孫超林，王鑫，李前，盧雁飛，江良義

(天津理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300384)

STM32的環(huán)保型便攜式3D打印機(jī)研制*

孫超林，王鑫，李前，盧雁飛，江良義

(天津理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300384)

本文以STM32F1系列32位微處理器作為主控芯片，混合式步進(jìn)電機(jī)為XYZ三軸提供動(dòng)力，構(gòu)成小型便捷式3D打印機(jī)。該打印機(jī)可通過(guò)SD卡進(jìn)行脫機(jī)離線打印，減少對(duì)主機(jī)的依賴，提高便攜性，還配備了觸摸屏控制功能，使控制界面更加簡(jiǎn)單明了，降低了操作失誤的可能性；同時(shí)采用環(huán)保型材料PLA(Polylactic Acid，即聚乳酸)，打印過(guò)程中不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，打印產(chǎn)品可用于家庭、辦公室等環(huán)境。

STM32；步進(jìn)電機(jī)；SD卡；觸摸屏；3D打印機(jī)

引 言

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，人們的生活方式日趨便捷化，各種能省時(shí)、省力的科技產(chǎn)品也相繼問(wèn)世。擁有一臺(tái)能制作出任何能想到形狀的物品的機(jī)器是很方便的，3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了這種可能[1]。它取代了傳統(tǒng)的加工方式，先是通過(guò)繪圖軟件建立模型，再經(jīng)由主控芯片處理和分析控制步進(jìn)電機(jī)完成一步步打印。相當(dāng)于將整個(gè)模型橫向剖成無(wú)數(shù)個(gè)平面，由X軸和Y軸打印這一平面，再移動(dòng)Z軸，打印下一平面，層層相疊，合成完整的作品[2]。并且打印過(guò)程中只產(chǎn)生很少的邊角廢料，節(jié)省了大量的原材料，降低了生產(chǎn)成本。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

STM32系列微處理器是專為高要求、高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，它基于ARM Cortex-M3的內(nèi)核。由于STM32F103ZET6的高性能、低功耗以及豐富的外設(shè)遠(yuǎn)滿足3D打印機(jī)的需求，因此該3D打印機(jī)采用主頻為72 MHz的STM32F103ZET6作為主控芯片。該主控芯片是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，功耗為36 mA，而它的工作電壓是2.0～3.6 V，這是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5 mA/MHz[3]，非常適合本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

1.1 電機(jī)控制模塊

同其他控制系統(tǒng)一樣，電機(jī)是一個(gè)給3D打印機(jī)提供工作動(dòng)力的關(guān)鍵部件，電機(jī)的性能直接影響噴頭運(yùn)動(dòng)的精度。對(duì)于3D打印機(jī)的選型，一般從電流、軸直徑、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、扭矩四個(gè)方面考慮。桌面級(jí)別的3D打印機(jī)，一般用4線2相步進(jìn)電機(jī)，電流可以用1.5 A，一般電流用1 A就足夠了。同步帶帶動(dòng)的3D打印機(jī)需要根據(jù)同步輪和聯(lián)軸器來(lái)選擇軸直徑，一般都在5 mm左右。綜合考慮，該3D打印機(jī)的電機(jī)采用混合式步進(jìn)電機(jī)[4]，具體型號(hào)為17HD34008-22B，該電機(jī)擁有高速度、高扭矩、低噪音、高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)。

1.2 溫度控制模塊

系統(tǒng)采用的溫度傳感器接口是2路100K NTC(熱電阻)、 1路MAX6675(熱電偶)。其可再擴(kuò)展1路NTC、 1路MAX6675)。NTC溫度傳感器是利用NTC熱敏電阻在一定的測(cè)量功率下，電阻值隨著溫度上升而迅速下降。利用這一特性, 可將NTC熱敏電阻通過(guò)測(cè)量其電阻值來(lái)確定相應(yīng)的溫度，從而達(dá)到檢測(cè)和控制溫度的目的。而MAX6675是進(jìn)行熱電偶冷端補(bǔ)償和數(shù)字化 K 型熱電偶信號(hào)，其可輸出12位分辨率、SPI兼容、只讀的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換器的精度為 0.25 ℃，最高可讀+1024 ℃，如果使用數(shù)據(jù)的 8LSB，則溫度范圍為0～+700 ℃[5]。熱電偶的功能是感應(yīng)熱電偶兩端的溫度差。熱電偶的熱端可以測(cè)量0～+1023.75 ℃的溫度范圍，冷端( MAX6675 所在的電路板) 的溫度只能在-20 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)。當(dāng)冷端的溫度波動(dòng)時(shí)， MAX6675也能精確地感知熱電偶兩端的溫度差，MAX6675可以感知并修正冷端溫度的變化。器件采用熱敏二極管將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電壓，為了計(jì)算實(shí)際溫度，MAX6675將會(huì)測(cè)量熱電偶輸出端到熱敏二極管之間的電壓。器件內(nèi)部電路將會(huì)把二極管電壓(檢測(cè)環(huán)境溫度)和熱電偶電壓(檢測(cè)遠(yuǎn)端環(huán)境溫度)傳到ADC 中的轉(zhuǎn)換功能模塊中， 用來(lái)計(jì)算遠(yuǎn)端的實(shí)際溫度。當(dāng)熱電偶冷端和 MAX6675 有相同的溫度時(shí)，MAX6675 工作在最佳的狀態(tài)。要避免在MAX6675 附近放置發(fā)熱器件或元件，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致冷端測(cè)量誤差。

