基于STM32礦用3D打印機(jī)-機(jī)械制造論文基于STM32礦用3D打印機(jī) 李道龍張超錢程 （安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001） 【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 Design of 3Dprinter Based on STM32 LI ao-longZHANG haoQIAN heng (College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China) 【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。通過等比例縮小，可以快速打印出圖紙所反應(yīng)出來的三維模型，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)溫度測量系統(tǒng)通過對擠出頭和打印平臺(tái)溫度進(jìn)行測量，并將測量的結(jié)果送入STM32主控芯片內(nèi)，主控芯片對傳遞過來的參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行對比，若達(dá)到設(shè)定值，將控制信號傳遞給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)來控制電機(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，通過讀取熱敏電阻的阻值來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，并且很快普及開來。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，操作功能相對簡單，所以采用12864及旋轉(zhuǎn)編碼器來完成。 3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的程序工作是對主控芯片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)行過程中，通過USB轉(zhuǎn)串口或者SD卡來讀取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。并通過模糊PID算法對運(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)度等信息通過顯示屏顯示出來。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。 4結(jié)語 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)。 參考文獻(xiàn) 金晶,戴婳,姚夕林.基于STM32的煤礦地面風(fēng)井安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.煤礦機(jī)械,2013,34(11):238-240. 李曉燕,張曙.三維打印成形系統(tǒng)的開發(fā)J.機(jī)械設(shè)計(jì),2005,22(11):57-59. 劉厚才,莫健華,劉海濤J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2008,27(9):1184-1190. 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析J.中國高新技術(shù)企業(yè),2012(26):3-5. Jakob Kentzer, Bjarke Koch, Michael Thiim等.An Open Source Hardware-based Mechatronics Project: The Replicating Rapid 3-D PrinterJ. ICOM, 2011,(4):17-19. 責(zé)任編輯：楊玉潔