【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的單位不惜花費(fèi)十幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)美元從國(guó)外引進(jìn)昂貴的快速成型設(shè)備及材料，然而對(duì)于一般企業(yè)來(lái)說(shuō)畢竟投入太大，仍然只能望洋興嘆。根據(jù)國(guó)外的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該技術(shù)第一需要考慮的問(wèn)題就是價(jià)格太 高。這也是我們?cè)趪?guó)內(nèi)開(kāi)展此項(xiàng)研究，發(fā)展國(guó)內(nèi)低成本、高性能、符合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要的快速成型技術(shù)的原因之一。 我們實(shí)驗(yàn)室的四大快速成型技術(shù)中的 LOM, SLS 兩種已經(jīng)比較成熟了，其余兩種中由于 FDM 快速成型技術(shù)相較于 SLA 來(lái)說(shuō)成型速度快，不使用激光器而運(yùn)行成本低，環(huán)保性能好而深受用戶的歡迎。因此，研究和開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化的熔絲沉積快速成型設(shè)備具有重要的意義并將為我們單位開(kāi)發(fā)更大的市場(chǎng)空間。而溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就是熔絲沉積快速成型設(shè)備中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn) FDM 的溫度控制對(duì)其精度和質(zhì)量都有關(guān)鍵性的作用。 FDM系統(tǒng)對(duì)于 工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)無(wú)可比擬。其簡(jiǎn)單易用的特性以及符合辦公室設(shè)計(jì)環(huán)境的規(guī)格，完全滿足設(shè)計(jì)人員的夢(mèng)想。 同時(shí)它體積小、無(wú)污染，是辦公室環(huán)境的理想桌面制造系統(tǒng)。因此 FDM快速成形系統(tǒng)有著非常廣闊的發(fā)展空間。 5 2 溫度控制系統(tǒng)方案分析 溫度控制的必要性 FDM 系統(tǒng)中受溫度影響比較大的有三個(gè)區(qū)域：噴頭、工作臺(tái)和工作室。前兩者受溫度的影響作用最大，直接影響到整個(gè)工藝工件的完成質(zhì)量。 噴頭溫度決定了材料的粘結(jié)性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度。噴嘴溫度應(yīng)在一定的范圍內(nèi)選擇，使擠出的絲 呈塑性流體狀態(tài)，即保持材料粘性系數(shù)在一個(gè)適用的范圍內(nèi)。噴頭溫度太低，材料偏向于固態(tài)，則材料粘度增大使擠出摩擦阻力加大，擠絲速度變慢，這不僅加重了擠壓系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，極端情況下還會(huì)造成噴嘴堵塞，縮短噴頭的壽命，而且材料層間粘結(jié)強(qiáng)度降低，還會(huì)引起層間剝離；而溫度太高，材料偏向于液態(tài)，出現(xiàn)焦黃，材料分子破裂，粘性系數(shù)變小，流動(dòng)性強(qiáng)，擠出過(guò)快，無(wú)法形成可精確控制的絲，使擠出的絲表面粗糙，制作時(shí)會(huì)出現(xiàn)前一層材料還未冷卻成形，后一層就加壓于其上，從而使得前一層材料坍塌和破壞。因此，噴頭溫度應(yīng)根據(jù)絲材的性質(zhì)在一定范圍內(nèi)選擇， 以保證擠出的絲呈熔融流動(dòng)狀態(tài) [10]。根據(jù)長(zhǎng)期的工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，噴頭溫度的最佳狀態(tài)應(yīng)該保持在 230176。 C[2]。 工作臺(tái)的溫度直接影響到噴絲后各層是否能夠粘結(jié)牢固，對(duì)成型件的熱應(yīng)力有很大的影響。溫度過(guò)高或過(guò)低會(huì)使得成型零件發(fā)生翹曲變形或者粘結(jié)不牢開(kāi)裂等缺陷。根據(jù)長(zhǎng)期的工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，工作臺(tái)溫度的最佳狀態(tài)應(yīng)該保持在 80176。 C。 工作室的溫度影響不大，只需要保持 30176。 C恒溫即可。 溫度控制系統(tǒng)的理論構(gòu)成 參考許多文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)方案，溫控器的設(shè)計(jì)大體有以下幾種： （ 1）以單片機(jī)系統(tǒng)為控制核心，用溫度傳感器及 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度采集的可控硅調(diào)功溫度控制系統(tǒng)。 （ 2）利用零電壓開(kāi)關(guān)（ ZVS）溫度控制芯片，例如 T2117，控制連接在 AC 線路上的電阻性負(fù)載，并通過(guò)過(guò)零模式的雙向晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)溫控，這種電路比較簡(jiǎn)單，所用元件很少，成本較低。 （ 3）由集成溫度傳感器、電壓放大器、比較器、接口電路、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)等單元電路構(gòu)成的溫控器，這種由無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)控制單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)加熱時(shí)間的方法來(lái)控制恒定溫度可以得到較高的控溫精度和較小的溫度波動(dòng)區(qū)間。 （ 4）以 CPLD 可編程邏輯器件為核心的溫度控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采樣控制以及功率調(diào)整均由 CPLD 實(shí)現(xiàn) [4]。 6 考慮到單片機(jī)價(jià)格便宜且性能良好，可很方便地搭建電路，本文中的溫度控制系統(tǒng)采用第一種方案，以 STM32F103C8T6 單片機(jī)為主處理器，改變可控硅的導(dǎo)通角控制加熱功率進(jìn)而控制溫度。 溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案：用單片機(jī)構(gòu)建數(shù)字溫度控制器?？刂圃恚和ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)雙向晶閘管的導(dǎo)通角，控制電壓波形，實(shí)現(xiàn)負(fù)載兩端有效電壓可變。系統(tǒng)主要包括： 數(shù)據(jù)的采集，處理，輸出，系統(tǒng)和上位機(jī)的通訊，人機(jī)交互部分。 FDM 溫度控制系統(tǒng)由雙向晶閘管構(gòu)成加熱電路，如圖 21所示。通過(guò)控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角，來(lái)改變負(fù)載的有效電壓 ，控制加熱功率，進(jìn)而達(dá)到控制溫度的目的。當(dāng)雙向晶閘管全導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載兩端的有效電壓為 220V；當(dāng)其全關(guān)斷時(shí)，負(fù)載兩端的有效電壓為 0V。這樣通過(guò)控制電路選擇適當(dāng)?shù)挠|發(fā)角，可使負(fù)載兩端的電壓為 220V和 0V 之間的任意值，從而保證熱力系統(tǒng)輸入熱流量和輸出熱流量相等，溫度保持不變。 圖 21加熱電路 為實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制，加熱系統(tǒng)需采用獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，由溫控器、可控硅、加熱頭及熱電耦組成。閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 22所示。系統(tǒng)輸出和輸入相比較后產(chǎn)生誤差通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 PID 控制是工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用 最廣泛的一種控制形式，一般均能收到令人滿意的效果，本系統(tǒng)同樣采用模糊 PID控制 [11]。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，輸入和輸出相等，即誤差為零，這樣使系統(tǒng)達(dá)到控制要求。 圖 22閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 在溫控系統(tǒng)中一般是采用可控硅和溫控器相結(jié)合，利用溫控器自帶的 PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這在精度上雖然能保證，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，噴嘴和工作臺(tái)的溫度由室溫升到并穩(wěn)定在設(shè)定值的這一過(guò)程往往要花費(fèi)很多的時(shí)間，嚴(yán)重影響了加工效率。而模糊控制正好彌補(bǔ)了 PID 控制的這一缺點(diǎn)，它能夠得到 較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，上升時(shí)間快，魯棒性好 [12]。但模糊控制也存在固有的缺點(diǎn)，容易受模糊規(guī)則有限等級(jí)的限 7 制而引起誤差，而且在偏差較小時(shí)過(guò)渡時(shí)間會(huì)過(guò)長(zhǎng)。為了使溫度控制的穩(wěn)定性和快速性得到較好的兼顧，可采用 PID 控制和模糊控制相結(jié)合的方法，即當(dāng) e(k)≥δ時(shí)，模糊控制；當(dāng) e(k)δ時(shí)， PID 控制。 e(k)為采樣時(shí)刻 K 的偏差值。δ的取值由被控對(duì)象的特性來(lái)定，可結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)經(jīng)多次調(diào)節(jié)比較確定 [13]。 為了提高人機(jī)的交互性，本電路將采用基于單片機(jī)的數(shù)字化溫控系統(tǒng)?？筛鶕?jù)成形材料的物理性質(zhì)設(shè)定控制溫度。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 如圖 23所示。 