基于STM32的光固化3D打印機控制系統設計

丁承君，韓承都

（河北工業大學 機械工程學院 機械工程系，天津 300130）

0 引言

隨著增材制造和快速成型（Rapid Prototyping）技術的普及，3D打印技術越來越為普通科技愛好者所熟知。現今流行的3D打印技術按其所用材料的狀態及成形方法，可以分為熔融沉積成形（FDM）、光固化立體成形（SLA）、分層實體制造（LOM）、電子束選區熔化（EBM）、選擇性激光燒結（SLS）、激光選區熔化（SLM）、金屬激光熔融沉積（LDMD）、電子束熔絲沉積成形（EBF）[1]。在這些琳瑯滿目的3D打印技術中，近年來FDM型3D打印機憑借成本低廉、相關文獻資料豐富、研究學習門檻低的優勢，獲得了3D打印愛好者的廣泛追捧。但熔融沉積成型3D打印機打印速度慢、成型精度低、打印模型表面粗糙度高的固有缺點總是差強人意。為了讓越來越多人了解3D打印技術，繼熔融沉積成型技術之后，光固化立體成型將會憑借其成型精度高、成型速度快、模型表面光滑的優勢引領下次3D打印浪潮。

光聚合成型技術起源于上世紀80年代,是最早研發的3D打印成型技術之一。一直以來研究機構持續對該技術進行深入研究，使其成為技術成熟、應用廣泛的一種3D打印成型技術。光聚合成型技術包含：SLA（Stereo Lithography Appearance）光固化立體成型技術、DLP（Digital Light Processing）數字光處理等技術[2]。光固化的基本原理是光固化材料在紫外光的的照射下，其中的光引發劑吸收光子能量，從基態躍遷至激發態，因為激發態屬于不穩定狀態，而后又從激發態自發的向下躍遷至低能級狀態，并不一定是回到基態，同時釋放能量讓預聚體發生聚合反應，從而實現材料的光固化反應[3]。光固化立體技術和數字光處理技術都是利用這種原理，兩者區別主要在于讓光固化材料產生固化的光源不同，前者通常采用紫外光激光，利用掃描振鏡進行路徑掃描填充；后者是主要利DMD（Digital Micromirror Device）芯片和投影系統，選擇性透光控制。兩者的成本都比較高，所需的控制器的性能要求也比較高，研究困難，所以為了降低研究開發者入門門檻，一款低成本高性能的控制器的產生顯得十分迫切。因此本文著重針對光固化立體成型技術的控制系統進行研究，解決當前常用于激光振鏡控制的FPGA和DSP控制板價格昂貴、編程困難的弊端，設計了一款基于STM32的低成本控制系統方案。

1 控制系統的總體方案設計

SLA型3D打印機分振鏡上置式和振鏡下置式，上置式是指掃描振鏡在光敏材料的上方，下置式是指掃描振鏡位于光敏材料的下方，目前最流行的結構形式是下置式結構[4]。圖1為下置式光固化立體成型3D打印機的結構示意簡圖，它主要由升降滑軌、模型吸盤、樹脂槽、光敏樹脂、掃描振鏡和激光器六部分組成。

圖1 振鏡下置式SLA打印機結構示意圖

打印機的工作流程為由激光器發射的激光經過二維掃描振鏡反射到透明的樹脂槽底部，進行逐層掃描，樹脂槽底部內側覆蓋離型膜或者硅膠，以避模型粘結在槽底[5]。圖中藍色的部分表示最新掃描完成的的一層,每掃描完成一層后，模型吸盤沿著升降滑軌上升一個層厚的高度。光敏樹脂呈粘稠狀而且流動速度慢，所以每完成一層掃描后，光敏樹脂無法快速補充到樹脂槽底部。為了使新固化的模型和樹脂槽底部分離以及補充底部樹脂，可以采用先升再降的方式，以0.1mm打印層厚為例，可以先抬高4mm，再下降3.9mm。所以這就需要一個步進電機控制系統來控制模型的升降。同樣地要實現光敏樹脂的掃描固化就需要對振鏡和激光器的控制，針對振鏡和激光器的工作原理設計掃描振鏡控制模塊和激光器控制模塊。為了實現對掃描振鏡的實時控制，就會涉及大量浮點運算，選用一個具有浮點運算單元的處理器尤為重要。

