【3D打印机控制系统硬件设计案例4300字】

D打印机控制系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u7653D打印机控制系统硬件设计案例综述 1113811.1主控模块的选择 198561.2STM32及其外围电路 315121.3步进电机驱动模块 4327571.4行程开关模块 5259901.6加热构建平台模块 7139161.7人机交互模块 101.1主控模块的选择本文选用双CPU来实现3D打印控制系统独立完成模型下载切片和打印的工作，两个CPU分别作为控制系统的上位机主控芯片和下位机打印主控芯片。上位控制芯片选择使用的Exynos核心面板4412由三星公司生产,Exynos核心板采用Cortex-A9内核,使用的四核心处理器为1.4G,运行时的最大频率可达1.4GHz,可以扩展两个主要设备LPDDR2接口1066,在处理速度上,四个核心核心处理器在两个LDS核心处理器之上,Exy4412只利用两个LPDR2核心接口设备。拥有320GPIO接口,可以提升Linux、Android和QtE等优质操作系统,支持高分辨率的触摸屏,支持高清晰度高清视频等。在软件控制芯片上,选择核心板Exynos4412作为主控制芯片,因此本文在带有STM32F401VET6内核的打印机控制芯片上进行了选择。该芯片具有易于使用、低成本、低功耗和系列芯片等优点,具有很大的市场前景,被广泛应用于嵌入式设备如智能、医疗、工业仪器等设备中。本文选用的STM32F401VET6内部搭载的是Cortex-M4内核，主频为84MHz的CPU，具有较高的处理速度，能够保证数据传输实时性，内部含有512K的Flash存储和96K的SRAM存储，在存储容量和处理速度上，明显要比8位和16位单片机[17]更优秀。在Exynos4412核心板的工作过程中，供电电压采用4.2V直流电压进行供电，RT8065芯片可以将输入的5V直流电压转化成4.2V直流电压这样就为Exynos4412核心板提供了供电电压，为了保证供电电压的稳定性，此时同样需要对5V直流供电电源进行滤波。Exynos4412核心板供电电路如图3-1所示。图3-1Exynos4412核心板供电电路由于Exynos4412核心板要搭载Linux操作系统，系统时间是由单独的电路控制的，这样无论Exynos4412核心板是否上电，系统时间都会有电源进行供电，保证了系统时间的不间断运行，在电池电路中由2个二极管D1和D2来控制供电。电池电路如图3-2所示。3-2Exynos4412核心板电池电路1.2STM32及其外围电路STM32微控制器是一种高性能处理器，在性能上远远优于传统的8位和16位单片机，然而在价格上却与这两者并无差别，超高的性价比使得STM32在工程中应用十分普遍，市面上主流的3D打印控制系统采用的主控芯片就是STM32，相对来说技术已经十分成熟，因此此芯片无疑是最好的选择，STM32微控制器的滤波电路如图3-3所示。图3-3STM32滤波电路STM32在工作过程中同样需要复位电路，但并不像Exynos4412核心板已经将复位必须的电阻和电容绘制在核心板中，所以在硬件设计时，需要为STM32设计完整的复位电路。复位电路如图3-5所示。图3-4复位电路在图3-4中，当STM32上电时，电容C133开始充电，电容充电过程中电阻R142中有电流通过，所以将RESET引脚的电平拉高，几微秒后，STM32执行复位操作，再经过几毫秒当电容C133充满电时，电阻R142没有电流流过，RESET引脚的电平被拉低，STM32的工作状态进入正常；当STM32工作时，按下RST1，电容放电；开关断开后，电容重新开始充电，STM32复位。STM32在打印过程中控制了步进电机，加热构建平台和加热管这些元器件，这些元器件需要12V或者24V直流电源进行供电，和Exynos4412核心板通信的USB接口需要5V直流电源来供电，而STM32及部分检测元器件又需要1.3V的直流电源来供电，所以在打印过程中，有三种电压在同时工作。