司國(guó)斌， 王春霞， 靳孝峰

(焦作大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 焦作 454003)

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FDM型3D打印機(jī)的高精度進(jìn)料系統(tǒng)研究

司國(guó)斌， 王春霞， 靳孝峰

(焦作大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 河南 焦作 454003)

為了提高打印成型件的精度和質(zhì)量，對(duì)FDM型3D打印機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)及其具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了改進(jìn).系統(tǒng)采用功率管IRF530N、加熱管和PWM組成加熱模塊，采用鉑熱電阻Pt100、差動(dòng)放大電路和PID算法組成溫度測(cè)控模塊.既簡(jiǎn)化了標(biāo)度變化的計(jì)算量，又降低了電阻值溫漂對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.針對(duì)基于步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的送料控制模塊，給出了減少步進(jìn)電機(jī)失步的措施.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了180～250 ℃，±1℃精度的恒溫控制，為FDM型3D打印機(jī)系統(tǒng)的恒溫和高精度進(jìn)料提供了保障，并且在簡(jiǎn)單調(diào)整后，還可對(duì)濕度、壓力、位移和角度等物理量進(jìn)行控制.

3D打印機(jī)； PID； PWM； 恒溫控制

3D打印在汽車(chē)、建筑、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如模具制造[1]、零部件加工[2]、日用品模型加工和外形設(shè)計(jì).FDM型3D打印機(jī)具有操作環(huán)境干凈、安全，工藝簡(jiǎn)單，易操作且不產(chǎn)生垃圾，尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好，易于裝配和原材料種類(lèi)多，費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[3-4].進(jìn)料系統(tǒng)作為FDM型3D打印機(jī)的核心部件，

直接影響到成型件的精度和質(zhì)

量.材料收縮率、噴頭溫度、進(jìn)料速度與擠出速度的匹配等，都會(huì)影響FDM型3D打印機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)的精度.材料的收縮率屬于外部因素，可通過(guò)噴頭溫度和進(jìn)料速度與擠出速度的匹配改善.因此，研究進(jìn)料系統(tǒng)溫度控制及其具體實(shí)現(xiàn)方法，有一定意義和價(jià)值.限于篇幅，本文主要研究噴頭溫度控制對(duì)進(jìn)料精度的影響.

1　進(jìn)料系統(tǒng)總體

進(jìn)料系統(tǒng)主要由四部分組成：加熱模塊、溫度模塊、電機(jī)模塊和風(fēng)扇模塊，組成框圖如圖1所示.其中，加熱模塊由加熱控制電路和加熱管組成，實(shí)現(xiàn)固體塑料融化；溫度模塊由溫度測(cè)量電路和溫度傳感器組成，實(shí)現(xiàn)溫度和進(jìn)料控制；電機(jī)模塊由電機(jī)控制電路和電機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)送料量控制；風(fēng)扇模塊由風(fēng)扇控制電路和風(fēng)扇組成，實(shí)現(xiàn)氣體擴(kuò)散和系統(tǒng)冷卻.本文研究的關(guān)鍵點(diǎn)集中在加熱模塊和溫度測(cè)量模塊，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)料系統(tǒng)的恒溫控制.在本系統(tǒng)中，選用STM32F103VBT6作為主控制器(LQFP100封裝)，選用鉑熱電阻Pt100作為溫度傳感器[5-6].

圖1　進(jìn)料系統(tǒng)組成框圖Fig.1　Block diagram of the feed system

2　加熱模塊設(shè)計(jì)

FDM型3D打印常用的塑料耗材有PLA和ABS兩種，直徑分別為1.75 mm和3.0 mm.PLA是生物分解性材料，具有較低的熔體強(qiáng)度，打印模型更容易塑形，表面光澤性優(yōu)異，色彩艷麗，氣味宜人，適于環(huán)保產(chǎn)品；ABS有刺鼻氣味，但它的耐撞和耐熱性好，適于對(duì)耐熱和耐磨要求較高的產(chǎn)品.PLA耗材最佳的打印溫度為180～210 ℃，ABS耗材最佳的打印溫度為190～210 ℃.根據(jù)熱學(xué)理論和進(jìn)料量，加熱管功率在30～40 W時(shí)效果較佳.