1.3 噴頭控制模塊

噴頭控制模塊的穩(wěn)定性是保證噴頭吐絲連續(xù)均勻的關(guān)鍵，也是保證打出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。噴頭的溫度控制模塊采用熱熔擠壓快速成型工藝，通過(guò)上位機(jī)設(shè)定溫度后，需使其溫度保持在穩(wěn)定區(qū)間，以此來(lái)保證成型的質(zhì)量。為了更好地配合噴頭的溫度控制模塊，該打印機(jī)采用一種新型的聚乳酸(PLA)生物可降解材料[6]，其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中的微生物在特定條件下完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境，這對(duì)保護(hù)環(huán)境非常有利，是公認(rèn)的環(huán)境友好材料，而且其熔點(diǎn)為200°[7]，這也大大降低了噴頭的溫度控制模塊要求。

1.4 2.8寸TFT觸摸屏

顯示屏如圖2所示，設(shè)計(jì)了較好的人機(jī)交互系統(tǒng)。直接利用觸摸屏控制打印的所有步驟及其溫度設(shè)置，簡(jiǎn)單方便。

圖2 顯示屏

1.5 SD卡

SD卡用來(lái)實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)的脫機(jī)打印，將所需要打印的產(chǎn)品文件存儲(chǔ)到SD卡中，然后直接通過(guò)觸摸屏調(diào)用文件打印即可，省去了大量的聯(lián)機(jī)打印時(shí)間，并且不影響手頭的其他工作進(jìn)行，大大增強(qiáng)了實(shí)用性。

2 程序軟件設(shè)計(jì)

2.1 程序流程圖

程序流程圖是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的核心，所有步驟均圍繞其展開(kāi)，如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2.2 程序算法

2.2.1 步進(jìn)電機(jī)各軸脈沖數(shù)計(jì)算

X、Y軸：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)(1.8度步距角的電機(jī)為200，0.9度步距角的電機(jī)為400)×步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分配置(一般16細(xì)分)/同步帶齒間距/同步輪齒數(shù)。Z軸：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)×步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分配置/絲杠導(dǎo)程。E軸：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)×步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)細(xì)分配置×擠出機(jī)齒輪傳動(dòng)比/擠出輪周長(zhǎng)。

2.2.2 溫度控制算法

由于3D打印機(jī)需要對(duì)噴頭和熱床進(jìn)行加熱，所以溫度控制在3D打印機(jī)中非常重要[8]。一個(gè)好的溫度控制系統(tǒng)不僅能提高打印精度，還能有效防止各部件由于溫度過(guò)高造成的損壞。綜合考慮，本設(shè)計(jì)溫度控制采用PID算法。

閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)如圖4所示。圖中，td為給定的目標(biāo)溫度，tr為溫度傳感器測(cè)得的實(shí)際溫度,Δt=td-tr。將輸入PID控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)PID參數(shù)kp、ki、kd三個(gè)參數(shù)使溫度快速達(dá)到給定值且在上下一個(gè)極小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖4 閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)框圖

PID控制器的部分代碼如下：

float pid_input;//PID輸入值

float pid_output;//PID輸出值

int e;

pid_input = current_temperature[e];

//定義當(dāng)前溫度為PID輸入值

pid_error[e] = target_temperature[e] - pid_input;//計(jì)算誤差

pTerm[e] = Kp * pid_error[e];

temp_iState[e] += pid_error[e]; //誤差累加

temp_iState[e] = constrain(temp_iState[e], temp_iState_min[e], temp_iState_max[e]); //積分限幅

iTerm[e] = Ki * temp_iState[e];

