3D打印驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)研究

萬海鑫，馬思遠

（阜陽職業(yè)技術(shù)學院，安徽 阜陽 236031）

3D打印驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)研究

萬海鑫，馬思遠

（阜陽職業(yè)技術(shù)學院，安徽 阜陽 236031）

本文即是對3D打印驅(qū)動技術(shù)進行研究，介紹了該驅(qū)動技術(shù)的控制原理，同時從硬件和軟件兩方面闡述了3D打印驅(qū)動系統(tǒng)的設計，以期能為相關(guān)工作提供參考。

3D打?。或?qū)動技術(shù)；系統(tǒng)設計

1 3D打印驅(qū)動技術(shù)的原理

步進電機是現(xiàn)代新型電機設備的主要組成，該設備的主要特點是無法通過直接接入電源的方式提供動力，而是必須通過驅(qū)動器的驅(qū)動來運行。因此常規(guī)的步進電機主要包括了電機、控制器和驅(qū)動器三個部分[1]。步進電機在控制時主要利用的是PWM波發(fā)生器、驅(qū)動電路等，發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖電波可以經(jīng)由環(huán)形分配器進行合理的分配，然后再通過驅(qū)動器對電機繞組的電流通過情況進行控制。根據(jù)電源輸入方式不同可以將步進電機驅(qū)動的方式分為三種，具體如下：

其一是單電壓驅(qū)動模式，其主要是在驅(qū)動時所提供的電源為單一恒定的電壓，這種驅(qū)動方式和電路設計均最為簡單，但是電機中繞組電流從零提升到臨界值所需用的時間也最長，并且電流的變化頻率較快，導致電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩大幅縮減。其二是雙電壓驅(qū)動模式，與單電壓驅(qū)動最根本的不同就在于為電機提供能源的是兩種不同的電壓。該驅(qū)動模式的驅(qū)動原理在于利用提高電壓輸入量的方式，可以縮減繞組電流從零提升到臨界值的時間，同時也能進一步保證步進電機的高頻性[2]。當繞組電流輸入后，步進電機的扣扣男子系統(tǒng)就會對VTH信號進行控制，此時圍繞組的電流在達到峰值之后就會對該信號進行切斷，然后利用另外一個電壓較低的繞組繼續(xù)供電。這種驅(qū)動技術(shù)下需要絕對保證VTH信號導通的時間，如果驅(qū)動時間過早，則容易導致繞組內(nèi)電流超負荷；如果驅(qū)動時間過晚，則無法達到預期的驅(qū)動效果，影響整體打印的質(zhì)量。其三是恒電流控制技術(shù)，這一驅(qū)動模式主要利用的是比電機本身額定電壓高數(shù)倍的高電壓進行供電，使該電機能夠在任何情況下均保持穩(wěn)定的電流輸出，進而使電機轉(zhuǎn)矩不會受控制器的影響。由于該種方法下產(chǎn)生的供電電壓數(shù)值較高，一旦開始驅(qū)動電機內(nèi)繞組電流就會在瞬間達到最高值，而此時電流進入到反饋電阻R當中，就會在電阻的兩側(cè)形成電流勢差，將這種狀態(tài)下的電機電壓值提供給比較器進行分析，當電機中電流超過額定值之后，比較器就會自動切斷VTH信號，繞組電流也就會明顯下降；而當電流下降到無法滿足打印驅(qū)動需求時，比較器就會自動將VTH信號開啟，提升電機內(nèi)的輸入電流。因此在全自動控制下就能夠為步進電機獲得一個恒定的輸入電流，保證工作的穩(wěn)定性。

2 3D打印驅(qū)動技術(shù)中硬件的設計

2.1 主芯片設計

主芯片一般選擇STM32F103VE單片機，該單片機的引腳共有100個，控制程序可以從SW接口處下載和調(diào)試。同時主芯片當中還包含了一個規(guī)格為8MHz的晶體振蕩器，該振蕩器主要是為整個芯片的控制系統(tǒng)提供時間信號，降低信號輸出過程中時間的錯誤。在電路板設計時，其晶體震蕩器和負載電容均需要靠近引腳進行安裝，這樣可以保證信號在進入MCU后可以為其它結(jié)構(gòu)提供準確的信號傳導，這種芯片所提供的時鐘信號的差異大約為1s。

2.2 步進電機驅(qū)動設計

為了有效擴展步進電機驅(qū)動系統(tǒng)的脈寬，可以選擇TL494專用電機驅(qū)動芯片，其可以有效對PWM波的頻率進行固定。該類型芯片能夠適用于現(xiàn)在已知所有脈寬的電路，并且其自身攜帶有鋸齒波振蕩器、晶體開關(guān)、比較器等基礎(chǔ)零件。當芯片上的第5、第6管腳分別于電容、電阻相連后就能夠產(chǎn)生鋸齒波，此時該信號波震蕩頻率與電機電阻值有一定的聯(lián)系，震蕩頻率可以表示為：此時鋸齒波可以從比較器內(nèi)通過，并且在第4引腳處輸入時鐘控制信號，比較器就會對這一信號與PWM信號進行對比，如果所獲得的波長不同，則PWM就可以作為觸發(fā)器的時鐘信號，并且協(xié)同控制電機的晶體開關(guān)。

