基于曲面共形電路多軸聯(lián)動(dòng)打印控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙云桐 ，劉長(zhǎng)林 ，孫一銘 ，張?zhí)礴?，劉淑杰

（1.哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 機(jī)械工程系，榮成 264300；2.哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院 電氣工程系，榮成 264300）

0 引言

曲面共形互連電路就是將互連電路通過某種特定工藝和方法使其附著在規(guī)定載體的表面。該技術(shù)在航空航天及民用領(lǐng)域具有十分重要的作用。比如機(jī)身上的共形微帶天線[1～5]、可穿戴柔性設(shè)備[6]、柔性電子器件[7]等。該結(jié)構(gòu)大大的減少了安裝空間，減輕了載體自身重量[8]。共形天線制造技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)七十年代就已經(jīng)被廣泛開發(fā)。P.Knott教授[9]采用貼片技術(shù)實(shí)現(xiàn)了球面共形陣列天線。哈爾濱工業(yè)大學(xué)胡建強(qiáng)博士[10]則采用硬質(zhì)基板直接進(jìn)行曲面成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)復(fù)合天線。國(guó)防科技大學(xué)YiLiu博士[11]研究了一款基于羅特曼透鏡多波束圓柱形共形縫隙陣列天線。斯旺西大學(xué)ArpanPal等人[12]則利用波束賦形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單兵頭盔共形天線。上述方法在不規(guī)則復(fù)雜曲面上進(jìn)行共形電路制造時(shí)，工藝往往都比較復(fù)雜，且在實(shí)現(xiàn)多曲率變化的曲面上具有一定的困難。

隨著3D增材制造打印技術(shù)的發(fā)展，利用納米導(dǎo)電漿料或者導(dǎo)電墨水直接在不規(guī)則曲面的載體上進(jìn)行直寫打印線路制作工藝，一定程度解決了上述存在的問題，使得曲面共形電路的開發(fā)變得相對(duì)較為容易。但在該打印系統(tǒng)開發(fā)過程中，由于曲面曲率變化復(fù)雜，往往采用多軸聯(lián)動(dòng)才能完成復(fù)雜曲面打印。在實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)過程中，其控制系統(tǒng)又是能實(shí)現(xiàn)曲面共形的關(guān)鍵控制技術(shù)。

為解決上述問題，本文對(duì)曲面共形互連電路的多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行硬件控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中主控硬件采用Arduino開發(fā)板同時(shí)附加STM8控制芯片，借助RS-485串行通訊方案并集成電源與細(xì)分功能，代替了傳統(tǒng)復(fù)雜的邏輯和外設(shè)細(xì)分器來(lái)控制輸出。從而使得電氣配電控制柜整體上提高系統(tǒng)的獨(dú)立性和可移植性，同時(shí)也對(duì)控制系統(tǒng)的操作進(jìn)了精簡(jiǎn)和優(yōu)化，具有一定的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能與總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的曲面共形電路打印，系統(tǒng)采用Arduino Mega2560開發(fā)板作為控制系統(tǒng)的中央控制處理器，如圖1所示，分別為動(dòng)控制單元、溫度檢測(cè)單元、氣體控制單元、激光控制單元等。其中，中央控制處理器與PC機(jī)使用USB轉(zhuǎn)串口進(jìn)行通訊。運(yùn)動(dòng)控制單元使用STM8控制板作為對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸的控制，并使用限位傳感器和程序算法來(lái)確定各軸當(dāng)前位置，同時(shí)使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)；STM8控制板與中央控制處理器的通訊采用RS-485串口通訊。溫度檢測(cè)單元使用遠(yuǎn)距離紅外測(cè)溫模塊測(cè)量溫度，與中央控制處理器的通訊方式為IIC通訊。氣體控制單元通過STM8控制板進(jìn)行對(duì)大功率的電子開關(guān)MOS管的控制，進(jìn)而控制電磁氣閥。激光控制單元通過中央控制處理器的I/O口進(jìn)行對(duì)電磁隔離的單項(xiàng)繼電器的控制，進(jìn)而控制激光器的開關(guān)。除此之外本系統(tǒng)還包括獨(dú)立的電源繼電保護(hù)與控制單元，該單元通過繼電器的自鎖控制回路對(duì)系統(tǒng)各個(gè)單元供以不同等級(jí)的電壓，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 中央控制處理器

