【文章內(nèi)容簡介】 的單位不惜花費十幾萬甚至幾十萬美元從國外引進昂貴的快速成型設備及材料，然而對于一般企業(yè)來說畢竟投入太大，仍然只能望洋興嘆。根據(jù)國外的統(tǒng)計結果，該技術第一需要考慮的問題就是價格太 高。這也是我們在國內(nèi)開展此項研究，發(fā)展國內(nèi)低成本、高性能、符合國內(nèi)市場需要的快速成型技術的原因之一。 我們實驗室的四大快速成型技術中的 LOM, SLS 兩種已經(jīng)比較成熟了，其余兩種中由于 FDM 快速成型技術相較于 SLA 來說成型速度快，不使用激光器而運行成本低，環(huán)保性能好而深受用戶的歡迎。因此，研究和開發(fā)國產(chǎn)化的熔絲沉積快速成型設備具有重要的意義并將為我們單位開發(fā)更大的市場空間。而溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)就是熔絲沉積快速成型設備中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，實現(xiàn) FDM 的溫度控制對其精度和質量都有關鍵性的作用。 FDM系統(tǒng)對于 工業(yè)設計的優(yōu)勢無可比擬。其簡單易用的特性以及符合辦公室設計環(huán)境的規(guī)格，完全滿足設計人員的夢想。 同時它體積小、無污染，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區(qū)域：噴頭、工作臺和工作室。前兩者受溫度的影響作用最大，直接影響到整個工藝工件的完成質量。 噴頭溫度決定了材料的粘結性能、堆積性能、絲材流量以及擠出絲寬度。噴嘴溫度應在一定的范圍內(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)的負擔，極端情況下還會造成噴嘴堵塞，縮短噴頭的壽命，而且材料層間粘結強度降低，還會引起層間剝離；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，流動性強，擠出過快，無法形成可精確控制的絲，使擠出的絲表面粗糙，制作時會出現(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，噴頭溫度應根據(jù)絲材的性質在一定范圍內(nèi)選擇， 以保證擠出的絲呈熔融流動狀態(tài) [10]。根據(jù)長期的工藝實驗驗證得出，噴頭溫度的最佳狀態(tài)應該保持在 230176。 C[2]。 工作臺的溫度直接影響到噴絲后各層是否能夠粘結牢固，對成型件的熱應力有很大的影響。溫度過高或過低會使得成型零件發(fā)生翹曲變形或者粘結不牢開裂等缺陷。根據(jù)長期的工藝實驗驗證得出，工作臺溫度的最佳狀態(tài)應該保持在 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)的理論構成 參考許多文獻中的設計方案，溫控器的設計大體有以下幾種： （ 1）以單片機系統(tǒng)為控制核心，用溫度傳感器及 A/D 轉換器進行溫度采集的可控硅調功溫度控制系統(tǒng)。 （ 2）利用零電壓開關（ ZVS）溫度控制芯片，例如 T2117，控制連接在 AC 線路上的電阻性負載，并通過過零模式的雙向晶閘管來實現(xiàn)溫控，這種電路比較簡單，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、無觸點電子開關等單元電路構成的溫控器，這種由無觸點電子開關控制單位時間內(nèi)動態(tài)加熱時間的方法來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整均由 CPLD 實現(xiàn) [4]。 6 考慮到單片機價格便宜且性能良好，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 單片機為主處理器，改變可控硅的導通角控制加熱功率進而控制溫度。 溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案：用單片機構建數(shù)字溫度控制器。控制原理：通過調節(jié)雙向晶閘管的導通角，控制電壓波形，實現(xiàn)負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)和上位機的通訊，人機交互部分。 FDM 溫度控制系統(tǒng)由雙向晶閘管構成加熱電路，如圖 21所示。通過控制雙向晶閘管的導通角，來改變負載的有效電壓 ，控制加熱功率，進而達到控制溫度的目的。當雙向晶閘管全導通時，負載兩端的有效電壓為 220V；當其全關斷時，負載兩端的有效電壓為 0V。