基于曲面共形電路多軸聯動打印控制系統設計

趙云桐 ，劉長林 ，孫一銘 ，張添琪 ，劉淑杰

（1.哈爾濱理工大學榮成學院 機械工程系，榮成 264300；2.哈爾濱理工大學榮成學院 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定載體的表面。該技術在航空航天及民用領域具有十分重要的作用。比如機身上的共形微帶天線[1～5]、可穿戴柔性設備[6]、柔性電子器件[7]等。該結構大大的減少了安裝空間，減輕了載體自身重量[8]。共形天線制造技術在上個世紀七十年代就已經被廣泛開發。P.Knott教授[9]采用貼片技術實現了球面共形陣列天線。哈爾濱工業大學胡建強博士[10]則采用硬質基板直接進行曲面成型技術實現穩態復合天線。國防科技大學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ArpanPal等人[12]則利用波束賦形技術實現了單兵頭盔共形天線。上述方法在不規則復雜曲面上進行共形電路制造時，工藝往往都比較復雜，且在實現多曲率變化的曲面上具有一定的困難。

隨著3D增材制造打印技術的發展，利用納米導電漿料或者導電墨水直接在不規則曲面的載體上進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變得相對較為容易。但在該打印系統開發過程中，由于曲面曲率變化復雜，往往采用多軸聯動才能完成復雜曲面打印。在實現多軸聯動過程中，其控制系統又是能實現曲面共形的關鍵控制技術。

為解決上述問題，本文對曲面共形互連電路的多軸聯動機構進行硬件控制系統進行開發設計。設計過程中主控硬件采用Arduino開發板同時附加STM8控制芯片，借助RS-485串行通訊方案并集成電源與細分功能，代替了傳統復雜的邏輯和外設細分器來控制輸出。從而使得電氣配電控制柜整體上提高系統的獨立性和可移植性，同時也對控制系統的操作進了精簡和優化，具有一定的實用性。

1 系統實現功能與總體設計方案

為了實現復雜的曲面共形電路打印，系統采用Arduino Mega2560開發板作為控制系統的中央控制處理器，如圖1所示，分別為動控制單元、溫度檢測單元、氣體控制單元、激光控制單元等。其中，中央控制處理器與PC機使用USB轉串口進行通訊。運動控制單元使用STM8控制板作為對各運動軸的控制，并使用限位傳感器和程序算法來確定各軸當前位置，同時使用步進電機驅動器來驅動步進電機進行相應的機械運動；STM8控制板與中央控制處理器的通訊采用RS-485串口通訊。溫度檢測單元使用遠距離紅外測溫模塊測量溫度，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控制板進行對大功率的電子開關MOS管的控制，進而控制電磁氣閥。激光控制單元通過中央控制處理器的I/O口進行對電磁隔離的單項繼電器的控制，進而控制激光器的開關。除此之外本系統還包括獨立的電源繼電保護與控制單元，該單元通過繼電器的自鎖控制回路對系統各個單元供以不同等級的電壓，保證系統安全穩定的運行。

圖1 系統總體設計方案

2 硬件系統電路設計

2.1 中央控制處理器

作為硬件系統設備的中央控制處理器，主要用于與PC機進行通訊，同時解析指令并轉換為機械指令來控制各部分電子器件運作。目前主要采用外部拓展引腳豐富、可以進行運算處理的具有256K閃存的ArduinoMega2560作為中央控制處理器。根據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現通訊功能、解析功能、存儲功能以及信息采集與控制功能四部分。ATmega16U2編程采用USB-to-serial傳輸器用以實現PC機與控制系統的通訊功能，實現設備數據交換；通過相應算法實現解析功能，解析上位機的仿G-Code指令；通過Arduino內部存儲器實現數據暫存功能，以存儲當前已經解析好的數據；通過RS-485通訊實現與運動控制單元的數據交換功能，將Arduino解析之后的指令發送給運動控制單元；通過Arduino自身帶有的I/O口實現控制以及信息采集功能，能夠實時監測溫度大小并控制激光單元等。

為了實現復雜曲面共形電路控制系統快速運算，采用STM8集成模塊作為系統運動控制單元輔助中央控制處理器進行對步進電機的驅動。基于以上方案，設計出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芯片進行雙芯片通訊控制過程中，中央控制處理器接收來自PC機的切片指令經RS-485通訊模塊傳遞給STM8集成模塊。為了保證傳輸一致性，設置同步線與反饋線，利用線與特性，當6塊STM8集成模塊全部接收之后完成同步執行。若執行指令的電機觸發限位開關，則產生負反饋到STM8輸入端進行中斷保護。其中，中央控制處理器引腳使用功能及對接方式如表1所示。