作為硬件系統(tǒng)設(shè)備的中央控制處理器，主要用于與PC機(jī)進(jìn)行通訊，同時(shí)解析指令并轉(zhuǎn)換為機(jī)械指令來(lái)控制各部分電子器件運(yùn)作。目前主要采用外部拓展引腳豐富、可以進(jìn)行運(yùn)算處理的具有256K閃存的ArduinoMega2560作為中央控制處理器。根據(jù)總方案中各單元之間的配合，中央控制處理器流程框圖如圖2所示。

圖2 中央控制處理器流程框圖

由圖2可知，中央控制處理器需要實(shí)現(xiàn)通訊功能、解析功能、存儲(chǔ)功能以及信息采集與控制功能四部分。ATmega16U2編程采用USB-to-serial傳輸器用以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與控制系統(tǒng)的通訊功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)交換；通過相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)解析功能，解析上位機(jī)的仿G-Code指令；通過Arduino內(nèi)部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)暫存功能，以存儲(chǔ)當(dāng)前已經(jīng)解析好的數(shù)據(jù)；通過RS-485通訊實(shí)現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)控制單元的數(shù)據(jù)交換功能，將Arduino解析之后的指令發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制單元；通過Arduino自身帶有的I/O口實(shí)現(xiàn)控制以及信息采集功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫度大小并控制激光單元等。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面共形電路控制系統(tǒng)快速運(yùn)算，采用STM8集成模塊作為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制單元輔助中央控制處理器進(jìn)行對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。基于以上方案，設(shè)計(jì)出Arduino與STM8兩部分之間通過RS-485通訊的硬件連接如圖3所示。

在ATmega2560芯片和STM8芯片進(jìn)行雙芯片通訊控制過程中，中央控制處理器接收來(lái)自PC機(jī)的切片指令經(jīng)RS-485通訊模塊傳遞給STM8集成模塊。為了保證傳輸一致性，設(shè)置同步線與反饋線，利用線與特性，當(dāng)6塊STM8集成模塊全部接收之后完成同步執(zhí)行。若執(zhí)行指令的電機(jī)觸發(fā)限位開關(guān)，則產(chǎn)生負(fù)反饋到STM8輸入端進(jìn)行中斷保護(hù)。其中，中央控制處理器引腳使用功能及對(duì)接方式如表1所示。

圖3 中央控制處理器與STM8控制模塊連接電路圖

本系統(tǒng)采用的中央控制處理器Arduino開發(fā)板集成化程度高，并使用STM8芯片分擔(dān)了中央控制處理器的運(yùn)算及指令發(fā)送，減少了由于中央控制處理器運(yùn)算負(fù)荷過大造成的不穩(wěn)定，甚至造成的數(shù)據(jù)丟失。

表1 中央控制處理器使用引腳及其功能

2.2 運(yùn)動(dòng)控制單元電路設(shè)計(jì)

多軸聯(lián)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)曲面共形互連電路的關(guān)鍵技術(shù)。主要包括定位軸X軸、Y軸、Z軸、W軸（旋轉(zhuǎn)軸）和R軸（擺動(dòng)軸）五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。驅(qū)動(dòng)該部分機(jī)械運(yùn)動(dòng)的分電路設(shè)計(jì)，主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)）、驅(qū)動(dòng)器（如步進(jìn)電機(jī)細(xì)分器）以及定位傳感器（如限位開關(guān)）。

