【正文】 爭(zhēng)的嚴(yán)峻形勢(shì)感受深刻，不少企業(yè)對(duì)RP技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)生濃厚的興趣，經(jīng)濟(jì)充裕的單位不惜花費(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。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。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。FDM系統(tǒng)對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)無(wú)可比擬。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)。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。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。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。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。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。工作室的溫度影響不大，只需要保持30176。 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)。（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。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?？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。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。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。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。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)。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。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。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)。e(k)為采樣時(shí)刻K的偏差值。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)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖23所示。同時(shí)它反饋的信號(hào)也是后續(xù)環(huán)節(jié)的步驟指令。（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。（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。 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)。 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的溫度范圍，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：l 該芯片工作時(shí)最高頻率可達(dá)72MHz；l 內(nèi)部帶有128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM；l 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；l 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；l 系統(tǒng)帶有18MHz的spi總線通訊接口；l 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；l 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； l 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；l 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。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。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]。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。主要特征為：l 12位分辨率l 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l(xiāng) 單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式l 從通道0到通道n的自動(dòng)掃描模式l 自校準(zhǔn)l 帶內(nèi)嵌數(shù)據(jù)一致的數(shù)據(jù)對(duì)齊l 通道之間采樣間隔可編程l 規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換均有外部觸發(fā)選項(xiàng)l 間斷模式l 雙重模式(帶2個(gè)ADC的器件)l ADC轉(zhuǎn)換速率1MHzl ADC供電要求：l ADC輸入范圍：l 規(guī)則轉(zhuǎn)換期間有DMA請(qǐng)求產(chǎn)生?？梢园艳D(zhuǎn)換分成兩組：規(guī)則的和注入的。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)則通道和它們的轉(zhuǎn)換順序在ADC_SQRx寄存器中選擇。l 注入組由多達(dá)4個(gè)轉(zhuǎn)換組成。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。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。 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。用Protell畫(huà)出其原理圖，如圖所示：圖24溫度控制電路原理圖3 溫度控制電路各部分的實(shí)現(xiàn)測(cè)量溫度的器件很多，包括熱敏電阻、熱電偶、紅外測(cè)溫、水銀等等。C，因此決定選擇熱電偶測(cè)溫。為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，我們將溫度范圍擴(kuò)展到500℃，參考端的溫度取值為30℃，其最大的輸出也僅是21919μν。因此為了更精確的測(cè)量溫度，將熱電偶的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路輸入進(jìn)STM32的ADC端口。 表31K型熱電偶的分度表　　K 參考端溫度：0℃ 整10度μν值010203040506070809000397798120316112022243628503266368110040954508491953275733613765396939733877372008137853789389341974510151105601096911381117933001220712623130391345613874142921471215132155521597440016395168181724117664180881851318938193631978820214500206402106621493219192234622772231982362424050244766002490225327257512617626599270222744527867282882870970029128295472996530383307993121431629320423245532866800332773368634095345023490935314357183612136524369259003732537724381223851938915393103970340096404884087910004126941657420454243242817432024358543968443494472911004510845486458634623846612469854735647726480954846212004882849192495554991650276506335099051344516975204913005239853093530935343953782541255446654807在本課題中，我們需要將FDM工作溫度很好的控制在℃的范圍，放大倍數(shù)在150200倍之間。其原理圖圖和外圍電路如圖31和32所示： 圖31 ICL7650原理圖 圖32 ICL7650外圍電路圖同時(shí)選用儀器放大器，具有很高的輸入阻抗，同時(shí)可以在末端加一個(gè)跟隨器提高輸出阻抗。圖33信號(hào)放大電路首先對(duì)該放大電路進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算分析：設(shè)R1左端輸入信號(hào)電壓為，左端輸入信號(hào)電壓為，與之間電壓為，R6與R4連接點(diǎn)電壓為。 所以: 。圖34溫度檢測(cè)電路仿真 抗干擾性能是系統(tǒng)的可靠性的重要指標(biāo)。系統(tǒng)的接地裝置不良或不合理,也是引入干擾的重要途徑。在高壓、大電流、高頻電磁場(chǎng)附近干擾以場(chǎng)的形式入侵微機(jī)系統(tǒng)。干擾的信號(hào)往往是幅值小，頻率高，但是小幅值的雜波一旦是在放大器之前形成、輸入，則可以被放大到足以給系統(tǒng)帶來(lái)很大誤差，甚至失去控制作用的后果，針對(duì)于上述的影響，我們?cè)诜糯笄昂蠖紝?duì)電路設(shè)計(jì)了濾波，以實(shí)現(xiàn)放大器的高增益、低噪聲！放大前采用并聯(lián)小電容的形式進(jìn)行1級(jí)濾波，對(duì)高頻部分過(guò)濾，但是低頻部分可以很容易通過(guò)；后面的RRCC4組成了二級(jí)RC濾波電路。用multisim仿真軟件對(duì)放大器電路進(jìn)行模擬分析，模擬電路的線性度及失真區(qū)間，從而推知工作溫度范圍。如圖36和37所示：圖36取Rg=300的模擬圖圖37 取Rg=200的模擬圖從上述的二個(gè)模擬結(jié)果中分析，分別取Rg等于300、200模擬，201，而根據(jù)模擬圖的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出Rg等于300、,，可見(jiàn)模擬出的效果較好。對(duì)于不同的要求，只需調(diào)節(jié)Rg值就可以得所需的放大倍數(shù)。由于水溫測(cè)試的結(jié)果較準(zhǔn)確，這里僅對(duì)水溫測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。放大倍數(shù) G=400/=(R3+R4)/Rg+1=201相差無(wú)幾，僅存的誤差可能是萬(wàn)能表測(cè)量Rg值的誤差造成。這一部分共有兩路，分別連接兩個(gè)加熱棒，控制兩個(gè)噴嘴的溫度，每一路主要包括一個(gè)光電耦合器MOC3021，一個(gè)集成電路移相觸發(fā)器TCA785，一個(gè)變壓器和一個(gè)雙向可控硅。輸出部分是一光敏雙向晶閘管，在輸出端電壓接近零時(shí)，在紅外光的作用下能雙向?qū)āD39 MOC3021示意圖TCA785是西門(mén)子公司研制生產(chǎn)的集成移相觸發(fā)器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖310所示。與其他集成觸發(fā)器相比，由它