本文選用STM32F407ZET6處理器作為主控制器，STM32F407ZET6是由意法半導體公司出品的一款芯片，它是一款基于ARM Cortex-M4內核的精簡指令集（RISC）的低功耗、低成本、高性能處理器。最高工作頻率可達168MHz，144個引腳，512kB Flash，192kB SRAM與以往基于M0、M3內核的芯片相比最大不同就是加入了浮點運算單元（FPU），支持所有ARM單精度數據處理指令和數據類型，浮點運算速度相比普通CPU運算快上幾十倍。STM32F407的FPU恰好能滿足光固化的3D打印機的控制系統處理大量的浮點運算的要求。圖2為控制系統總體架構圖。

2 硬件設計

2.1 硬件總體方案設計

控制器由STM32最小系統、振鏡控制模塊、激光器控制模塊、步進電機控制模塊、TF卡接口模塊、串口觸摸屏接口和供電電源七個部分組成。圖3為控制器硬件總體設計框圖。

圖2 控制系統總體架構圖

圖3 控制器總體設計框圖

2.2 最小系統設計

STM32的最小系統包括電源電路、晶振時鐘電路、復位電路、JTAG程序下載電路，關于最小系統的設計各種資料眾多這里就不再贅述。

2.3 振鏡控制電路

振鏡的主要生產廠家主要在國外，國內也有些生產廠家，價格相對較低，所以我們選用國產的掃描振鏡。它有兩塊空間正交的反射鏡組成，當一束光射入x振鏡經反射入y振鏡再經y振鏡反射到掃描平面，x和y振鏡的偏轉角度可通過與其相連的振鏡電機的偏轉控制，偏轉范圍一般為-20°～+20°，由-5V～+5V的連續模擬電壓差分輸入控制，線性度高達99%，激光振鏡掃描原理圖如圖4所示。

圖4 激光振鏡掃描原理圖

經過一列的推導計算得到X、Y振鏡偏轉角度與掃描平面坐標（x，y）的對應關系如下：

圖5 振鏡電機接口原理圖

式(1)、式(2)中θx、θy分別是振鏡X、振鏡Y偏轉的角度，（x，y）是掃描平面的坐標。L為振鏡與掃描平面之間的距離，d為兩個振鏡之間的距離。要掃描固定的點只需使振鏡偏轉所需的角度即可，這就需要控制其產生與角度相對應的模擬電壓。

一般處理器DAC有限，STM32F407自帶一個12位分辨率、0～3.3V、雙通道模數轉換器，每個振鏡電機需要兩個模擬輸入，所以就需要設計一個專門的振鏡控制接口。DAC902是一款并行輸入、12位分辨率、高性能的模數轉換器，最高采樣頻率可達165MSPS，再配合運算放大器OPA690進行電壓放大，就可以獲得所需要的電壓。圖4為振鏡電機控制接口原理圖。

2.4 激光器控制電路

為了減低成本，可以選擇波長為405nm、功率為50mw的激光器，這種激光器只有兩個端子。要對激光器進行通斷和亮度控制，需要使用高質量的、穩定的DA電壓，但過多的DA接口電路需要占用處理器大量的接口資源，所以采用STM32產生PWM脈沖經過低通濾波得到0～3.3V的電壓，再配合NMOS管的方式靈活控制。

PWM本質上其實就是一種周期一定而高低電平占空比可調的方波。PWM波形可以用分段函數表示為式：

其中：T是單片機中計數脈沖的基本周期，也就是STM32定時器的計數頻率的倒數。N是PWM波一個周期的計數脈沖個數，也就是STM32的預裝載寄存器的值。n是PWM波一個周期中高電平的計數脈沖個數，也就是STM32的比較值寄存器的值。VH和VL分別是PWM波的高低電平電壓值，k為諧波次數，t為時間。我們將式(3)展開成傅里葉級數，得到式(4)：