加熱模塊電路如圖2所示.圖2中，選用N溝道、HEXFET、功率MOSFET IRF530N(圖中Q2).IRF530N具有90 mΩ的超低導(dǎo)通電阻，最大漏極電流ID=17 A，漏源擊穿電壓VDSS=100 V.HOT為來(lái)自主控器STM32F103VBT6的I/O信號(hào)，幅值電壓為0～3.3 V，而IRF530N的柵源極導(dǎo)通電壓VDS=2.0～4.0 V，因此為保證IRF530N可靠工作，先用HOT控制NPN型三極管9013(圖中Q1)的工作狀態(tài)，再用Q1控制Q2，實(shí)現(xiàn)加熱管控制.當(dāng)Q1處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，Q2導(dǎo)通，加熱管加熱；當(dāng)Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，Q2截止，加熱管停止加熱.STM32F103VBT6內(nèi)部集成4個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器TIM1，TIM2，TIM3和TIM4，每個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器有4路定時(shí)計(jì)數(shù)通道TIMx_CH1，TIMx_CH2，TIMx_CH3和TIMx_CH4，每路定時(shí)計(jì)數(shù)通道都具有PWM工作模式.

圖2　加熱模塊電路Fig.2　Heating module circuit

本文中選用PWM模式下TIM2_CH2定時(shí)計(jì)數(shù)通道，作為HOT信號(hào).STM32F103系列在PWM模式設(shè)置時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)PWM通道對(duì)應(yīng)的I/O引腳設(shè)置為復(fù)用功能的推挽輸出模式；

2)在定時(shí)器復(fù)位后，設(shè)置其有關(guān)參數(shù)和系數(shù)；

3)時(shí)鐘預(yù)分頻系數(shù)TIM_Prescaler的取值范圍為0～65 535，定時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率等于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fosc除以1與TIM_Prescaler的和.例如當(dāng)fosc=72 MHz，TIM_Prescaler=71時(shí)，定時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率等于1 MHz；

4)可通過(guò)函數(shù)“TIM2->CCR2=xx”設(shè)置TIM2_CH2定時(shí)計(jì)數(shù)通道PWM的占空比.

注意：在停止加熱時(shí)不僅要關(guān)閉TIM2_CH2，還要通過(guò)函數(shù)“TIM_ForcedOC2Config(TIM2， TIM_ForcedAction_InActive)”，使其強(qiáng)制輸出非匹配電平(高電平)，以保證場(chǎng)效應(yīng)管IRF530N處于截止?fàn)顟B(tài).

3　溫度模塊設(shè)計(jì)

鉑熱電阻Pt100是一種常用的溫度傳感器，測(cè)量范圍為-190～630 ℃，精度為±1 ℃.在0～630 ℃時(shí)，鉑熱電阻Pt100的阻值溫度關(guān)系為

Rt=100(1+at+bt2)，

(1)

式中：a=3.96847×10-3℃-1,b=5.847×10-7℃-2.因此，0 ℃時(shí)，Pt100的阻值為100 Ω；250 ℃時(shí)，Pt100的阻值為194.1 Ω.本文為保證測(cè)溫模塊有合理的余量，設(shè)計(jì)測(cè)溫上限為250 ℃.溫度模塊電路如圖3所示.

圖3　溫度模塊電路Fig.3　Temperature module circuit

圖3中，選用低成本運(yùn)算放大器LM324，構(gòu)成差動(dòng)運(yùn)算放大電路對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，輸出V3為

(2)

式中:R6=110 kΩ，R9=3.3 kΩ.經(jīng)計(jì)算，知0～250 ℃時(shí)，V3變化范圍為0～3.14 V.LM324在單+5V供電時(shí)，輸出信號(hào)范圍為0～3.5 V，在有效測(cè)溫范圍內(nèi)，信號(hào)可完整傳輸.

