPRE文件处理部分则分为两个部分，分别为文件封包的读取及文件封包的处理。
图3预处理机制文件处理程序Fig.3Preprocessingmechanismfileprocessingprocedure
(1)文件封包的读取。在Marlin原来的读取程序上，增加读取文件类型判断，若为GPRE文件则会进入封包接收模式读取封包资料，并在接收完成后存入为预处理机制新增加的缓冲区中，等待封包处理程序提取。
本文将G代码文件结构分为打印前准备、打印中及打印结束3个部分，分别分析如下。
(1)打印前准备。多为设定指令，用于打印前设定各项参数等工作。
(2)打印中。大多由直线移动指令组成，还有些风扇设定指令，用于控制打印时的风量及开关。
图4处理程序执行三阶段Fig.4Threestagesofprocessingprogramexecution
本文采用相同打印材料及工况，使用原始机制及G代码预处理机制分别实际打印同一个三维模型，打印结果如图6所示。就打印品质来说，经过G代码预处理后，作品品质有了一定的提升,主要表现在图6b作品的轮廓更完整，外观平整度更好，在轮廓转接处没有多余熔料堆积，这主要归结于图6b作品在预处理机制中使用了前瞻控制算法。
(a)原始机制(b)G代码预处理机制图6实际打印作品Fig.6Actualprintingworks
本文在原有3D打印机控制系统Marlin固件文件处理架构上加以变化，提出将G代码于PC端进行预处理后再输入3D打印机中进行打印操作，实验测量和实际打印结果表明，此方法改善了打印品质，同时提升了文件处理的速度及效率，减少了打印机处理器系统负担并可为控制系统留下更多的扩展空间。
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GCodePreprocessingOptimizationAlgorithmfor3DPrintersYUDaoyang
SchoolofMechanicalEngineering,HefeiUniversityofTechnology，Hefei，230009
Abstract:Inordertobreakthelimitationsoftheoriginalfileprocessingmodeoftheexisting3Dprintercontrolsystems,amethodofpreprocessingtheGcodesonthePCsideinadvancewasproposed.Intheprogrampreprocessingprocesses,theforwardcontrolandspeedplanningofmultiplesegmentswerecarriedoutatthesametime.Afterfinishingthepreprocessing,theoutputdataweresenttothe3Dprintersforexecutingprinting.Themethodsreducetheloadsofthe3DprinterprocessorsandobtainmoreoptimizedcalculationresultsthroughPC-sidepreprocessing.Finallyexperimentalmeasurementdataprovethat,theGcodepreprocessingmethodssavetheprocessingtimeoftheprinterprocessorsandimprovetheprintingqualitycomparedwiththetraditionalGcodeprocessingmethods.
Keywords:3Dprint;preprocessing;look-aheadalgorithm;speedplanning
中图分类号：TG659
DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2019.01.012
开放科学(资源服务)标识码(OSID)：
收稿日期：2018-01-29
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275147)；合肥工业大学博士基金资助项目(JZ2015HGBZ0094)
(编辑王艳丽)
作者简介：余道洋，男，1977年生，助理研究员、博士。研究方向为数字化设计与制造，高速高精度加工。E-mail:ydy1028@163.com。