設(shè)計(jì)方案如圖4所示，采用STM8S003F3P6微處理器作為控制芯片，主要為分擔(dān)中央控制處理器的運(yùn)算負(fù)擔(dān)以及控制發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。采用內(nèi)核具有3級(jí)流水線的哈佛結(jié)構(gòu)擴(kuò)展指令的芯片作為集存儲(chǔ)器程序的存儲(chǔ)器，主頻可達(dá)16MHz，具有低能耗且具有16位高精度定時(shí)器以及多個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)，足以輔助中央控制處理器進(jìn)行曲面路徑運(yùn)算以及定位后數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。運(yùn)動(dòng)控制單元主要將收到的指令轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)控制操作，完成對(duì)氣體控制單元和打印平臺(tái)坐標(biāo)的控制。故運(yùn)動(dòng)控制單元的STM8控制板需要實(shí)現(xiàn)解析功能、檢測(cè)功能、通訊功能和控制功能四個(gè)部分。

圖4 STM8控制模塊示意圖

具體工作過程：運(yùn)動(dòng)控制單元模塊通過STM8進(jìn)行解析中央控制處理器發(fā)來(lái)的指令，包括串行通訊協(xié)議和定時(shí)器外設(shè)調(diào)用等指令；通過RS-485通訊進(jìn)行與中央控制處理器的數(shù)據(jù)交換；通過自身I/O口實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)以及控制功能，依靠限位傳感器反饋運(yùn)動(dòng)軸是否達(dá)到極限狀態(tài)，若達(dá)到則進(jìn)入中斷保護(hù)狀態(tài)，最終將處理好的運(yùn)動(dòng)軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送給該軸的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分器以此來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

相對(duì)集成化的STM8與RS-485通訊集成的電路板目前無(wú)市售，故為每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸及氣體控制單元設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制電路板，最終采用6塊相應(yīng)的電路板。圖5為STM8和RS-485工作原理圖。具體電路包括：STM8最小系統(tǒng)的電源電路、晶振電路、復(fù)位電路，以及用于調(diào)試異步半雙工RS-485通訊的SP3485芯片。根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行PCB板訂制并焊接相關(guān)元器件，最后完成的控制單元如圖6所示。

圖5 STM8控制模塊電路原理圖

圖6 STM8控制模塊設(shè)計(jì)及實(shí)物圖

運(yùn)動(dòng)控制單元具體使用引腳功能以及對(duì)接方式如表2所示。

表2 運(yùn)動(dòng)控制單元使用引腳及其功能

由于STM8控制模塊能有效分擔(dān)中央控制處理器的運(yùn)算壓力和傳輸數(shù)據(jù)壓力，一定程度上提高了系統(tǒng)整體的效率。另外獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)的STM8與RS-485集成電路板，有效避免了冗余模塊，進(jìn)一步提高整體的穩(wěn)定性和運(yùn)算效率，降低系統(tǒng)整體的功耗且原件有效利用率達(dá)到100%，節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)資源。

2.3 溫度檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)

在制備共形電路過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打印表面的溫度。故采用已被開發(fā)者開源集成化的GY-906紅外測(cè)溫傳感器，被測(cè)目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度能通過單通道輸出，同時(shí)具有兩種輸出接口，測(cè)溫度范圍為-40℃到380℃，非接觸測(cè)量、體積小、精度高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，完全符合該控制系統(tǒng)溫度檢測(cè)單元。實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 GY-906模塊實(shí)物圖

該模塊與控制器通訊方式為標(biāo)準(zhǔn)的IIC串行通訊總線，故將此單元與中央控制處理器Arduino相連接，與中央控制處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過該模塊和IIC通訊，中央控制處理器可以準(zhǔn)確的讀取并采集時(shí)實(shí)溫度。具體引腳連接方式如表3所示。

表3 溫度檢測(cè)單元使用引腳及其功能

2.4 氣動(dòng)控制單元電路設(shè)計(jì)