這樣通過控制電路選擇適當?shù)挠|發(fā)角，可使負載兩端的電壓為 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 為實現(xiàn)對溫度的精確控制，加熱系統(tǒng)需采用獨立的閉環(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)的結構圖如圖 22所示。系統(tǒng)輸出和輸入相比較后產(chǎn)生誤差通過調節(jié)驅動執(zhí)行機構。 PID 控制是工業(yè)過程控制中應用 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]。當系統(tǒng)穩(wěn)定時，輸入和輸出相等，即誤差為零，這樣使系統(tǒng)達到控制要求。 圖 22閉環(huán)控制系統(tǒng)結構圖 在溫控系統(tǒng)中一般是采用可控硅和溫控器相結合，利用溫控器自帶的 PID控制算法來實現(xiàn)的。這在精度上雖然能保證，但其動態(tài)響應速度慢，噴嘴和工作臺的溫度由室溫升到并穩(wěn)定在設定值的這一過程往往要花費很多的時間，嚴重影響了加工效率。而模糊控制正好彌補了 PID 控制的這一缺點，它能夠得到 較好的動態(tài)響應特性，上升時間快，魯棒性好 [12]。但模糊控制也存在固有的缺點，容易受模糊規(guī)則有限等級的限 7 制而引起誤差，而且在偏差較小時過渡時間會過長。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合的方法，即當 e(k)≥δ時，模糊控制；當 e(k)δ時， PID 控制。 e(k)為采樣時刻 K 的偏差值。δ的取值由被控對象的特性來定，可結合操作經(jīng)驗經(jīng)多次調節(jié)比較確定 [13]。 為了提高人機的交互性，本電路將采用基于單片機的數(shù)字化溫控系統(tǒng)。可根據(jù)成形材料的物理性質設定控制溫度。系統(tǒng)的結構圖 如圖 23所示。 圖 23溫控系統(tǒng)結構圖 系統(tǒng)設計的目標準則有：（ 1）溫度的測量精度，這在某種程度上說是最重要的一個環(huán)節(jié)，它的準確性直接就關系到了工作點溫度誤差大小。同時它反饋的信號也是后續(xù)環(huán)節(jié)的步驟指令。（ 2）響應速度要快，速度慢了滯后就嚴重，這樣就算精度高，實質的控制精度也大打折扣了。（ 3）性能穩(wěn)定，它與測量精度，響應速度是設計控制系統(tǒng)的根本追求。（ 4） 工作溫度的范圍，它決定了系統(tǒng)可應用的廣泛程度。（ 5）放大器的線性度，線性度越好，測溫就越準確，從而控制精度也越高。（ 6）價格便宜，可大大提高產(chǎn)品競爭力， 使 產(chǎn)品在競爭中處于有力的地位 [4]。 STM32 和 ADC STM32F103xx增強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，它為實現(xiàn) MCU的需要提供了低成本的平臺、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時提供卓越的計算性能和先進的中斷系統(tǒng)響應。 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)的存儲空間上得到了 ARM核心的高性能 [14]。 采樣及溫度補償 放大電路 ADC STM32 DAC TCA785 溫度顯示 鍵盤輸入 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“增強型”，的一款，工作于 40176。 C至 +85176。 C的溫度范圍，供電電壓 ，可以設置工作在省電模式以保證低功率消耗的應用需求，并且具有豐富的外設資源： ? 該芯片工作時最高頻率可達 72MHz； ? 內(nèi)部帶有 128K 字節(jié)的閃存和 20K 字節(jié)的 SRAM； ? 有 80 個的增強 I/O 端口，充分滿足用戶的外設需求， IO 口聯(lián)接到兩條 APB總線的外設，最高達 72MHz； ? 一個高級定時器和三個普通定時器，均是 16 位寄存器模式，每個 定時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； ? 十二個獨立可配置的直接存儲器通道； 60 個可屏蔽中斷通道和 16 個可編程優(yōu)先等級中斷，為用戶提供豐富的中斷響應資源； ? 逐次逼近型模擬數(shù)字轉換器具有 12位的分辨力，具有 16 個外部和 2個內(nèi)部共 18 個信號源，可以進行自校正，最快轉化速時間達 1us； ? 兩個并行總線 /I2C 總線接口，支持多主機功能，可做從設備； ? 完全支持 CAN 總線協(xié)議； 檢測電路的輸出電壓必須通過 A/D轉換為數(shù)字量 ，才能夠用計算機系統(tǒng)進行處理，處理器進行數(shù)據(jù)處理后輸出的是數(shù)字信號，然而控制系統(tǒng)中，一般要求的是連續(xù)的控制信號來進行系統(tǒng)控制，這樣運算輸出的數(shù)字量又必須經(jīng)過 D/A轉換器，將數(shù)字信號還原為模擬信息。