FDM型3D打印機的高精度進料系統研究

司國斌， 王春霞， 靳孝峰

(焦作大學 機電工程學院, 河南 焦作 454003)

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FDM型3D打印機的高精度進料系統研究

司國斌， 王春霞， 靳孝峰

(焦作大學 機電工程學院, 河南 焦作 454003)

為了提高打印成型件的精度和質量，對FDM型3D打印機進料系統及其具體實現方法進行了改進.系統采用功率管IRF530N、加熱管和PWM組成加熱模塊，采用鉑熱電阻Pt100、差動放大電路和PID算法組成溫度測控模塊.既簡化了標度變化的計算量，又降低了電阻值溫漂對測量結果的影響.針對基于步進電機結構的送料控制模塊，給出了減少步進電機失步的措施.系統實現了180～250 ℃，±1℃精度的恒溫控制，為FDM型3D打印機系統的恒溫和高精度進料提供了保障，并且在簡單調整后，還可對濕度、壓力、位移和角度等物理量進行控制.

3D打印機； PID； PWM； 恒溫控制

3D打印在汽車、建筑、航空航天和醫療等領域應用十分廣泛，如模具制造[1]、零部件加工[2]、日用品模型加工和外形設計.FDM型3D打印機具有操作環境干凈、安全，工藝簡單，易操作且不產生垃圾，尺寸精度較高，表面質量較好，易于裝配和原材料種類多，費用低等優點[3-4].進料系統作為FDM型3D打印機的核心部件，

直接影響到成型件的精度和質

量.材料收縮率、噴頭溫度、進料速度與擠出速度的匹配等，都會影響FDM型3D打印機進料系統的精度.材料的收縮率屬于外部因素，可通過噴頭溫度和進料速度與擠出速度的匹配改善.因此，研究進料系統溫度控制及其具體實現方法，有一定意義和價值.限于篇幅，本文主要研究噴頭溫度控制對進料精度的影響.

1　進料系統總體

進料系統主要由四部分組成：加熱模塊、溫度模塊、電機模塊和風扇模塊，組成框圖如圖1所示.其中，加熱模塊由加熱控制電路和加熱管組成，實現固體塑料融化；溫度模塊由溫度測量電路和溫度傳感器組成，實現溫度和進料控制；電機模塊由電機控制電路和電機組成，實現送料量控制；風扇模塊由風扇控制電路和風扇組成，實現氣體擴散和系統冷卻.本文研究的關鍵點集中在加熱模塊和溫度測量模塊，以實現進料系統的恒溫控制.在本系統中，選用STM32F103VBT6作為主控制器(LQFP100封裝)，選用鉑熱電阻Pt100作為溫度傳感器[5-6].

圖1　進料系統組成框圖Fig.1　Block diagram of the feed system

2　加熱模塊設計

FDM型3D打印常用的塑料耗材有PLA和ABS兩種，直徑分別為1.75 mm和3.0 mm.PLA是生物分解性材料，具有較低的熔體強度，打印模型更容易塑形，表面光澤性優異，色彩艷麗，氣味宜人，適于環保產品；ABS有刺鼻氣味，但它的耐撞和耐熱性好，適于對耐熱和耐磨要求較高的產品.PLA耗材最佳的打印溫度為180～210 ℃，ABS耗材最佳的打印溫度為190～210 ℃.根據熱學理論和進料量，加熱管功率在30～40 W時效果較佳.

加熱模塊電路如圖2所示.圖2中，選用N溝道、HEXFET、功率MOSFET IRF530N(圖中Q2).IRF530N具有90 mΩ的超低導通電阻，最大漏極電流ID=17 A，漏源擊穿電壓VDSS=100 V.HOT為來自主控器STM32F103VBT6的I/O信號，幅值電壓為0～3.3 V，而IRF530N的柵源極導通電壓VDS=2.0～4.0 V，因此為保證IRF530N可靠工作，先用HOT控制NPN型三極管9013(圖中Q1)的工作狀態，再用Q1控制Q2，實現加熱管控制.當Q1處于截止狀態時，Q2導通，加熱管加熱；當Q1處于導通狀態時，Q2截止，加熱管停止加熱.STM32F103VBT6內部集成4個16位定時計數器TIM1，TIM2，TIM3和TIM4，每個定時計數器有4路定時計數通道TIMx_CH1，TIMx_CH2，TIMx_CH3和TIMx_CH4，每路定時計數通道都具有PWM工作模式.