氣體控制單元開關(guān)氣閥采用繼電器電磁開關(guān)控制：控制線通電，電磁開關(guān)打開，氣體可順利從進(jìn)氣口通過電磁氣閥到出氣口；控制線失電，電磁開關(guān)關(guān)閉，氣體不能從進(jìn)氣口經(jīng)電磁氣閥到出氣口。電磁氣閥實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 電磁氣閥實(shí)物圖

圖9 MOS管模塊

由于該電磁氣閥控制端額定電壓為12V，而STM8的I/O口輸出電壓為3.3V，故需加載MOS管以控制該氣閥。MOS管采用雙MOS并聯(lián)有源輸出，具有電壓更寬、內(nèi)阻更低、電流更大、功率強(qiáng)勁等特點(diǎn)。MOS管模塊如圖9所示。

氣體控制單元各部分連接設(shè)計(jì)如圖10所示，控制線由STM8控制板的PC6引腳引出接入MOS管控制端，12V電源接入MOS管主電源回路，再將輸出端接入到電磁氣閥控制端。該部分系統(tǒng)完全符合電氣控制特性，雙MOS集成模塊一定程度提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖10 氣體控制單元連接方式

2.5 激光控制單元電路設(shè)計(jì)

由于激光器瞬時(shí)功率較大，所需要瞬時(shí)電壓與電流較高，且激光器需頻繁開和關(guān)，故設(shè)計(jì)時(shí)選用自帶保護(hù)電路功能。采用電磁隔離的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)控制激光器，可以有效避免激光器故障或短路時(shí)對(duì)整個(gè)控制電路的影響。電磁隔離裝置選用單路繼電器模塊如圖11所示。

圖11 單路繼電器實(shí)物圖

該繼電器引腳與中央控制處理器、電源的連接方式如表4所示?？刂贫私尤肟刂齐娫匆约靶盘?hào)源，主回路端接入主電源和被控激光器，主回路電源負(fù)極與激光器負(fù)極端不經(jīng)過任何器件直接相連。

表4 激光控制單元使用引腳及其功能

該模塊具控制功能可靠性高，常開觸點(diǎn)開關(guān)，當(dāng)有脈沖信號(hào)發(fā)生時(shí)才會(huì)觸發(fā)激光器，從而保障設(shè)備運(yùn)行安全。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)控制信號(hào)穩(wěn)定時(shí)，繼電器的線圈關(guān)斷以及閉合時(shí)間可以忽略不計(jì)。

2.6 電源繼電保護(hù)與控制單元電路設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)屬于大型用電系統(tǒng)并接入220V交流照明電，故需要對(duì)電源的引入進(jìn)行加裝繼電保護(hù)裝置，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和供電的可靠性。同時(shí)綜合考慮操作者的便捷性與安全性，設(shè)計(jì)了供電自鎖回路，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備一鍵通斷電。系統(tǒng)主電路供電方式如圖12所示，系統(tǒng)接入220V交流電的火線（L）和零線（N），經(jīng)過開關(guān)電源或模塊進(jìn)行降壓整流，將電壓分成48V、24V、12V、5V這四個(gè)電壓等級(jí)，分別傳送給對(duì)應(yīng)電壓的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分器、控制器等，再由步進(jìn)電機(jī)細(xì)分器將電傳給對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)。

當(dāng)電源直接與主電路連接或斷開時(shí)，電源接通瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的瞬時(shí)電流并釋放電弧，易于對(duì)系統(tǒng)及操作人員構(gòu)成安全隱患，故需設(shè)計(jì)配電自鎖回路和繼電保護(hù)裝置。