圖 23溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)準(zhǔn)則有：（ 1）溫度的測(cè)量精度，這在某種程度上說(shuō)是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的準(zhǔn)確性直接就關(guān)系到了工作點(diǎn)溫度誤差大小。同時(shí)它反饋的信號(hào)也是后續(xù)環(huán)節(jié)的步驟指令。（ 2）響應(yīng)速度要快，速度慢了滯后就嚴(yán)重，這樣就算精度高，實(shí)質(zhì)的控制精度也大打折扣了。（ 3）性能穩(wěn)定，它與測(cè)量精度，響應(yīng)速度是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的根本追求。（ 4） 工作溫度的范圍，它決定了系統(tǒng)可應(yīng)用的廣泛程度。（ 5）放大器的線性度，線性度越好，測(cè)溫就越準(zhǔn)確，從而控制精度也越高。（ 6）價(jià)格便宜，可大大提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力， 使 產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)中處于有力的地位 [4]。 STM32 和 ADC STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的 ARM CortexM3 32位的 RISC內(nèi)核， ARM的CortexM3處理器是最新一代的嵌入式 ARM處理器，它為實(shí)現(xiàn) MCU的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。 ARM的 CortexM3是 32位的 RISC處理器，提供額外的代碼效率，在通常 8和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上得到了 ARM核心的高性能 [14]。 采樣及溫度補(bǔ)償 放大電路 ADC STM32 DAC TCA785 溫度顯示 鍵盤(pán)輸入 8 本課題控制系統(tǒng)所使用的處理器為 STM32系列產(chǎn)品中 STM32F103C8T6，它屬于“增強(qiáng)型”，的一款，工作于 40176。 C至 +85176。 C的溫度范圍，供電電壓 ，可以設(shè)置工作在省電模式以保證低功率消耗的應(yīng)用需求，并且具有豐富的外設(shè)資源： ? 該芯片工作時(shí)最高頻率可達(dá) 72MHz； ? 內(nèi)部帶有 128K 字節(jié)的閃存和 20K 字節(jié)的 SRAM； ? 有 80 個(gè)的增強(qiáng) I/O 端口，充分滿足用戶的外設(shè)需求， IO 口聯(lián)接到兩條 APB總線的外設(shè)，最高達(dá) 72MHz； ? 一個(gè)高級(jí)定時(shí)器和三個(gè)普通定時(shí)器，均是 16 位寄存器模式，每個(gè) 定時(shí)器還帶有四條輸出輸入通道； ? 系統(tǒng)帶有 18MHz 的 spi 總線通訊接口、最高 波特率可選擇的支持全雙工通訊的串行通訊總線接口； ? 十二個(gè)獨(dú)立可配置的直接存儲(chǔ)器通道； 60 個(gè)可屏蔽中斷通道和 16 個(gè)可編程優(yōu)先等級(jí)中斷，為用戶提供豐富的中斷響應(yīng)資源； ? 逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有 12位的分辨力，具有 16 個(gè)外部和 2個(gè)內(nèi)部共 18 個(gè)信號(hào)源，可以進(jìn)行自校正，最快轉(zhuǎn)化速時(shí)間達(dá) 1us； ? 兩個(gè)并行總線 /I2C 總線接口，支持多主機(jī)功能，可做從設(shè)備； ? 完全支持 CAN 總線協(xié)議； 檢測(cè)電路的輸出電壓必須通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 ，才能夠用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后輸出的是數(shù)字信號(hào)，然而控制系統(tǒng)中，一般要求的是連續(xù)的控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)控制，這樣運(yùn)算輸出的數(shù)字量又必須經(jīng)過(guò) D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)還原為模擬信息。通過(guò)連續(xù)的模擬信號(hào)控制系統(tǒng)的熱量供給，從而達(dá)到工作點(diǎn)溫度保持或增減的要求。信號(hào)的 A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、 D/A轉(zhuǎn)換三個(gè)步驟，皆可經(jīng)過(guò) STM32來(lái)完成[15]。 溫度測(cè)量系統(tǒng)主控電路由 STM32F103C8T6及其外圍電路組成，是系統(tǒng)的核心部分，主要完成數(shù)據(jù)的傳輸和處理工作。溫度傳感器采集的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理器本身內(nèi)嵌的 ADC進(jìn)行 A /D轉(zhuǎn)換后得到實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，再經(jīng)處理器相關(guān)處理后通過(guò)溫度顯示電路進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示 ,同時(shí) ,處理器還可以實(shí)現(xiàn)與 PC機(jī)的通信功能。 