#define K2 (1.0-K1)

dTerm[e] = (Kd * (pid_input - temp_dState[e]))*K2 + (K1 * dTerm[e]);

//兩次誤差相減得到微分環(huán)節(jié)

temp_dState[e] = pid_input;

pid_output = constrain(pTerm[e] + iTerm[e] - dTerm[e], 0, PID_MAX); //輸出溫度

2.2.3 核心控制算法簡(jiǎn)述

由3D打印機(jī)原理可知，3D打印之所以能夠打印出構(gòu)建的3D模型，是由Gcode指令控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的。但是Gcode指令并不能直接控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)要得到各軸具體的移動(dòng)距離才能計(jì)算出步數(shù)來(lái)移動(dòng)，這就需要算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先要從SD 卡中得到Gcode指令(get_command()函數(shù))，然后通過(guò)process_command()函數(shù)對(duì)這些指令進(jìn)行解析，通過(guò)這個(gè)函數(shù)可以在獲取X、Y、Z、E各軸的參數(shù)后計(jì)算出目標(biāo)坐標(biāo)，也可以獲取當(dāng)前坐標(biāo)，注意這個(gè)坐標(biāo)為打印件的實(shí)際坐標(biāo)。知道了當(dāng)前坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)便可以計(jì)算出空間中移動(dòng)的距離了。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，G1每次將新讀取的Gcode代碼參數(shù)傳遞給process_command()函數(shù)中prepare_move()函數(shù)的某一數(shù)組以后，prepare_move()函數(shù)就會(huì)將其傳遞到plan_buffer_line()進(jìn)行電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。最后再將打印件的實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為X、Y、Z三軸的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)并計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。以下為打印機(jī)核心控制算法部分代碼：

void loop(void){

while(1){

if(buflen < (BUFSIZE-1)) {

get_command();

//從SD卡或者串口獲取gcode

}

if(buflen){

process_commands(); //解析gcode并且執(zhí)行代碼

if(buflen > 0){

buflen = (buflen-1);

bufindr = (bufindr + 1)%BUFSIZE;

}

}

manage_heater(); //控制噴頭和熱床溫度

manage_inactivity(); //控制停止打印

checkHitEndstops(); //檢查endstop的狀態(tài)

}

}

3 機(jī)構(gòu)描述

打印機(jī)本體采用鋁型材框架組合而成，以矩形框架為主體，下方兩爪為支撐，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)。打印機(jī)工作時(shí)X、Y、Z三軸聯(lián)動(dòng)，X軸步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳送帶帶動(dòng)打印平臺(tái)沿正負(fù)X方向移動(dòng)，而Y軸則位于矩形框上框沿Y軸方向移動(dòng)并帶動(dòng)打印噴頭，Z軸通過(guò)絲杠傳動(dòng)使打印平臺(tái)沿Z軸方向上下移動(dòng)。各軸均通過(guò)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來(lái)改變位置，工作時(shí)具有較高的穩(wěn)定性，并且能夠保證打印的精度。

結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于STM32微處理器的便攜式3D打印機(jī)的整體設(shè)計(jì)及部分核心算法，包括硬件電路的設(shè)計(jì)，打造打印機(jī)所需的材料以及打印機(jī)所實(shí)現(xiàn)功能需要的各種器件；還給出了以STM32為主控芯片的軟件程序和部分關(guān)鍵代碼。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試和反復(fù)改裝，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3D打印物件的精密打印，并能進(jìn)行穩(wěn)定工作。

[1] 柳建，雷爭(zhēng)軍，顧海清，等. 3D打印行業(yè)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2015(3): 17-21.

Environmental Protection and Portable 3D Printer Based on STM32

Sun Chaolin,Wang Xin,Li Qian,Lu Yanfei,Jiang Liangyi

(Engineering Training Center,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China)

In the project,the STM32F1 series 32-bit MCU is used as the master control chip,and the hybrid step-motor provides the power for X,Y and Z triaxial,those constitute a compact and convenient 3D printer.This printer can off-line print through the SD card,which can reduce the dependence on the host to improve the portability of the device.Besides,a touch-screen control function is equipped,which makes the control interface more straightforward and reduces the possibility of operator error.It also uses green materials-PLA (Polylactic Acid).In the printing process,no harmful substances is produced.The printed products can be used in homes,offices and other environments.

STM32;step-motor;SD Card;touch screen;3D printer

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào)：201510060003)。

TP334.8

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