基于STM32矿用3D打印机

李道龙　张超　钱程

【摘 要】3D打印潮流正迅速影响各行各业，在此涉及到一款以STM32为控制核心，矿用的3D打印机，能够在短时间内快速成型，并且使用模糊PID控制对打印机内部的各个方向的运动曲线进行处理，用于煤矿的日常工作当中。

【关键词】STM32；3D printer；模糊PID

【Abstract】3D printing trend is rapidly affect all walks of life， this relates to a control core with STM32， mining 3D printers， rapid prototyping can in a short time， and the use of fuzzy PID control of movement in all directions of the curve is processed inside the printer， for daily work of mine .

【Key words】Stm32； 3D printer

0 引言

3D打印机作为快速成型的新兴技术，正在被快速应用到医疗，模具等各行各业中。而3D打印机也可以用在煤矿的日常工作当中。通过等比例缩小，可以快速打印出图纸所反应出来的三维模型，和工具零配件等。

1 控制系统设计

1.1 设计方案概述

本文所阐述的基于STM32的3D打印机，主要以STM32为控制核心，通过读取模型的三维信息数据，根据数据发出控制指令。加热头温度达到指定要求后，挤出机配合X，Y，Z轴联动，逐层打印各个切片平面，最后堆叠成型。

1.2 系统硬件组成

本系统主要包括以下几个子系统：数据传输系统，加热及温度测量系统、STM32控制系统、运动控制系统和显示控制系统几个组成部分，系统框图如图1所示。当系统工作时，STM32控制系统通过数据传输系统读取带打印模型的三维数据，然后控制加热装置，当温度测量系统通过对挤出头和打印平台温度进行测量，并将测量的结果送入STM32主控芯片内，主控芯片对传递过来的参数与设定值进行对比，若达到设定值，将控制信号传递给运动控制系统，由控制系统来控制电机完成既定的运动轨迹。显示控制系统可以实时显示当前打印机的各个状态，并且可以通过控制按钮控制打印速度，温度，打印文件等各种功能。

2 系统硬件设计

数据传输系统的稳定直接影响了打印物的最终成型，本文选用USB转串口IC芯片CH340G，可以将电脑通过USB数据线和打印机相连接，同时使用74HC14050D逻辑芯片来读取SD卡内存储的三维数据，增加支持脱机打印的功能。

温度的高低作为一个重要条件，由于精度要求不高，本文采用NTC型100K热敏电阻，通过读取热敏电阻的阻值来判断挤出头和加热平台是否达到了预先设定的温度。加热装置即为24V金属加热管去加热导热铝块。

主控芯片作为系统工作的核心，对主控芯片的基本要求是性能高、成本低、功耗低、反应迅速、易扩展。STM32系列使用的是ARM公司研发的Cortex-M3内核，特点是突破了16位单片机指令和性能的限制，同时又解决了32位处理器高功耗、高成本的缺点，因此受到大量研究人员的支持，并且很快普及开来。本文采用的是STM32F103增强型系列，增强型系列具有高达72MHz的时钟频率，性能优良。STM32是拥有基于哈佛构架的内核Cortex-M3，哈佛架构的特点是指令和数据使用不同的总线，存储器中的信息可以同时被指令和数据读取，所以Cortex-M3处理器可以同时执行多个程序，这样使得应用程序的执行速度可以被执行的更快，提高效率。

运动控制系统采用Texas Instruments的电机驱动芯片DRV8825。工作电压在24VDC，输出电流可以达到2.5A，只需要很少的外围电路就可以对步进电机进行驱动。

显示控制系统由于参数数量有限，操作功能相对简单，所以采用12864及旋转编码器来完成。

3 系统软件设计

本系统的程序工作是对主控芯片STM32F103的初始化、、串口初始化、定时器的初始化和中断服务。系统运行过程中，通过USB转串口或者SD卡来读取G代码指令。将读取的G代码指令按照设定的打印速度和电机细分算出驱动电机芯片的脉冲信号。并通过模糊PID算法对运动曲线进行调整，抑制末端震动。并将采集到的温度以及当前打印进度等信息通过显示屏显示出来。系统程序流程图如图2所示。

4 结语

本文依据当前煤矿领域的实际情况，提出了基于STM32的3D打印机设计，该系统可以用于煤矿的日常工作。并且其快速成型的性质可以大大缩短设计到实现的时间。该系统很好地实现了图纸由二维平面到三维实体的转换，提供给煤矿工作者新的思路和方法，成本低效率高，采用24V安全电压工作，在煤矿设计行业具有良好的潜质。

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[责任编辑：杨玉洁]