韓高飛，許一靖，朱峻屹，李治恒，李博涵，潘爽爽，高宏峰

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

0 引言

隨著人們生活的需求不斷增加和咖啡市場的不斷擴(kuò)大，咖啡已逐漸成為公眾喜愛的一種飲料。拉花作為精品咖啡的重要組成部分，拉花圖案對顧客的視覺、嗅覺、味覺等感官產(chǎn)生重要影響。

目前，大多數(shù)高級咖啡館均有專業(yè)的拉花師，但培養(yǎng)一位初級拉花師需花費六個月的時間和兩萬元左右的費用。同時越來越繁雜的咖啡拉花圖案和急劇增加的顧客數(shù)量，使手工拉花已經(jīng)無法滿足需求。因此市場迫切需要一種可以自動拉花[1]的智能設(shè)備。

為了解決目前自動拉花中存在的問題，本文設(shè)計了一種新型的咖啡拉花機[2]。首先，采用氣動活塞式打印噴頭，實現(xiàn)奶油連續(xù)且穩(wěn)定體積擠出；通過引入步進(jìn)電機梯形速度前瞻算法和加減速算法，進(jìn)一步重新設(shè)計拉花機運動控制算法，以解決拉花立體打印[3]過程中遇到的柔性沖擊、高曲率拐角突變等問題。本文所提方案能提高拉花的精度和穩(wěn)定性，實現(xiàn)咖啡拉花機自動拉花的功能。

1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)流程圖如圖1所示。首先，對要打印的圖案通過三維建模軟件Soidworks建立模型，并將軟件建立的模型保存為STL文件格式，STL文件格式中含有模型的三角面片信息。其次，再設(shè)置切片軟件初始層后續(xù)、外層厚度和打印速度等參數(shù)，并通過適應(yīng)性分層算法切割3D模型，規(guī)劃模型打印路徑，將STL文件轉(zhuǎn)化成具有G代碼命令流格式的G代碼文件，最終保存到SD卡中。SDIO實現(xiàn)把SD卡中的數(shù)據(jù)讀取到STM32的內(nèi)存中，STM32通過解析G代碼命令，產(chǎn)生脈沖信號給步進(jìn)電機驅(qū)動器，而后驅(qū)動器控制XYZ軸步進(jìn)電機運動。

圖1 系統(tǒng)工作流程

2 3D打印噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

3D打印噴頭[4]的重要功能是將奶油連續(xù)和穩(wěn)定體積擠出。為了盡量限制3D打印噴頭結(jié)構(gòu)尺寸、減輕重量以及在耗材用完后方便換料，本設(shè)計將采用氣動活塞式結(jié)構(gòu)的3D打印噴頭。3D打印噴頭由噴嘴、料筒、活塞和氣泵組成，其中氣泵選用流量能精確控制的蠕動泵，蠕動泵產(chǎn)生的氣壓通過泵管等壓力推動活塞，活塞再擠壓料筒內(nèi)部的空氣將奶油從噴嘴擠出[5]。由于考慮到咖啡拉花打印不需要達(dá)到像FDM打印那樣高的打印精度，為了減小擠出阻力，并根據(jù)實際打印效果分析，噴嘴最終選用了18G(內(nèi)徑0.86 mm,半徑為0.43 mm)針管，有效長度為7 mm。

該噴頭料筒的優(yōu)點是采用非固定安裝方式，易于更換，可將奶油預(yù)先灌裝在塑料料筒中，耗材用完后直接更換料筒，工作效率高，用戶使用方便。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括步進(jìn)電機驅(qū)動電路模塊和斷電續(xù)打模塊。步進(jìn)電機驅(qū)動電路將控制器輸出的微弱電流脈沖信號進(jìn)行放大，按步進(jìn)順序關(guān)系分配給各個繞組使之步進(jìn)動作。斷電續(xù)打模塊利用電容儲存余電對微控制器芯片發(fā)送斷電指令，保存當(dāng)前時刻的位置信息。當(dāng)再次上電時，可以繼續(xù)打印上次未完成的模型。

3.1 步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計

本設(shè)計使用的是兩相四線混合式步進(jìn)電機，其需要范圍為9V～36V的工作電壓和1.7A的額定電流。驅(qū)動電路將采用DVR8825的微雙極步進(jìn)電機驅(qū)動芯片，其具有可調(diào)節(jié)電流大小、過流和過熱保護(hù)等功能。驅(qū)動電路包括EN、DIR、STEP 3路等輸入端口，ENABLE端口用于使能DRV8825內(nèi)部的場效應(yīng)管輸出，當(dāng)ENABLE為高時，不使能輸出，電機處于鎖緊狀態(tài)；而當(dāng)ENABLE為低時，使能輸出，電機會處于運動狀態(tài)。DIR用于控制步進(jìn)電機的正反轉(zhuǎn)，DIR為正時，電機正轉(zhuǎn)；DIR為低時，電機反轉(zhuǎn)。STEP為步進(jìn)電機脈沖輸入端口，STEP收到控制器發(fā)送過來的一個脈沖后，產(chǎn)生1.8°的步距角。