圖2　加熱模塊電路Fig.2　Heating module circuit

本文中選用PWM模式下TIM2_CH2定時計數通道，作為HOT信號.STM32F103系列在PWM模式設置時，應注意以下幾點：

1)PWM通道對應的I/O引腳設置為復用功能的推挽輸出模式；

2)在定時器復位后，設置其有關參數和系數；

3)時鐘預分頻系數TIM_Prescaler的取值范圍為0～65 535，定時計數時鐘頻率等于系統時鐘頻率fosc除以1與TIM_Prescaler的和.例如當fosc=72 MHz，TIM_Prescaler=71時，定時計數時鐘頻率等于1 MHz；

4)可通過函數“TIM2->CCR2=xx”設置TIM2_CH2定時計數通道PWM的占空比.

注意：在停止加熱時不僅要關閉TIM2_CH2，還要通過函數“TIM_ForcedOC2Config(TIM2， TIM_ForcedAction_InActive)”，使其強制輸出非匹配電平(高電平)，以保證場效應管IRF530N處于截止狀態.

3　溫度模塊設計

鉑熱電阻Pt100是一種常用的溫度傳感器，測量范圍為-190～630 ℃，精度為±1 ℃.在0～630 ℃時，鉑熱電阻Pt100的阻值溫度關系為

Rt=100(1+at+bt2)，

(1)

式中：a=3.96847×10-3℃-1,b=5.847×10-7℃-2.因此，0 ℃時，Pt100的阻值為100 Ω；250 ℃時，Pt100的阻值為194.1 Ω.本文為保證測溫模塊有合理的余量，設計測溫上限為250 ℃.溫度模塊電路如圖3所示.

圖3　溫度模塊電路Fig.3　Temperature module circuit

圖3中，選用低成本運算放大器LM324，構成差動運算放大電路對溫度信號進行調理，輸出V3為

(2)

式中:R6=110 kΩ，R9=3.3 kΩ.經計算，知0～250 ℃時，V3變化范圍為0～3.14 V.LM324在單+5V供電時，輸出信號范圍為0～3.5 V，在有效測溫范圍內，信號可完整傳輸.

圖中U2是一款高精度基準電壓芯片REF3033，輸出電壓為(3.3±0.006)V，輸出電流為25 mA.電阻R8和R7組成串聯電阻分壓結構，分壓V1向差動電路提供反相端輸入電壓.電阻R10和鉑熱電阻RT1也組成串聯電阻分壓結構，分壓V2向差動電路提供同相端輸入電壓.于是，式(2)可表示為

(3)

R7和R10阻值相同，R8和RT1在0 ℃時的阻值相同，R10遠遠大于RT1.因此，根據式(1)，則式(3)可近似為

(4)

式中Vref=3.3 V.再將R6，R9和R10的阻值代入式(4)，式(4)可表示為

(5)

式(5)即為進料系統溫度與電壓的關系.選用差動放大電路不僅可簡化溫度與電壓的關系，又可明顯降低電阻溫漂對測量結果的影響.

對測溫電路的幾點說明：1)R6至R12選用精度為0.05%的低溫漂精密電阻；2)穩壓二極管D1將溫度信號鉗制在3.3 V以下，對單片機STM32F103VBT6 的ADC_IN0通道進行電壓保護；3)電阻R13既可限流，又可在V3>3.3 V時保護LM324；4)ADC0連接單片機STM32F103VBT6的ADC_IN0通道.

4　恒溫控制算法設計

PID是一種經典的閉環控制方法，很多場合都用其來實現恒溫控制[7-10].本文先利用ADC，經標度變換，得到當前溫度T_feed.再用目標溫度T_Set與當前溫度T_feed做差運算：如果偏差在0.1 ℃以內，繼續保持當前PID參數；如果偏差超出0.1 ℃，調用PID算法進行調節.本文采用±0.1 ℃的理論偏差，保證±1 ℃的實際誤差.PID恒溫控制的核心實現方法如下：

if( fabs(T_Set-T_feed) >0.1 )

{

float Pv;

Pv=PIDCalc (Temp_HOT，T_feed);

CCR_feed=5995-(CCR_feed+Pv*20.0); //將溫度轉換為TIM2_CH2的占空比參數

if(CCR_feed<=1) CCR_feed=1;

else if(CCR_feed >=5950) CCR_feed=5950;

TIM2->CCR2=CCR_feed; //更新占空比，實現PID溫度調節

}

typedef struct PID {float SetPoint，Proportion，Integral，Derivative，LastError，PrevError，SumError; } PID;

