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1、基于 STM32 的光固化 3D 打印机掌握系统设计丁承君;韩承都【摘 要】针对光固化立体成型(SLA)3D 打印设备,存在元器件价格昂贵、争论学习门槛高的问题;介绍了目前最流行的振镜下置式光固化立体 3D 打印机的构造和工作原理,设计了一种低本钱的掌握系统方案;并设计了一款基于 STM32 的低本钱、高性能掌握器,对重要的掌握器模块进展了具体的论述;对于具体的软件实现,引入了实时操作系统 uC/OS,介绍了软件整体架构和工作流程.【期刊名称】制造业自动化【年(卷),期】2023(040)006【总页数】5 页(P118-122)【关键词】增材制造;快速成型;光固化;扫描振镜;STM32;uC
2、/OS【作 者】丁承君;韩承都【作者单位】河北工业大学 机械工程学院 机械工程系,天津 300130;河北工业大学机械工程学院 机械工程系,天津 300130【正文语种】中 文【中图分类】TP309.50 引言随着增材制造和快速成型Rapid Prototyping技术的普及，3D 打印技术越来越为一般科技爱好者所熟知。现今流行的 3D 打印技术按其所用材料的状态及成形方法，可以分为熔融沉积成形FDM、光固化立体成形SLA、分层实体制造LOM、电子束选区熔化EBM、选择性激光烧结SLS、激光选区熔化SLM、金属激光熔融沉积LDMD、电子束熔丝沉积成形EBF1。在这些琳琅满目的 3D 打印技术中
3、，近年来 FDM 型 3D 打印机凭借本钱低廉、相关文献资料丰富、争论学习门槛低的优势，获得了 3D 打印爱好者的广泛追捧。但熔融沉积成型 3D 打印机打印速度慢、成型精度低、打印模型外表粗糙度高的固有缺点总是差强人意。为了让越来越多人了解 3D 打印技术，继熔融沉积成型技术之后，光固化立体成型将会凭借其成型精度高、成型速度快、模型外表光滑的优势引领下次 3D 打印浪潮。光聚合成型技术起源于上世纪 80 年月,是最早研发的 3D 打印成型技术之一。始终以来争论机构持续对该技术进展深入争论，使其成为技术成熟、应用广泛的一种3D 打印成型技术。光聚合成型技术包含：SLAStereo Lithogr
4、aphy Appearance光固化立体成型技术、DLPDigital Light Processing数字光处理等技术2。光固化的根本原理是光固化材料在紫外光的的照耀下，其中的光引发剂吸取光子能量，从基态跃迁至激发态，由于激发态属于不稳定状态，而后又从激发态自发的向下跃迁至低能级状态，并不肯定是回到基态，同时释放能量让预聚体发生聚合反响，从而实现材料的光固化反响3。光固化立体技术和数字光处理技术都是利用这种原理，两者区分主要在于让光固化材料产生固化的光源不同，前者通常承受紫外光激光，利用扫描振镜进展路径扫描填充；后者是主要利 DMDDigital Micromirror Device芯片和投
5、影系统，选择性透光掌握。两者的本钱都比较高，所需的掌握器的性能要求也比较高，争论困难，所以为了降低争论开发者入门门槛，一款低本钱高性能的掌握器的产生显得格外迫切。因此本文着重针对光固化立体成型技术的掌握系统进展争论，解决当前常用于激光振镜掌握的 FPGA 和 DSP 掌握板价格昂贵、编程困难的弊端，设计了一款基于 STM32 的低本钱控制系统方案。1 掌握系统的总体方案设计SLA 型 3D 打印机分振镜上置式和振镜下置式，上置式是指扫描振镜在光敏材料的上方，下置式是指扫描振镜位于光敏材料的下方，目前最流行的构造形式是下置式构造4。图 1 为下置式光固化立体成型 3D 打印机的构造示意简图，它主
6、要由升降滑轨、模型吸盘、树脂槽、光敏树脂、扫描振镜和激光器六局部组成。图 1 振镜下置式 SLA 打印机构造示意图打印机的工作流程为由激光器放射的激光经过二维扫描振镜反射到透亮的树脂槽底部，进展逐层扫描，树脂槽底部内侧掩盖离型膜或者硅胶，以避模型粘结在槽底5。图中蓝色的局部表示最扫描完成的的一层,每扫描完成一层后，模型吸盘沿着升降滑轨上升一个层厚的高度。光敏树脂呈粘稠状而且流淌速度慢，所以每完成一层扫描后，光敏树脂无法快速补充到树脂槽底部。为了使固化的模型和树脂槽底局部别以及补充底部树脂，可以承受先升再降的方式，以 0.1mm 打印层厚为例， 可以先抬高 4mm，再下降 3.9mm。所以这就需