圖12 系統(tǒng)主電路供電方式

根據(jù)電氣控制自鎖原理設(shè)計(jì)出加裝繼電保護(hù)的配電自鎖回路，如圖13所示。根據(jù)實(shí)際情況和繼電保護(hù)原則，選取元件有：玻璃管保險(xiǎn)絲（F1）、2P漏電保護(hù)開關(guān)（QS1）和1P空氣開關(guān)（QS2）。玻璃管保險(xiǎn)絲在電流超過額定電流時(shí)熔斷，切斷電路；漏電保護(hù)開關(guān)在當(dāng)兩相之間電流超過0.3A時(shí)（即在漏電時(shí)）或單項(xiàng)電超過額定電流時(shí)自動(dòng)斷開并消弧；空氣開關(guān)當(dāng)自鎖回路電流超過額定限流值時(shí)自動(dòng)斷開并消弧，從而達(dá)到保護(hù)電路的效果。

圖13 帶繼電保護(hù)的配電自鎖電路

照明電經(jīng)F1和QS1之后接入自鎖電路，通過自鎖電路控制主電路的電源通斷。當(dāng)L2紅燈常亮?xí)r為主電路關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)開關(guān)SB2使得L1綠燈亮起時(shí)，KM主觸電閉合，主電路電源接通。在此過程中，繼電器、接觸器觸點(diǎn)動(dòng)作，開關(guān)過程自帶消弧功能，不會(huì)使電弧拉到設(shè)備外使操作者受傷。其中兩個(gè)五孔插座用于給系統(tǒng)以外的設(shè)備進(jìn)行供電，如PC機(jī)等。

該電源繼電保護(hù)與控制單元帶有一定的繼電保護(hù)裝置，可以有效的在電源發(fā)生故障時(shí)切斷電源保護(hù)后續(xù)電路。經(jīng)過短路測(cè)試、漏電測(cè)試和失電測(cè)試，切斷電源的穩(wěn)定性和可靠性都良好。

3 系統(tǒng)控制柜硬件搭建與測(cè)試

基于上述曲面共形電路的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采購(gòu)相應(yīng)型號(hào)的元器件以及模塊進(jìn)行制作硬件控制系統(tǒng)，實(shí)物如圖14所示。電氣配電控制柜集成復(fù)雜曲面共形電路打印中各個(gè)單元模塊設(shè)計(jì)。頂部中左側(cè)為電源繼電保護(hù)與控制單元，右側(cè)為氣體控制單元的氣閥部分；中部為開關(guān)電源部分，將照明電降壓整流至需要的電壓等級(jí)；下部為步進(jìn)電機(jī)細(xì)分器，用于驅(qū)動(dòng)和控制步進(jìn)電機(jī)；前部為系統(tǒng)控制集成板，有6個(gè)STM8控制板并加裝保護(hù)罩、降壓模塊（用于將24V電壓降至12V和5V這兩個(gè)電壓等級(jí)）以及RS-485通訊模塊這三個(gè)部分；最前方為中央控制處理器Arduino Mega2560。

圖14 電氣配電控制柜實(shí)物圖

經(jīng)過實(shí)際48小時(shí)運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)各個(gè)單元運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)、無(wú)故障出現(xiàn)。當(dāng)人為刻意制造故障時(shí)，系統(tǒng)能夠立即做出反應(yīng)并實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)措施，以保護(hù)人身與設(shè)備安全。此硬件控制系統(tǒng)運(yùn)行良好且可靠，達(dá)到并足以滿足曲面共形互連多軸聯(lián)動(dòng)電路打印的實(shí)際要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)復(fù)雜曲面共形互連電路的多軸聯(lián)動(dòng)打印裝置，自主開發(fā)并設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能有效驅(qū)動(dòng)多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。試運(yùn)行結(jié)果顯示，該控制系統(tǒng)各個(gè)模塊電路工作正常，測(cè)試期間設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確。該控制系統(tǒng)具有一定的獨(dú)立性和可移植性，相對(duì)于傳統(tǒng)增材制造的平面打印控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣，具有更高的研究?jī)r(jià)值。盡管該控制系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)曲面共形互連多軸聯(lián)動(dòng)打印，但控制系統(tǒng)體積和所占空間位置還相對(duì)較大，可以在后續(xù)研究開發(fā)設(shè)計(jì)過程中對(duì)其進(jìn)一步高度集成化。