圖中U2是一款高精度基準(zhǔn)電壓芯片REF3033，輸出電壓為(3.3±0.006)V，輸出電流為25 mA.電阻R8和R7組成串聯(lián)電阻分壓結(jié)構(gòu)，分壓V1向差動(dòng)電路提供反相端輸入電壓.電阻R10和鉑熱電阻RT1也組成串聯(lián)電阻分壓結(jié)構(gòu)，分壓V2向差動(dòng)電路提供同相端輸入電壓.于是，式(2)可表示為

(3)

R7和R10阻值相同，R8和RT1在0 ℃時(shí)的阻值相同，R10遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RT1.因此，根據(jù)式(1)，則式(3)可近似為

(4)

式中Vref=3.3 V.再將R6，R9和R10的阻值代入式(4)，式(4)可表示為

(5)

式(5)即為進(jìn)料系統(tǒng)溫度與電壓的關(guān)系.選用差動(dòng)放大電路不僅可簡(jiǎn)化溫度與電壓的關(guān)系，又可明顯降低電阻溫漂對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.

對(duì)測(cè)溫電路的幾點(diǎn)說(shuō)明：1)R6至R12選用精度為0.05%的低溫漂精密電阻；2)穩(wěn)壓二極管D1將溫度信號(hào)鉗制在3.3 V以下，對(duì)單片機(jī)STM32F103VBT6 的ADC_IN0通道進(jìn)行電壓保護(hù)；3)電阻R13既可限流，又可在V3>3.3 V時(shí)保護(hù)LM324；4)ADC0連接單片機(jī)STM32F103VBT6的ADC_IN0通道.

4　恒溫控制算法設(shè)計(jì)

PID是一種經(jīng)典的閉環(huán)控制方法，很多場(chǎng)合都用其來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制[7-10].本文先利用ADC，經(jīng)標(biāo)度變換，得到當(dāng)前溫度T_feed.再用目標(biāo)溫度T_Set與當(dāng)前溫度T_feed做差運(yùn)算：如果偏差在0.1 ℃以內(nèi)，繼續(xù)保持當(dāng)前PID參數(shù)；如果偏差超出0.1 ℃，調(diào)用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié).本文采用±0.1 ℃的理論偏差，保證±1 ℃的實(shí)際誤差.PID恒溫控制的核心實(shí)現(xiàn)方法如下：

if( fabs(T_Set-T_feed) >0.1 )

{

float Pv;

Pv=PIDCalc (Temp_HOT，T_feed);

CCR_feed=5995-(CCR_feed+Pv*20.0); //將溫度轉(zhuǎn)換為T(mén)IM2_CH2的占空比參數(shù)

if(CCR_feed<=1) CCR_feed=1;

else if(CCR_feed >=5950) CCR_feed=5950;

TIM2->CCR2=CCR_feed; //更新占空比，實(shí)現(xiàn)PID溫度調(diào)節(jié)

}

typedef struct PID {float SetPoint，Proportion，Integral，Derivative，LastError，PrevError，SumError; } PID;

在結(jié)構(gòu)體PID中，SetPoint為目標(biāo)溫度，Propor￣tion為比例常數(shù)，Integral為積分常數(shù)，Deriva￣tive為微分常數(shù)，LastError為當(dāng)前偏差，PrevError為上次偏差，SumError為總偏差.

float PIDCalc( PID *Temp， float NextPoint ) // PID計(jì)算，Temp為PID型數(shù)組

{

float dError，Error;

Error=Temp->SetPoint-NextPoint; //計(jì)算偏差

Temp->SumError+=Error; //計(jì)算積分dError=Temp->LastError-Temp->PrevError; //計(jì)算微分

Temp->PrevError=Temp->LastError; //更新上次偏差

Temp->LastError=Error; //更新當(dāng)前偏差

if(Temp->SumError>900)

Temp->SumError=900; //限制總偏差

else if(Temp->SumError<-900)

Temp->SumError=-900;

return (Temp->Proportion * Error //返回得到比例項(xiàng)

+Temp->Integral * Temp->SumError //返回得到積分項(xiàng)

+Temp->Derivative * dError //返回得到微分項(xiàng)

);