3.2 斷電續(xù)打模塊

斷電續(xù)打模塊為AC220V和開關(guān)電源的中轉(zhuǎn)區(qū)，一端接插座220V，另一端接開關(guān)電源，通過繼電器控制它們之間的通斷。其核心思想是當(dāng)突然斷電時，利用其儲存在電容里的余電對微控制器芯片發(fā)送斷電指令，通知單片機此刻斷電以保存當(dāng)前時刻的位置信息，當(dāng)再次上電時，繼續(xù)打印上次未打印完成的模型。使用繼電器實現(xiàn)弱電控制強電，光電耦合器PC817隔離前后級電路,避免強電部分對弱電部分的干擾。Single端輸出高電平時為正常狀態(tài)。由于光耦反應(yīng)速度在幾微秒左右，當(dāng)突然斷電時，Single會瞬間發(fā)出一個低電平通知單片機來完成保存數(shù)據(jù)的命令，此時，單片機利用存儲在電容里的余電進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。實驗證明，此功能可以使單片機順利完成數(shù)據(jù)的存儲。

圖2 步進(jìn)電機驅(qū)動電路

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括步進(jìn)電機運動控制[6]和人機交互。用戶可以在拉花機顯示屏上選擇想要打印的拉花圖案，通過手機掃碼完成支付，拉花機為用戶制作一杯拉花咖啡。在步進(jìn)電機運動控制上提出了梯形加減速算法和速度前瞻算法。其中，梯形加減速算法主要用于控制步進(jìn)電機的運動過程，而速度前瞻算法運用圓弧轉(zhuǎn)接算法對打印路徑中的拐角速度進(jìn)行速度規(guī)劃。

4.1 梯形加減速算法

咖啡拉花機中的步進(jìn)電機在使用過程中會遇到以下幾種情況：首先，咖啡拉花機在步進(jìn)電機正常運行狀態(tài)下速度相對較慢，而步進(jìn)電機啟動、停止和速度變化較大時，咖啡拉花機容易發(fā)生失步和過沖現(xiàn)象；其次，步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的極限啟動頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于要求的運行速度，當(dāng)按照要求的運行速度直接啟動時，控制系統(tǒng)可能會因速度過高而發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)等現(xiàn)象；最后，當(dāng)?shù)竭_(dá)終點時STM32控制中心立即停止發(fā)送脈沖串，電機轉(zhuǎn)子會因系統(tǒng)慣性而轉(zhuǎn)過平衡位置，一旦系統(tǒng)負(fù)載的慣性較大，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)到接近終點平衡位置的下一個平衡位置，并最終停止在該位置。因此，為了解決上述問題，本文將采用梯形加減速算法[7]以保持良好的步進(jìn)電機運動控制過程。

圖3 梯形加減速算法速度變化曲線

由圖3分析可知，梯形加減速算法速度變化曲線可以分為以下三個階段：

1) 加速過程：此階段的速度保持固定斜率呈現(xiàn)不斷上升的變化趨勢，得到vi+1=vi+aT，其中vi+1為第i+1個插補周期的速度；vi為第i個插補周期的速度；a為用戶設(shè)定的加速度；T為插補周期。

2) 勻速過程：此階段的速度將保持不變，即vi+1=vi；

3) 減速過程：此階段的速度沿直線不斷下降，即vi+1=vi-aT。

由上述曲線和數(shù)學(xué)模型可知，在給定步數(shù)時，速度將從零開始加速，當(dāng)?shù)竭_(dá)既定的最大速度后保持勻速運動，運動到一定步數(shù)后開始減速，最后停下來到達(dá)給定的步數(shù)，速度曲線類似一個梯形的變化過程，這樣可以讓電機啟動或者停止更加平滑，避免抖動的出現(xiàn)。

4.2 速度前瞻算法

咖啡拉花機在高曲率或拐角處時，拉花機噴頭的方向?qū)l(fā)生突變，會嚴(yán)重影響拉花精度。本文采用速度前瞻控制算法[8]來減少打印過程中的振動沖擊。其主要分為以下幾個步驟：首先，預(yù)先獲取待打印模型的位置信息，基于位置信息以得到規(guī)劃的最佳速度值。其次，利用得到的多個連續(xù)插補段速度值以避免頻繁的加減速過程，并對高曲率點或者拐角處的情況及時調(diào)整速度。通過預(yù)讀一部分G代碼指令，每次執(zhí)行插補均可提前獲取相鄰打印路徑的諸多信息，如：變速點位置和速度信息等，并及時對打印速度進(jìn)行平滑處理。通過圓弧轉(zhuǎn)接算法對打印路徑中的拐角速度完成規(guī)劃，可以實現(xiàn)較好的系統(tǒng)性能。

速度前瞻算法流程圖如圖4所示。STM32微控制器在執(zhí)行插補前，需要預(yù)讀3條G代碼指令，其中每條G代碼指令均由運行速度值和XYZ坐標(biāo)軸位置組成。獲得坐標(biāo)位置和運行速度后，通過對位置坐標(biāo)進(jìn)行計算以得到2段插補段路程分別對應(yīng)的脈沖數(shù)。在脈沖數(shù)的基礎(chǔ)上，通過查梯形曲線速度表(將事先規(guī)劃好的速度曲線存入到ROM中，在加減速過程中控制ROM地址的偏移來生成連續(xù)變化的速度值)和每段插補段的運行速度，得到速度值對應(yīng)的累計脈沖數(shù)。最終，基于各插補段G代碼命令得到不同的運行速度，并利用本文所提的梯形曲線加減速算法完成咖啡拉花機的速度規(guī)劃。

圖4 速度前瞻算法

5 結(jié)束語

本文基于STM32 ARM微控制器設(shè)計了新型的咖啡拉花機，在3D打印噴頭的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和步進(jìn)電機運動控制算法等方面提出諸多改進(jìn)方案，解決了目前咖啡立體拉花打印精度低、穩(wěn)定性差等問題。