在結構體PID中，SetPoint為目標溫度，Propor￣tion為比例常數，Integral為積分常數，Deriva￣tive為微分常數，LastError為當前偏差，PrevError為上次偏差，SumError為總偏差.

float PIDCalc( PID *Temp， float NextPoint ) // PID計算，Temp為PID型數組

{

float dError，Error;

Error=Temp->SetPoint-NextPoint; //計算偏差

Temp->SumError+=Error; //計算積分dError=Temp->LastError-Temp->PrevError; //計算微分

Temp->PrevError=Temp->LastError; //更新上次偏差

Temp->LastError=Error; //更新當前偏差

if(Temp->SumError>900)

Temp->SumError=900; //限制總偏差

else if(Temp->SumError<-900)

Temp->SumError=-900;

return (Temp->Proportion * Error //返回得到比例項

+Temp->Integral * Temp->SumError //返回得到積分項

+Temp->Derivative * dError //返回得到微分項

);

}

5　電機模塊設計

電機模塊控制進料量大小.本文選用2相4線制混合式步進電機為系統的驅動裝置，電機驅動電路是電機模塊的電路核心.目前，集成的步進電機驅動芯片較多，如A39系列、L62系列、TA83系列和THB系列等.應選擇輸出電流可調、細分數可程控選擇的步進電機驅動芯片，以保證系統柔性.雖然步進電機具有成本低和可準確定位等優點，但失步現象是其核心缺陷，產生失步的本質是電機輸出扭矩偏小[11].為減少失步現象，在電機模塊軟硬件設計時，應注意以下幾點：1)盡可能得到準確的負載大小，使電機扭矩有20%以上的余量，即大馬拉小車；2)采用梯形結構的啟動、運行和停止方式[7]；3)大負載選用低速、小步距角和小細分數，小負載可選用高速、大步距角和大細分數；4)電機驅動芯片至少有20%的功率余量，同時提供上限電壓使電流動態調整[12-13].

6　實　驗

以本文設計的FDM型3D打印機進料系統為平臺，測得表1所示的溫度數據.由表1可知，進料系統溫控范圍為180～250 ℃，最大正偏差為+0.6～+0.9 ℃，最大負偏差為-0.5～-0.8 ℃，完全達到±1 ℃的精度.如果要進一步減小偏差，可選用高精度溫度傳感器和高速ADC，但對于FDM型3D打印進料系統，溫度控制沒有實際意義，實際應用中±5 ℃的誤差即可完全滿足要求.

表1溫度測量數據

Table 1　Datas of temperature measurement ℃

7　結　論

本文研究并設計出一套完整的FDM型3D打印機進料控制系統，將PWM、PID、差動放大電路和鉑熱電阻有機結合，實現180～250 ℃，±1 ℃精度的恒溫控制，為FDM型3D打印機系統的打印質量和精度提供了保證.同時，該進料系統還具有以下特點：1)調整差動放大電路的增益，可改變測溫范圍；2)選用高精度溫度傳感器和高速ADC[14-15]，可實現更高精度的溫度控制；3)對電路進行簡單調整，還可實現對濕度、壓力、位移和角度的控制.

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Research for high-precision feed system based on 3D printer of FDM

SI Guo-bin， WANG Chun-xia， JIN Xiao-feng

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Jiaozuo University， Jiaozuo 454003, China)

In order to improve accuracy and quality of print moldings， high-precision feed system based on 3D printer of FDM and the implement method is improved. This system used IRF530N power tube， heating pipe and PWM as a Heating Module; Pt100 platinum thermistor， differential amplifier circuit and PID Algorithm as a Temperature Measuring and Controlling Module. It not only simplified the calculation of scale changes， but also reduced the influence of the measurement of resistance drift. Based on feeding control module of the stepping motor， some measures for reducing the phenomenon of the stepper motor which losed step were given. The realization of constant temperature control of 180-250 ℃ range， ±1 ℃ accuracy can guarantee the constant temperature and high precision feeding of 3D printer of FDM. It can also be used to control the humidity, pressure, displacement and angle and other physical quantities.

3D printer; PID; PWM; thermostatical control

2016-03-09.

河南省科技攻關項目(152102210204,152102210020)

司國斌(1979—)，男，河南焦作人，講師，碩士，從事自動化控制研究，E-mail：15216471@qq.com.

王春霞(1980—)，女，河南焦作人，碩士，講師，從事電子技術研究，E-mail：wcxwlx@163.com

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.05.013

TP 272

A

1006-754X(2016)05-0497-04

本刊網址·在線期刊：http://www.zjujournals.com/gcsjxb

http://orcid.org//0000-0002-8315-7163