电源电路如图3-5所示。图3-5STM32电源电路1.3步进电机驱动模块FDM型3D打印机有四个步进电机，分别是X轴驱动电机，Y轴驱动电机，Z轴驱动电机和挤出电机[18]。当选择步进电机驱动器时我们需要考虑驱动器的驱动能力能否达到工作要求，选择扭矩较大的57步进电机。因此需要驱动电流比42系列步进电机要大，市面上经常使用的A988驱动器的极限输出电流为2A。驱动能力达不到我们的要求。本文选择L6474H驱动器，L6474H支持8-45V电压，输出电压范围远远优于A988，输出电流的上限为7A，满足了57系列步进电机驱动要求。以此我们选用L6474H驱动器。另外，驱动芯片内部有电流稳定器，能够在动作中使步进电机稳定运行。连接驱动电路和STM32微处理器的三个引脚分别是DIR、STCK、STBY-。RES可以用这三个引脚控制步进电机。步进电机驱动电路如图3-7所示。图3-6步进电机驱动电路在图3-6中，DIR引脚指的是步进电机方向引脚。该引脚的电平的高低，决定了步进电机是顺时针还是逆时针旋转[19]。STBY_RES为使能引脚，当STBY_RES引脚电平为低电平时，芯片输出不使能，步进电机可以手动转动，高电平时芯片对步进电机使能，电机处于锁死状态，步进电机只有在锁死状态下，脉冲信号才能控制步进电机旋转；STCK引脚是PWM脉冲引脚。该引脚每输入一个脉冲，步进电机就会转动一定的角度。1.4行程开关模块FDM式3D打印机有X轴行程开关、Y轴行程开关、Z轴行程开关3个行程开关。这三个行程开关用于监视打印机的打印边界。当打印机进行零操作时，这三个冲程开关分别是XYZ的3轴零点信号。行程开关驱动电路如图3-8所示。3-8行程开关驱动电路由于笛卡尔型3D打印机和kossel型3D打印机的复位零点不同，所以在行程开关电路设计上需要预留6路接口为XYZ三轴所用，分别对应XYZ三轴的最小位置和最大位置。1.5温度控制模块在打印过程中，打印耗材经过加热挤出头的挤压，在这个过程中固体的耗材变成液体状，挤压温度过高的话，耗材的粘结性就会下降，成形就会变得困难，挤压头的温度过低的话，耗材就不会被挤压出来，造成堵头。印刷过程中喷嘴无法成形，避免了堵塞。温度控制模块主要包括加热单元和温度检测单元，STM32需要通过检测来自温度测量设备的信号来控制加热元件。这样就形成了加热、CPU、温度测量的闭环控制，完成了温度的精密控制。3-9加热模块驱动电路3D打印机加热模块主要包括挤出头和热床两部分，运用电阻的热效应来进行加热，电流通过电阻产生热效应，从而完成加热控制。在加热器件选型上，市场上有3D打印机专用的挤出和加热装置，所以本文在挤出头加热模块选型时，采用3D打印专用的加热管加热挤出头。加热驱动电路如图3-9所示。热电偶是一种根据热电效应进行测温的测温元件，在测温过程中，如果不设计冷端补偿电路则测温过程不能完成；热电偶的测温范围很大，性能及其可靠，在温度传感器上有广泛的应用。热电阻是一种阻值可以随温度变化而变化的电阻类元器件，在测温过程中，不需要添加辅助温度补偿电路；热电阻的测温很精确，体积也相对较小，所以本文选用热电阻Pt100作为测温元器件。测温驱动电路如图3-10所示。图3-10测温模块驱动电路在图3-10中，挤出头和热床都被预留了热电阻驱动电路，其中，P12和P13分别接挤出头和热床的热电阻，该热电阻会将温度信号转化为电阻值，E0_TEMP和BED_TEMP接口的电压模拟量被STM32优先测量，再将电压模拟量经过ADC模数转换模块转化为数字量，最后通将数字量转化为十进制温度值，完成温度的测量。1.6加热构建平台模块FDM式3D打印机的成型过程是在热场内进行的，其中加热构建平台（HBP）是保证成型件精度的不可或缺的因素，因此通过AltiumDesigner对传统HBP进行设计上的改进，使HBP的温度更加平均，可以避免成型件的翘曲变形。