7、要一个步进电机掌握系统来掌握模型的升降。同样地要实现光敏树脂的扫描固化就需要对振镜和激光器的掌握，针对振镜和激光器的工作原理设计扫描振镜掌握模块和激光器掌握模块。为了实现对扫描振镜的实时掌握，就会涉及大量浮点运算，选用一个具有浮点运算单元的处理器尤为重要。本文选用 STM32F407ZET6 处理器作为主掌握器，STM32F407ZET6 是由意法半导体公司出品的一款芯片，它是一款基于 ARM Cortex-M4 内核的精简指令集RISC的低功耗、低本钱、高性能处理器。最高工作频率可达 168MHz，144 个引脚，512kB Flash，192kB SRAM 与以往基于 M0、M3 内核的芯
8、片相比最大不同就是参加了浮点运算单元FPU，支持全部 ARM 单精度数据处理指令和数据类型，浮点运算速度相比一般 CPU 运算快上几十倍。STM32F407 的 FPU 恰好能满足光固化的 3D 打印机的掌握系统处理大量的浮点运算的要求。图 2 为掌握系统总体架构图。2 硬件设计2.1 硬件总体方案设计掌握器由 STM32 最小系统、振镜掌握模块、激光器掌握模块、步进电机掌握模块、TF 卡接口模块、串口触摸屏接口和供电电源七个局部组成。图 3 为掌握器硬件总体设计框图。图 2 掌握系统总体架构图图 3 掌握器总体设计框图2.2 最小系统设计STM32 的最小系统包括电源电路、晶振时钟电路、复位
9、电路、JTAG 程序下载电路，关于最小系统的设计各种资料众多这里就不再赘述。2.3 振镜掌握电路振镜的主要生产厂家主要在国外，国内也有些生产厂家，价格相对较低，所以我们选用国产的扫描振镜。它有两块空间正交的反射镜组成，当一束光射入 x 振镜经反射入 y 振镜再经 y 振镜反射到扫描平面，x 和 y 振镜的偏转角度可通过与其相连的振镜电机的偏转掌握，偏转范围一般为-20+20，由-5V+5V 的连续模拟电压差分输入掌握，线性度高达 99%，激光振镜扫描原理图如图 4 所示。图 4 激光振镜扫描原理图经过一列的推导计算得到 X、Y 振镜偏转角度与扫描平面坐标x，y的对应关系如下：图 5 振镜电机接
10、口原理图式(1)、式(2)中 x 、y 分别是振镜 X、振镜 Y 偏转的角度，x，y是扫描平面的坐标。L 为振镜与扫描平面之间的距离，d 为两个振镜之间的距离。要扫描固定的点只需使振镜偏转所需的角度即可，这就需要掌握其产生与角度相对应的模拟电压。一般处理器 DAC 有限，STM32F407 自带一个 12 位区分率、03.3V、双通道模数转换器，每个振镜电机需要两个模拟输入，所以就需要设计一个特地的振镜掌握接口。DAC902 是一款并行输入、12 位区分率、高性能的模数转换器，最高采样频率可达 165MSPS，再协作运算放大器 OPA690 进展电压放大，就可以获得所需要的电压。图 4 为振镜
11、电机掌握接口原理图。2.4 激光器掌握电路为了减低本钱，可以选择波长为 405nm、功率为 50mw 的激光器，这种激光器只有两个端子。要对激光器进展通断和亮度掌握，需要使用高质量的、稳定的 DA 电压，但过多的 DA 接口电路需要占用处理器大量的接口资源，所以承受 STM32 产生 PWM 脉冲经过低通滤波得到 03.3V 的电压，再协作 NMOS 管的方式敏捷掌握。PWM 本质上其实就是一种周期肯定而凹凸电平占空比可调的方波。PWM 波形可以用分段函数表示为式：其中：T 是单片机中计数脉冲的根本周期，也就是 STM32 定时器的计数频率的倒数。N 是 PWM 波一个周期的计数脉冲个数，也就
12、是 STM32 的预装载存放器的值。n 是 PWM 波一个周期中高电平的计数脉冲个数，也就是 STM32 的比较值存放器的值。VH 和 VL 分别是 PWM 波的凹凸电平电压值，k 为谐波次数，t 为时间。我 们将式(3)开放成傅里叶级数，得到式(4)：式(4)中第 1 项为直流重量，第 2 项为 1 次谐波重量，第 3 项为大于 1 次的高次谐波重量。式中的直流重量与 n 成线性关系，并随着 n 从 0 到 N，直流重量从 VL到 VL+VH 之间变化。因此，假设能把式中除直流重量外的谐波过滤掉，则可以得到从 PWM 波到电压输出 DAC 的转换，PWM 波可以通过一个低通滤波器进展解调。其