2.3 打印頭溫度驅(qū)動設計

打印頭上的溫度驅(qū)動系統(tǒng)主要包括溫度檢測電路、加熱驅(qū)動電路兩大部分。其中溫度檢測電路通產(chǎn)采用的是鉑電阻，該電阻檢測的精度較高，反應時間較短，鉑電阻的阻值和溫度的關(guān)系可以表示為：公式當中的Rt是當鉑電阻的溫度達到t時的電阻值；Rt0則指的是溫度達到t0時的電阻值；α是溫度的系數(shù)，這一公式所反應的數(shù)值與線性數(shù)據(jù)相類似。但是在實際使用時由于外部噪音的干擾，會使得內(nèi)部信號不穩(wěn)定，因此直接測量值可能較低，因此需要加裝信號發(fā)大器。加熱驅(qū)動電路則主要采用光耦隔離進行處理，但控制器內(nèi)的信號為低電平，則二極管就會發(fā)光，使光敏二極管飽和，這樣就可以驅(qū)動加熱；而當信號為高電平時則切斷輸出，以免溫度過高。

3 3D驅(qū)動系統(tǒng)的軟件設計

3.1 主程序設計

首先要對系統(tǒng)進行初始化處理，其主要包括I/O初始化、ADC轉(zhuǎn)換器初始化等。其次是對G-code文件進行解析，將所有STL文件均轉(zhuǎn)變?yōu)镚文件，并且系統(tǒng)優(yōu)先對這一格式的文件進行解析。第三，將解析完成的文件按照信號地址的順序進行存放，以方便以后系統(tǒng)調(diào)用。同時將看門計時器歸零，以免系統(tǒng)偷跑或進入死循環(huán)當中。

3.2 子驅(qū)動程序設計

子驅(qū)動程序主要是對步進電機驅(qū)動當中步長的細化分析，并為驅(qū)動器提供啟動指令。當驅(qū)動器獲取一個指令后，其陳旭就會從FLASH存儲器當中尋找相應的函數(shù)值，并控制電壓輸出的轉(zhuǎn)換。而為了對函數(shù)正弦和余弦關(guān)系進行考慮，還應該在設計程序時加入正弦函數(shù)的半個周期。當前所使用的3D打印機中細分驅(qū)動技術(shù)要求將步進電機進行128細分處理，并且要求根據(jù)信號的傳輸反向設置4個GPIO進口，這樣可以滿足不同輸電順序時的調(diào)控。

3.3 溫度控制程序

溫控是3D打印驅(qū)動程序中重要的組成，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括溫度數(shù)據(jù)的采集和PID模糊控制。其中溫度數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換由專門的子程序負責，由加裝在打印頭上的溫控信號采集裝置進行搜集，并將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，然后經(jīng)由處理器分析后對電機的運行進行控制。PID模糊控制系統(tǒng)則是將傳感器所采集的溫度值與限定值進行對比，得出誤差率，并對其進行模糊化檢驗，根據(jù)系統(tǒng)設定的模糊化控制規(guī)則調(diào)整。

4 結(jié)束語

3D打印技術(shù)是現(xiàn)代加工業(yè)發(fā)展的必然方向，其能夠提升生產(chǎn)加工行業(yè)的效率，降低成本。但我國目前相關(guān)驅(qū)動技術(shù)仍較為落后，需要進一步引入國外技術(shù)進行填補。

[1]余前帆.增材制造——3D打印的正稱[J].中國科技術(shù)語，2013，04：46-48，52.

[2]王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012，26：3-5.

Research on Key Technologies of 3D print driver

WAN Hai-xin， MA Si-yuan

(Fuyang Vocational and Technical College， Fuyang Anhui 236031)

This paper is the study of 3D printing drive technology， introduces the control principle of the drive technology， at the same time from two aspects of hardware and software in this paper， the design of the 3D printing drive system， in order to provide references for related work.

3D printing; Drive technology; System design

TP334.8

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.026

1672–7304(2016)05–0053–02

阜陽職業(yè)技術(shù)學院校級科研項目“膏狀3D打印機研發(fā)及課程開發(fā)”（項目編號：2014KYXM01）；阜陽職業(yè)技術(shù)學院校級示范實驗實訓中心-創(chuàng)客基地（項目編號：2015SXZX01） 。

（責任編輯：吳 芳）

萬海鑫（1985-），男，安徽阜陽人，講師，研究方向：機電一體化。