式(4)中第1項為直流分量，第2項為1次諧波分量，第3項為大于1次的高次諧波分量。式中的直流分量與n成線性關系，并隨著n從0到N，直流分量從VL到VL+VH之間變化。因此，如果能把式中除直流分量外的諧波過濾掉，則可以得到從PWM波到電壓輸出DAC的轉換，PWM波可以通過一個低通濾波器進行解調。其原理圖如圖6所示。

圖6 激光器控制原理圖

2.5 步進電機和電源電路

步進電機起到二維到三維的轉化的重要作用，步進電機可以選用42步進電機，通過STM32產生的PWM脈沖驅動，控制步進電機轉動速度和轉動步數，步進電機的供電電壓為12V和5V，可采用12V直流電源，用LM2596T-5.0電壓轉換的到5V電壓。

圖7 供電電源和步進電機接口原理圖

3 軟件系統設計

為了充分利用處理器的資源，本文引入一種實時操作系統uC/OS，uC/OS是Micrium公司出品的開源RTOS類實時操作系統，uC/OS目前有兩個版本：uC/OS II和uC/OS III。uC/OS III是一個可裁剪、可剝奪型的多任務內核，而且沒有任務數限制。uC/OS III提供了實時操作系統所需的所有功能，包括資源管理、同步、任務通信等[6]。本文用到的處理器內存比較小、不可能一次性的將模型的所有數據一次性存儲到內存中，因此可以利用uC/OS多任務的特性，逐層循環存儲，不僅提高CPU的利用率，又解決了內存不足的問題。

模型數據前處理過程是：由CAD、SolidWorks、UG、Catia等三維繪圖軟件生成的模型，可以保存為STL模型數據格式，這是一種用三角面片表達實體表面數據的標準文件格式[7]，經過切片軟件如Cura的分層處理、路徑規劃處理、添加支撐處理后得到打印機可以處理的G代碼[8]。再將G代碼傳輸給3D打印機的控制系統。數據傳輸有三種途徑，一是通過USB將數據實時傳送到控制器的內存中，二是先把代碼復制到TF卡中、再插到控制器卡槽中進行脫機打印，三是通過網絡傳輸。這里為了節約成本，采用脫機3D打印的模式。圖8為控制系統軟件運行流程圖。

脫機3D打印控制系統軟件運行的流程為：

1）用戶可以通過與控制器用串口相連的觸摸屏進行人機交互，瀏覽并選擇所需打印的模型，并進行相關參數設置，當設置完成后，控制器接收到串口中斷，接收用戶的打印命令。

2）控制器接收到串口觸摸屏的指令后，通過FATFS文件系統的文件讀寫功能，從TF卡中讀取相對應模型的一層數據，并存放到內存中的數據段緩沖區中，經過一系列的代碼解析運算，提煉出3D打印所需要的掃描路徑坐標點，由執行機構振鏡完成由點到線再到面的固化，直到一層模型掃描固化完成。

3）判斷上一層是否掃描完成，若完成，利用uC/OS III的多任務功能，讀取下一層的數據并存入緩沖區中，同時模型吸盤沿著滑軌上升一個層厚，檢查數據緩沖區數據是否就緒，若就緒則執行步驟2），如此循環往復，進而完成由二維到三維的轉變。

圖8 軟件系統流程圖

4 結束語

激光在3D打印技術中應用非常之廣，很多形式的3D打印技術都使用激光造型，比如SLM、SLS、SLA、LOM等技術都用到了激光。比起為人所熟知的FDM技術，這些激光3D打印技術由于元器件價格昂貴、開發困難、資料較少鮮為人知。所以本文為了降低激光3D打印技術的入門門檻，使除熔融沉積3D打印技術以外的其他3D打印技術為更多的人所了解。設計了一款基于STM32F407的低成本、高性能控制器，并對所需要的具體的硬件模塊進行了針對性的設計，解決了FPGA控制板價格昂貴、編程困難的問題。在此基礎上，為了解決處理器內存容量小的問題，引入了一個體積小、可裁剪、移植性好的硬實時操作系統uC/OS III，利用操作系統的多任務功能循環讀取和存儲模型的G代碼，既解決了內存問題又提高了處理器的利用率，實現光固化立體成型3D打印機的脫機3D打印。

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