13、原理图如图 6 所示。图 6 激光器掌握原理图2.5 步进电机和电源电路步进电机起到二维到三维的转化的重要作用，步进电机可以选用 42 步进电机，通过 STM32 产生的 PWM 脉冲驱动，掌握步进电机转动速度和转动步数，步进电机的供电电压为 12V 和 5V，可承受 12V 直流电源，用 LM2596T-5.0 电压转换的到5V 电压。图 7 供电电源和步进电机接口原理图3 软件系统设计为了充分利用处理器的资源，本文引入一种实时操作系统 uC/OS，uC/OS 是Micrium 公司出品的开源 RTOS 类实时操作系统，uC/OS 目前有两个版本： uC/OS II 和 uC/OS III。
14、uC/OS III 是一个可裁剪、可剥夺型的多任务内核，而且没有任务数限制。uC/OS III 供给了实时操作系统所需的全部功能，包括资源治理、同步、任务通信等6。本文用到的处理器内存比较小、不行能一次性的将模型的全部数据一次性存储到内存中，因此可以利用 uC/OS 多任务的特性，逐层循环存储，不仅提高 CPU 的利用率，又解决了内存缺乏的问题。模型数据前处理过程是：由 CAD、SolidWorks、UG、Catia 等三维绘图软件生成的模型，可以保存为 STL 模型数据格式，这是一种用三角面片表达实体外表数据的标准文件格式7，经过切片软件如 Cura 的分层处理、路径规划处理、添加支撑处理后
15、得到打印机可以处理的 G 代码8。再将 G 代码传输给 3D 打印机的掌握系统。数据传输有三种途径，一是通过 USB 将数据实时传送到掌握器的内存中，二是先把代码复制到 TF 卡中、再插到掌握器卡槽中进展脱机打印，三是通过网络传输。这里为了节约本钱，承受脱机 3D 打印的模式。图 8 为掌握系统软件运行流程图。脱机 3D 打印掌握系统软件运行的流程为： 1用户可以通过与掌握器用串口相连的触摸屏进展人机交互，扫瞄并选择所需打印的模型，并进展相关参数设置，当设置完成后，掌握器接收到串口中断，接收用户的打印命令。2掌握器接收到串口触摸屏的指令后，通过 FATFS 文件系统的文件读写功能， 从 TF
16、卡中读取相对应模型的一层数据，并存放到内存中的数据段缓冲区中，经过一系列的代码解析运算，提炼出 3D 打印所需要的扫描路径坐标点，由执行机构振镜完成由点到线再到面的固化，直到一层模型扫描固化完成。 3推断上一层是否扫描完成，假设完成，利用 uC/OS III 的多任务功能，读取下一层的数据并存入缓冲区中，同时模型吸盘沿着滑轨上升一个层厚，检查数据缓冲区数据是否就绪，假设就绪则执行步骤 2，如此循环往复，进而完成由二维到三维的转变。图 8 软件系统流程图4 完毕语激光在 3D 打印技术中应用格外之广，很多形式的 3D 打印技术都使用激光造型， 比方 SLM、SLS、SLA、LOM 等技术都用到了
17、激光。比起为人所熟知的 FDM 技术，这些激光 3D 打印技术由于元器件价格昂贵、开发困难、资料较少鲜为人知。所以本文为了降低激光 3D 打印技术的入门门槛，使除熔融沉积 3D 打印技术以外的其他 3D 打印技术为更多的人所了解。设计了一款基于 STM32F407 的低本钱、高性能掌握器，并对所需要的具体的硬件模块进展了针对性的设计，解决了 FPGA 掌握板价格昂贵、编程困难的问题。在此根底上，为了解决处理器内存容量小的问题，引入了一个体积小、可裁剪、移植性好的硬实时操作系统 uC/OS III，利用操作系统的多任务功能循环读取和存储模型的 G 代码，既解决了内存问题又提高了处理器的利用率，实
18、现光固化立体成型 3D 打印机的脱机 3D 打印。参考文献：1 李轩,莫红,李双双,等.3D 打印技术过程掌握问题争论进展J.自动化学报,2023,42(7):993-994.2 赵炯,于学海,杨天豪,周高杨,等.基于嵌入式 Linux 的桌面级 DLP 型 3D 打印机设计J.机电工程,2023,35(5):547-550.3 方浩博.基于数字光处理技术的 3D 打印设备研制D.北京:北京工业大学,2023,06.4 李东方,陈继民,袁艳萍,黄宽,方浩博.光固化快速成型技术的进展及应用J.北京工业大学学报,2023,41(12):1769-1774.5 王春梅,杨文龙.多色光敏树脂 3D 打印机的设计与实现J.机电工程,2023,34(9):999-1003.6 王泽,肖继学,张汉中,等.uC/OS III 的实时性测试J.测控技术,2023,35(5):106- 110.7 周勇,秦海芳,杨怡,刘巧云.紫外光固化钛掺杂含硼硅氧烷的制备及在 3D 打印材料中的应用争论J.化工型材料,2023,45(9):199-203.8 刘利刚,徐文鹏,王伟明,等.3D 打印中的几何计算争论进展J.计算机学报,2023,38(6):1243-1266.