本节首先解决成型件翘曲形变的问题，对HBP的工作原理进行分析，并针对传统HBP加热不均匀的情况提出优解决方案，最后通过Flo-THERM软件对传统HBP和优化后的HBP的温度场进行模拟，形成热场分布云图，然后进行打印试验，验证游湖阿和仿真的合理性。FDM快速成型机有封闭型和开放型这两种，对封闭型快速成型机来说，打印空间与外部温度交换很少，HBP在封闭环境下工作时，温度交换主要集中在打印空间内部，成型期间打印空间内部温差小，从而避免终成型件的收缩问题。但是对于开放型快速成型机，打印空间与外部空间直接连接，打印空间的温度直接取决于外部空间温度，而且HBP也会与外部空间有大量的热交换，形成HBP中心区域与边界区域的温度差，优于打印过程中对成型件加热不均匀，导致成型件对于平台附着力不同，加剧了成型件收缩的现象。根据实验实际测量，PLA材料熔点在175—180℃，打印温度在202—210℃时有极佳挤出效果，而HBP温度在40—50℃时成型件对于打印平台有很好的粘着性，收缩现象就不会发生。在打印过程中最佳温度范围如图3-11所示。3-11挤出头和HBP打印温度范围6A是HBP的工作电流，在供电电压与3D打印机供电电压相同（即12v）时，HBP的电阻就被要求为2欧姆。在PCB制版时，HBP的电阻取决于PCB的敷铜量。传统的HBP通常是把PCB板分为4个区域进行并联分区加热，使得加热时间缩短。但是在分区时是将整个PCB板进行四等分，各个区域线长宽都相等，这样也保证了加热时各个区域发热量相等，但是HBP的边界区域有更大的相对面积，产生的热交换和热传导更多，由此猜测加热后的HBP表面温度分布不均匀。通过红外温度探头对市面常见的MK2热床各点温度进行采集，温度差采集结果如图3-12所示。图3-12HBP温度差曲线图由温度采集结果可以清晰的看出，HBP在加热后的表面温度分布不均匀，即HBP并不是作为边界条件以恒定温度加热模型，温度绝对误差为1.2℃。FDM成型法是利用高温将材料融化呈半流动液态型，根据分层数据控制打印喷头挤出，堆叠形成打印产品。在打印过程中，材料经过挤出头时，温度在200℃左右，在HBP上冷却时，由于边界与中心温度不一样，导致材料冷却收缩率有较大差别，当HBP绝对温度差超过一定范围时，不仅没有避免成型件收缩翘边现象，反而会加剧这种现象发生。在HBP温度场分析中，由傅立叶热传导定律和能量守恒定律可以得到HBP温度场系统的热平衡方程，即热传导方程，因此HBP的温度场满足以下方程：式中：ρ为材料密度；C为材料比热容；T为温度；t为时间；Kx,Ky,Kz分别为xyz方向上的热传导系数；Q为原料凝固释放热量，放热为正，吸热为负。系统温度T为恒定值，所以计算稳态解时：所以，系统稳态时温度场热量平衡方程为：打印完成后，分别测量模型各点翘曲量和实际尺寸，与理论模型进行比较。打印后的模型实验测量数据如表3-1所示。表3-1模型尺寸测量数据序号123456位置HBP中心距中心33mm距中心67mmHBP中心距中心33mm距中心67mmA点翘曲(mm)0.080.040.430.020.030.02B点翘曲(mm)0.120.170.550.040.020.03C点翘曲(mm)0.210.420.860.050.070.1D点翘曲测量(mm)0.170.580.940.060.040.12成型件实际尺寸AD*AB*H(mm)79.20*79.18*4.6878.25*79.66*4.4477.58*78.23*4.2679.88*80.02*4.9879.68*79.82*4.9479.59*79.33*4.871.7人机交互模块由于本文要实现模型的模型下载切片和打印的功能，在显示过程中数据量大，所以本文选用7寸的TFT彩屏。由于并行的接线方式在显示实时性上要比串行要好很多，所以选用4.3寸的并行TFT彩屏，在显示屏和控制系统之间采用并行通信方式，这样用户在实际使用过程中可以选用不同大小的屏幕来满足自己的要求。显示模块接口电路如图3-13所示。图3-13显示模块接口电路在STM32和Exynos4412核心板的程序调试