通過連續(xù)的模擬信號控制系統(tǒng)的熱量供給，從而達到工作點溫度保持或增減的要求。信號的 A/D轉換、運算、 D/A轉換三個步驟，皆可經(jīng)過 STM32來完成[15]。 溫度測量系統(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，經(jīng)過處理器本身內(nèi)嵌的 ADC進行 A /D轉換后得到實時溫度數(shù)據(jù)，再經(jīng)處理器相關處理后通過溫度顯示電路進行實時顯示 ,同時 ,處理器還可以實現(xiàn)與 PC機的通信功能。 12位 ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉換器。它有 18個通道，可測量 16個外部和 2個內(nèi)部信號源 [16]。各通道的 A/D轉換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。 ADC的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在 16位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門狗特性允許應用程序檢測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 ? 轉換結束，注入轉換結束和發(fā)生模擬看門狗事件時產(chǎn)生中斷 ? 單次和連續(xù)轉換模式 ? 從通道 0到通道 n的自動掃描模式 9 ? 自校準 ? 帶內(nèi)嵌數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)對齊 ? 通道之間采樣間隔可編程 ? 規(guī)則轉換和注入轉換均有外部觸發(fā)選項 ? 間斷模式 ? 雙重模式 (帶 2個 ADC的器件 ) ? ADC轉換速率 1MHz ? ADC供電要求： ? ADC輸入范圍： ?? ?? REFINREF VVV ? 規(guī)則轉換期間有 DMA請求產(chǎn)生。 表 21ADC管腳 名稱 信號類型 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，模擬參考負極 ADC使用的低端 /負極參考電壓， 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 16個模擬輸入通道 EXTSEL[2:0] 輸入，數(shù)字 開始規(guī)則成組轉換的六個外部觸發(fā)信號 JEXTSEL[2:0] 輸入，數(shù)字 開始注入成組轉換的六個外部觸發(fā)信號 有 16個多路通道?？梢?把轉換分成兩組：規(guī)則的和注入的。在任意多個通道上以任意順序進行的一系列轉換構成成組轉換。例如，可以如下順序完成轉換：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 16個轉換組成。規(guī)則通道和它們的轉換順序在 ADC_SQRx寄存器中選擇。規(guī)則組中轉換的總數(shù)寫入 ADC_SQR1寄存器的 L[3:0]位中。 ? 注入組由多達 4個轉換組成。注入通道和它們的轉換順序在 ADC_JSQR寄存器中選擇。注入組里的轉換總數(shù)目寫入 ADC_JSQR寄存器的 L[1:0]位中。 如果 ADC_SQRx或 ADC_JSQR寄存器在轉換期間被更改，當前的轉換被清除，一個新的啟動脈沖將發(fā)送到 ADC以轉換新選擇的組。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)則通道對這兩個內(nèi)部通道進行轉換。 溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 本系統(tǒng)中用到的器件及實現(xiàn)的功能如下：單片機 STM32F103C8T6做 CPU，用熱電阻采集溫度信號，經(jīng)過以 ICL7650組成的信號放大及濾波電路處理傳輸給單片機STM32F103C8T6單片機自帶的 ADC將模擬信號轉換為為數(shù)字信號，經(jīng)過單片 機處理后由DAC轉換為模擬信號；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現(xiàn)的。下一章會詳細介紹各個部分的實現(xiàn)。 用 Protell畫出其原理圖，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現(xiàn) 溫度檢測電路 熱電偶 測量溫度的器件很多，包括