12位 ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有 18個(gè)通道，可測(cè)量 16個(gè)外部和 2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源 [16]。各通道的 A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。 ADC的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在 16位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門(mén)狗特性允許應(yīng)用程序檢測(cè)輸入電壓是否超出用戶定義的高 /低閥值值。主要特征為： ? 12位分辨率 ? 轉(zhuǎn)換結(jié)束，注入轉(zhuǎn)換結(jié)束和發(fā)生模擬看門(mén)狗事件時(shí)產(chǎn)生中斷 ? 單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式 ? 從通道 0到通道 n的自動(dòng)掃描模式 9 ? 自校準(zhǔn) ? 帶內(nèi)嵌數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)對(duì)齊 ? 通道之間采樣間隔可編程 ? 規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換均有外部觸發(fā)選項(xiàng) ? 間斷模式 ? 雙重模式 (帶 2個(gè) ADC的器件 ) ? ADC轉(zhuǎn)換速率 1MHz ? ADC供電要求： ? ADC輸入范圍： ?? ?? REFINREF VVV ? 規(guī)則轉(zhuǎn)換期間有 DMA請(qǐng)求產(chǎn)生。 表 21ADC管腳 名稱 信號(hào)類型 注解 VREF+ 輸入，模擬參考正極 ADC使用的高端 /正極參考電壓， VSSA ≤ VREF+ ≤ VDDA VDDA 輸入，模擬電源 等效于 VDD的模擬電源且： ≤ VDDA ≤ VDD() VREF 輸入，模擬參考負(fù)極 ADC使用的低端 /負(fù)極參考電壓， VREF = VSSA VSSA 輸入，模擬電源地 等效于 VSS的模擬電源地 ADC_IN[15:0] 模擬輸入信號(hào) 16個(gè)模擬輸入通道 EXTSEL[2:0] 輸入，數(shù)字 開(kāi)始規(guī)則成組轉(zhuǎn)換的六個(gè)外部觸發(fā)信號(hào) JEXTSEL[2:0] 輸入，數(shù)字 開(kāi)始注入成組轉(zhuǎn)換的六個(gè)外部觸發(fā)信號(hào) 有 16個(gè)多路通道?？梢?把轉(zhuǎn)換分成兩組：規(guī)則的和注入的。在任意多個(gè)通道上以任意順序進(jìn)行的一系列轉(zhuǎn)換構(gòu)成成組轉(zhuǎn)換。例如，可以如下順序完成轉(zhuǎn)換：通道 通道 通道 通道 通道 0、通道 通道 通道 15。 ? 規(guī)則組由多達(dá) 16個(gè)轉(zhuǎn)換組成。規(guī)則通道和它們的轉(zhuǎn)換順序在 ADC_SQRx寄存器中選擇。規(guī)則組中轉(zhuǎn)換的總數(shù)寫(xiě)入 ADC_SQR1寄存器的 L[3:0]位中。 ? 注入組由多達(dá) 4個(gè)轉(zhuǎn)換組成。注入通道和它們的轉(zhuǎn)換順序在 ADC_JSQR寄存器中選擇。注入組里的轉(zhuǎn)換總數(shù)目寫(xiě)入 ADC_JSQR寄存器的 L[1:0]位中。 如果 ADC_SQRx或 ADC_JSQR寄存器在轉(zhuǎn)換期間被更改，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換被清除，一個(gè)新的啟動(dòng)脈沖將發(fā)送到 ADC以轉(zhuǎn)換新選擇的組。溫度傳感器和通道 ADC_IN16相連接，內(nèi)部參考電壓 VREFINT和 ADC_IN17相連接?？梢园醋⑷牖蛞?guī)則通道對(duì)這兩個(gè)內(nèi)部通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)中用到的器件及實(shí)現(xiàn)的功能如下：?jiǎn)纹瑱C(jī) STM32F103C8T6做 CPU，用熱電阻采集溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)以 ICL7650組成的信號(hào)放大及濾波電路處理傳輸給單片機(jī)STM32F103C8T6單片機(jī)自帶的 ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片 機(jī)處理后由DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；加熱電路包括雙向可控硅，光電耦合器 MOC3021，集成電路移相 10 觸發(fā)器 TCA785，變壓器；通訊是由 CAN總線配合其他模塊實(shí)現(xiàn)的。下一章會(huì)詳細(xì)介紹各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)。 用 Protell畫(huà)出其原理圖，如圖所示： 圖 24溫度控制電路原理圖 11 3 溫度控制電路各部分的實(shí)現(xiàn) 溫度檢測(cè)電路 熱電偶 測(cè)量溫度的器件很多，包括