基于STM32礦用3D打印機(jī)

李道龍　張超　錢程

【摘 要】3D打印潮流正迅速影響各行各業(yè)，在此涉及到一款以STM32為控制核心，礦用的3D打印機(jī)，能夠在短時(shí)間內(nèi)快速成型，并且使用模糊PID控制對(duì)打印機(jī)內(nèi)部的各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行處理，用于煤礦的日常工作當(dāng)中。

【關(guān)鍵詞】STM32；3D printer；模糊PID

【Abstract】3D printing trend is rapidly affect all walks of life， this relates to a control core with STM32， mining 3D printers， rapid prototyping can in a short time， and the use of fuzzy PID control of movement in all directions of the curve is processed inside the printer， for daily work of mine .

【Key words】Stm32； 3D printer

0 引言

3D打印機(jī)作為快速成型的新興技術(shù)，正在被快速應(yīng)用到醫(yī)療，模具等各行各業(yè)中。而3D打印機(jī)也可以用在煤礦的日常工作當(dāng)中。通過(guò)等比例縮小，可以快速打印出圖紙所反應(yīng)出來(lái)的三維模型，和工具零配件等。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案概述

本文所闡述的基于STM32的3D打印機(jī)，主要以STM32為控制核心，通過(guò)讀取模型的三維信息數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)出控制指令。加熱頭溫度達(dá)到指定要求后，擠出機(jī)配合X，Y，Z軸聯(lián)動(dòng)，逐層打印各個(gè)切片平面，最后堆疊成型。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，加熱及溫度測(cè)量系統(tǒng)、STM32控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和顯示控制系統(tǒng)幾個(gè)組成部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，STM32控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)讀取帶打印模型的三維數(shù)據(jù)，然后控制加熱裝置，當(dāng)溫度測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)對(duì)擠出頭和打印平臺(tái)溫度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量的結(jié)果送入STM32主控芯片內(nèi)，主控芯片對(duì)傳遞過(guò)來(lái)的參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，若達(dá)到設(shè)定值，將控制信號(hào)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)來(lái)控制電機(jī)完成既定的運(yùn)動(dòng)軌跡。顯示控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前打印機(jī)的各個(gè)狀態(tài)，并且可以通過(guò)控制按鈕控制打印速度，溫度，打印文件等各種功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定直接影響了打印物的最終成型，本文選用USB轉(zhuǎn)串口IC芯片CH340G，可以將電腦通過(guò)USB數(shù)據(jù)線和打印機(jī)相連接，同時(shí)使用74HC14050D邏輯芯片來(lái)讀取SD卡內(nèi)存儲(chǔ)的三維數(shù)據(jù)，增加支持脫機(jī)打印的功能。

溫度的高低作為一個(gè)重要條件，由于精度要求不高，本文采用NTC型100K熱敏電阻，通過(guò)讀取熱敏電阻的阻值來(lái)判斷擠出頭和加熱平臺(tái)是否達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的溫度。加熱裝置即為24V金屬加熱管去加熱導(dǎo)熱鋁塊。

主控芯片作為系統(tǒng)工作的核心，對(duì)主控芯片的基本要求是性能高、成本低、功耗低、反應(yīng)迅速、易擴(kuò)展。STM32系列使用的是ARM公司研發(fā)的Cortex-M3內(nèi)核，特點(diǎn)是突破了16位單片機(jī)指令和性能的限制，同時(shí)又解決了32位處理器高功耗、高成本的缺點(diǎn)，因此受到大量研究人員的支持，并且很快普及開(kāi)來(lái)。本文采用的是STM32F103增強(qiáng)型系列，增強(qiáng)型系列具有高達(dá)72MHz的時(shí)鐘頻率，性能優(yōu)良。STM32是擁有基于哈佛構(gòu)架的內(nèi)核Cortex-M3，哈佛架構(gòu)的特點(diǎn)是指令和數(shù)據(jù)使用不同的總線，存儲(chǔ)器中的信息可以同時(shí)被指令和數(shù)據(jù)讀取，所以Cortex-M3處理器可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序，這樣使得應(yīng)用程序的執(zhí)行速度可以被執(zhí)行的更快，提高效率。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用Texas Instruments的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8825。工作電壓在24VDC，輸出電流可以達(dá)到2.5A，只需要很少的外圍電路就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

顯示控制系統(tǒng)由于參數(shù)數(shù)量有限，操作功能相對(duì)簡(jiǎn)單，所以采用12864及旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)完成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的程序工作是對(duì)主控芯片STM32F103的初始化、、串口初始化、定時(shí)器的初始化和中斷服務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口或者SD卡來(lái)讀取G代碼指令。將讀取的G代碼指令按照設(shè)定的打印速度和電機(jī)細(xì)分算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片的脈沖信號(hào)。并通過(guò)模糊PID算法對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行調(diào)整，抑制末端震動(dòng)。并將采集到的溫度以及當(dāng)前打印進(jìn)度等信息通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)當(dāng)前煤礦領(lǐng)域的實(shí)際情況，提出了基于STM32的3D打印機(jī)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以用于煤礦的日常工作。并且其快速成型的性質(zhì)可以大大縮短設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的時(shí)間。該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了圖紙由二維平面到三維實(shí)體的轉(zhuǎn)換，提供給煤礦工作者新的思路和方法，成本低效率高，采用24V安全電壓工作，在煤礦設(shè)計(jì)行業(yè)具有良好的潛質(zhì)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]