圖3 中央控制處理器與STM8控制模塊連接電路圖

本系統采用的中央控制處理器Arduino開發板集成化程度高，并使用STM8芯片分擔了中央控制處理器的運算及指令發送，減少了由于中央控制處理器運算負荷過大造成的不穩定，甚至造成的數據丟失。

表1 中央控制處理器使用引腳及其功能

2.2 運動控制單元電路設計

多軸聯動是實現曲面共形互連電路的關鍵技術。主要包括定位軸X軸、Y軸、Z軸、W軸（旋轉軸）和R軸（擺動軸）五個運動軸。驅動該部分機械運動的分電路設計，主要考慮發動機（如步進電機）、驅動器（如步進電機細分器）以及定位傳感器（如限位開關）。

設計方案如圖4所示，采用STM8S003F3P6微處理器作為控制芯片，主要為分擔中央控制處理器的運算負擔以及控制發動機驅動器進行運動。采用內核具有3級流水線的哈佛結構擴展指令的芯片作為集存儲器程序的存儲器，主頻可達16MHz，具有低能耗且具有16位高精度定時器以及多個優先級的中斷系統，足以輔助中央控制處理器進行曲面路徑運算以及定位后數據的存儲。運動控制單元主要將收到的指令轉化為相應的步進電機控制操作，完成對氣體控制單元和打印平臺坐標的控制。故運動控制單元的STM8控制板需要實現解析功能、檢測功能、通訊功能和控制功能四個部分。

圖4 STM8控制模塊示意圖

具體工作過程：運動控制單元模塊通過STM8進行解析中央控制處理器發來的指令，包括串行通訊協議和定時器外設調用等指令；通過RS-485通訊進行與中央控制處理器的數據交換；通過自身I/O口實現信號檢測以及控制功能，依靠限位傳感器反饋運動軸是否達到極限狀態，若達到則進入中斷保護狀態，最終將處理好的運動軸機械運動信息發送給該軸的步進電機細分器以此來控制步進電機的運動。

相對集成化的STM8與RS-485通訊集成的電路板目前無市售，故為每個運動軸及氣體控制單元設計對應的控制電路板，最終采用6塊相應的電路板。圖5為STM8和RS-485工作原理圖。具體電路包括：STM8最小系統的電源電路、晶振電路、復位電路，以及用于調試異步半雙工RS-485通訊的SP3485芯片。根據上述設計方案，進行PCB板訂制并焊接相關元器件，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控制模塊設計及實物圖

運動控制單元具體使用引腳功能以及對接方式如表2所示。

表2 運動控制單元使用引腳及其功能

由于STM8控制模塊能有效分擔中央控制處理器的運算壓力和傳輸數據壓力，一定程度上提高了系統整體的效率。另外獨立開發設計的STM8與RS-485集成電路板，有效避免了冗余模塊，進一步提高整體的穩定性和運算效率，降低系統整體的功耗且原件有效利用率達到100%，節省系統開發資源。

2.3 溫度檢測單元電路設計

在制備共形電路過程中，需要實時監測打印表面的溫度。故采用已被開發者開源集成化的GY-906紅外測溫傳感器，被測目標溫度和環境溫度能通過單通道輸出，同時具有兩種輸出接口，測溫度范圍為-40℃到380℃，非接觸測量、體積小、精度高，成本低等優點，完全符合該控制系統溫度檢測單元。實物結構如圖7所示。

圖7 GY-906模塊實物圖

該模塊與控制器通訊方式為標準的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行數據交換。通過該模塊和IIC通訊，中央控制處理器可以準確的讀取并采集時實溫度。具體引腳連接方式如表3所示。

表3 溫度檢測單元使用引腳及其功能

2.4 氣動控制單元電路設計

氣體控制單元開關氣閥采用繼電器電磁開關控制：控制線通電，電磁開關打開，氣體可順利從進氣口通過電磁氣閥到出氣口；控制線失電，電磁開關關閉，氣體不能從進氣口經電磁氣閥到出氣口。電磁氣閥實物圖如圖8所示。

圖8 電磁氣閥實物圖

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并聯有源輸出，具有電壓更寬、內阻更低、電流更大、功率強勁等特點。MOS管模塊如圖9所示。