}

5　電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)模塊控制進(jìn)料量大小.本文選用2相4線制混合式步進(jìn)電機(jī)為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是電機(jī)模塊的電路核心.目前，集成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片較多，如A39系列、L62系列、TA83系列和THB系列等.應(yīng)選擇輸出電流可調(diào)、細(xì)分?jǐn)?shù)可程控選擇的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以保證系統(tǒng)柔性.雖然步進(jìn)電機(jī)具有成本低和可準(zhǔn)確定位等優(yōu)點(diǎn)，但失步現(xiàn)象是其核心缺陷，產(chǎn)生失步的本質(zhì)是電機(jī)輸出扭矩偏小[11].為減少失步現(xiàn)象，在電機(jī)模塊軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)盡可能得到準(zhǔn)確的負(fù)載大小，使電機(jī)扭矩有20%以上的余量，即大馬拉小車(chē)；2)采用梯形結(jié)構(gòu)的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止方式[7]；3)大負(fù)載選用低速、小步距角和小細(xì)分?jǐn)?shù)，小負(fù)載可選用高速、大步距角和大細(xì)分?jǐn)?shù)；4)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片至少有20%的功率余量，同時(shí)提供上限電壓使電流動(dòng)態(tài)調(diào)整[12-13].

6　實(shí)　驗(yàn)

以本文設(shè)計(jì)的FDM型3D打印機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)為平臺(tái)，測(cè)得表1所示的溫度數(shù)據(jù).由表1可知，進(jìn)料系統(tǒng)溫控范圍為180～250 ℃，最大正偏差為+0.6～+0.9 ℃，最大負(fù)偏差為-0.5～-0.8 ℃，完全達(dá)到±1 ℃的精度.如果要進(jìn)一步減小偏差，可選用高精度溫度傳感器和高速ADC，但對(duì)于FDM型3D打印進(jìn)料系統(tǒng)，溫度控制沒(méi)有實(shí)際意義，實(shí)際應(yīng)用中±5 ℃的誤差即可完全滿足要求.

表1溫度測(cè)量數(shù)據(jù)

Table 1　Datas of temperature measurement ℃

7　結(jié)　論

本文研究并設(shè)計(jì)出一套完整的FDM型3D打印機(jī)進(jìn)料控制系統(tǒng)，將PWM、PID、差動(dòng)放大電路和鉑熱電阻有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)180～250 ℃，±1 ℃精度的恒溫控制，為FDM型3D打印機(jī)系統(tǒng)的打印質(zhì)量和精度提供了保證.同時(shí)，該進(jìn)料系統(tǒng)還具有以下特點(diǎn)：1)調(diào)整差動(dòng)放大電路的增益，可改變測(cè)溫范圍；2)選用高精度溫度傳感器和高速ADC[14-15]，可實(shí)現(xiàn)更高精度的溫度控制；3)對(duì)電路進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度、壓力、位移和角度的控制.

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Research for high-precision feed system based on 3D printer of FDM

SI Guo-bin， WANG Chun-xia， JIN Xiao-feng

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Jiaozuo University， Jiaozuo 454003, China)

In order to improve accuracy and quality of print moldings， high-precision feed system based on 3D printer of FDM and the implement method is improved. This system used IRF530N power tube， heating pipe and PWM as a Heating Module; Pt100 platinum thermistor， differential amplifier circuit and PID Algorithm as a Temperature Measuring and Controlling Module. It not only simplified the calculation of scale changes， but also reduced the influence of the measurement of resistance drift. Based on feeding control module of the stepping motor， some measures for reducing the phenomenon of the stepper motor which losed step were given. The realization of constant temperature control of 180-250 ℃ range， ±1 ℃ accuracy can guarantee the constant temperature and high precision feeding of 3D printer of FDM. It can also be used to control the humidity, pressure, displacement and angle and other physical quantities.

3D printer; PID; PWM; thermostatical control

2016-03-09.

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210204,152102210020)

司國(guó)斌(1979—)，男，河南焦作人，講師，碩士，從事自動(dòng)化控制研究，E-mail：15216471@qq.com.

王春霞(1980—)，女，河南焦作人，碩士，講師，從事電子技術(shù)研究，E-mail：wcxwlx@163.com

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.05.013

TP 272

A

1006-754X(2016)05-0497-04

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.zjujournals.com/gcsjxb

http://orcid.org//0000-0002-8315-7163