氣體控制單元各部分連接設計如圖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的穩定性和可靠性。

圖10 氣體控制單元連接方式

2.5 激光控制單元電路設計

由于激光器瞬時功率較大，所需要瞬時電壓與電流較高，且激光器需頻繁開和關，故設計時選用自帶保護電路功能。采用電磁隔離的方式來驅動控制激光器，可以有效避免激光器故障或短路時對整個控制電路的影響。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。控制端接入控制電源以及信號源，主回路端接入主電源和被控激光器，主回路電源負極與激光器負極端不經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，常開觸點開關，當有脈沖信號發生時才會觸發激光器，從而保障設備運行安全。經測試，當控制信號穩定時，繼電器的線圈關斷以及閉合時間可以忽略不計。

2.6 電源繼電保護與控制單元電路設計

該控制系統屬于大型用電系統并接入220V交流照明電，故需要對電源的引入進行加裝繼電保護裝置，以確保系統的穩定和供電的可靠性。同時綜合考慮操作者的便捷性與安全性，設計了供電自鎖回路，實現了設備一鍵通斷電。系統主電路供電方式如圖12所示，系統接入220V交流電的火線（L）和零線（N），經過開關電源或模塊進行降壓整流，將電壓分成48V、24V、12V、5V這四個電壓等級，分別傳送給對應電壓的步進電機細分器、控制器等，再由步進電機細分器將電傳給對應的步進電機。

當電源直接與主電路連接或斷開時，電源接通瞬間會產生極大的瞬時電流并釋放電弧，易于對系統及操作人員構成安全隱患，故需設計配電自鎖回路和繼電保護裝置。

圖12 系統主電路供電方式

根據電氣控制自鎖原理設計出加裝繼電保護的配電自鎖回路，如圖13所示。根據實際情況和繼電保護原則，選取元件有：玻璃管保險絲（F1）、2P漏電保護開關（QS1）和1P空氣開關（QS2）。玻璃管保險絲在電流超過額定電流時熔斷，切斷電路；漏電保護開關在當兩相之間電流超過0.3A時（即在漏電時）或單項電超過額定電流時自動斷開并消弧；空氣開關當自鎖回路電流超過額定限流值時自動斷開并消弧，從而達到保護電路的效果。

圖13 帶繼電保護的配電自鎖電路

照明電經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L2紅燈常亮時為主電路關斷狀態。當觸發開關SB2使得L1綠燈亮起時，KM主觸電閉合，主電路電源接通。在此過程中，繼電器、接觸器觸點動作，開關過程自帶消弧功能，不會使電弧拉到設備外使操作者受傷。其中兩個五孔插座用于給系統以外的設備進行供電，如PC機等。

該電源繼電保護與控制單元帶有一定的繼電保護裝置，可以有效的在電源發生故障時切斷電源保護后續電路。經過短路測試、漏電測試和失電測試，切斷電源的穩定性和可靠性都良好。

3 系統控制柜硬件搭建與測試

基于上述曲面共形電路的多軸聯動控制系統的設計，采購相應型號的元器件以及模塊進行制作硬件控制系統，實物如圖14所示。電氣配電控制柜集成復雜曲面共形電路打印中各個單元模塊設計。頂部中左側為電源繼電保護與控制單元，右側為氣體控制單元的氣閥部分；中部為開關電源部分，將照明電降壓整流至需要的電壓等級；下部為步進電機細分器，用于驅動和控制步進電機；前部為系統控制集成板，有6個STM8控制板并加裝保護罩、降壓模塊（用于將24V電壓降至12V和5V這兩個電壓等級）以及RS-485通訊模塊這三個部分；最前方為中央控制處理器Arduino Mega2560。

圖14 電氣配電控制柜實物圖

經過實際48小時運行測試，該系統各個單元運行狀態平穩、無故障出現。當人為刻意制造故障時，系統能夠立即做出反應并實施相應的保護措施，以保護人身與設備安全。此硬件控制系統運行良好且可靠，達到并足以滿足曲面共形互連多軸聯動電路打印的實際要求。

4 結語

針對復雜曲面共形互連電路的多軸聯動打印裝置，自主開發并設計一套控制系統。該控制系統能有效驅動多軸聯動的機械運動。試運行結果顯示，該控制系統各個模塊電路工作正常，測試期間設備運行穩定、可靠，數據傳輸準確。該控制系統具有一定的獨立性和可移植性，相對于傳統增材制造的平面打印控制系統，該控制系統的應用范圍更廣，具有更高的研究價值。盡管該控制系統能較好的實現曲面共形互連多軸聯動打印，但控制系統體積和所占空間位置還相對較大，可以在后續研究開發設計過程中對其進一步高度集成化。