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1、华中科技大学 硕士学位论文 FDM温度控制系统的硬件结构设计 姓名：陈亚萍 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：叶春生 20070101 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I 摘摘 要要 当前快速成形（RP）技术领域，基于喷射技术的“新一代 RP 技术”已经取代基 于激光技术的“传统的 RP 技术”成为了主流；快速制造的概念已经提出并得到了广 泛地使用。熔融沉积成型（FDM）就是当前使用最广泛的一种基于喷射技术的 RP 技术。 本文主要对 FDM 温度控制系统进行了深入的分析和研究。温度测控在食品卫 生、医疗化工等工业领域具有广泛的应用。随着
2、传感器技术、微电子技术、单片机 技术的不断发展，为智能温度测控系统测控功能的完善、测控精度的提高和抗干扰 能力的增强等提供了条件。本系统采用的 AT89C52 单片机是一高性能的 8 位机，具 有丰富的硬件资源和非常强的抗干扰能力，特别适合构成智能测控仪表和工业测控 系统。 本系统对 AT89C52 单片机硬件资源进行了开发， 采用集成温度传感器 AD590 实现对温度信号的检测，充分利用单片机的硬件资源，以非常小的硬件投入，实现 了对温度信号的精确检测与控制。 文中首先阐述了温度控制的必要性，温度是工业对象中的主要被控参数之一， 在冶金、化工、机械、食品等各类工业中，广泛使用各种加热炉、烘箱
3、、恒温箱等， 它们均需对温度进行控制，成型室及喷头温度对成型件精度都有很大影响。然后详 细讲解了所设计的可控硅调功温度控制系统，系统采用 AT89C52 单片机作微控制器 构建数字温度控制器，调节双向可控硅的导通角，控制电压波形，实现负载两端有 效电压可变，以控制加热棒的加热功率，使温度保持在设定值。系统主要包括：数 据的采集，处理，输出，系统和上位机的通讯，人机交互部分。该系统成本低，精 度高，实现方便。 该系统加热器温度控制采用模糊 PID 控制。模糊 PID 控制的采用能够在控制过 程中根据预先设定好的控制规律不停地自动调整控制量以使被控系统朝着设定的平 衡状态过渡。 关键词：关键词：熔
4、融沉积成型 温度控制 单片机 双向可控硅 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 II Abstract In the present field of Rapid Prototyping, the New RP Technology based on jetting technology is replacing the Conventional RP Technology based on laser technology as the mainstream of the Rapid Prototyping Technology. Fused Deposit
5、ion Modeling (FDM) is the most popular Rapid Prototyping technology based on jetting technology. This paper mainly does research deeply on the temperature control system of FDM system. Temperature controlling is widely to food, sanitation, medical treatment, chemistry and industry. Along with the de
6、velopment of sensor technology, micro-electronics technology and singlechip technolog, brainpower temperature controlling system is perfected, precision of measurement and controlling is enhanced and the ability of anti-jamming is swelled. Singlechip AT89C52 in this paper is a high-powered 8-bit chi
7、p. It has plenty of hardware resource and strong ability for anti-jamming. It is specially suitable for making brainpower measurement instrument and industry controlling system. The hardware resource of singlechip AT89C52 is fully exploited in this paper. This system realizes precise measurement and
8、 controlling of temperature signal with a little hardware resource. First, the need of temperature control is expounded. Temperature is a main control parameter in industrial object. Various calefaction stoves, ovens and constant temperature boxes which all need control temperature are widely used i
9、n many industry such as metallurgy, chemistry, mechanism and foodstuff. Moulding room and spout temperature awfully affect the precision of moulding pieces. Then the temperature control system using controllable silicon is explain in detail. This system adopts singlechip AT89C52 which acts as microc
10、ontroller. It can regulate the angle of double-direction controllable silicon and control voltage wave shape. So the virtual voltage of load can be changed and the calefaction power of calefaction stick can be controlled. Therefore the temperature can retain the enactment value. This system mainly c
11、onsists of collection of data, disposal, output, communication of system and computer and communication of human and machine. This system has some advantages such as low cost, high precision and 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 III convenience realization. This system adopts blury PID control. Th
12、e adoption of blury PID control can ceaselessly autoregulates basing initialized control rule, thus the controlled system will move to the initialized balance state. Key words: Fused Deposition Modeling temperature control singlechip double-direction controllable silicon 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导
13、下进行的研究 工作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解
14、密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪论绪论 快速成形技术(Rapid Prototyping Manufacturing, RPM)是基于离散/堆积成形思 想的新型成形技术，它将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机 数字控制(CNC)，精密伺服驱动和新材料等先进技术集成于一体，无需专用工具和 模具，可快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术1。快速成形技术开创了一个 产品设计、制造的崭新
15、概念。用此技术开发新产品，具有速度快、成本低、周期短、 可修改性强的特点。独到的工艺过程，有利于提高产品的设计质量，缩短设计、制 造周期，为产品尽快推向市场提供了新的途径2。 由于快速成形技术具有突出的优势，所以近年来发展迅速，目前研究出的快速 成形工艺已有数十种。 而基于喷射技术的熔融沉积成型 （Fused Deposition Modeling， FDM）正是当前最活跃使用最广泛的 RP 技术之一。FDM 工艺不用激光，使用维护 简单、成本低、体积小、无污染、材料的利用率高，能够制作有较高强度的工程塑 料件，因此在产品设计、测试与评估等方面得到广泛的应用。 1.1 FDM 工艺原理工艺原理
16、 FDM 工艺由美国学者 Scott Crump 博士于 1988 年率先研制成功。随后，美国 Stratasys 公司推出了基于 FDM 技术的 3D Modeler 1000，1100，1600 三种商品化设 备3。 FDM 的工艺原理是加热喷头在计算机的控制下， 根据零件截面轮廓的信息， 作 XY 运动和高度 Z 向的运动，快速冷却后形成截面轮廓。一层成形完成后，喷头 上升一个截面层的高度，用同样的方法制造下一层面并与前一个层面熔结在一起， 如此循环，直至完成整个零件实体的制造4。FDM 的工作原理如图 1.1。 FDM 工艺之关键是用液化器代替了激光器， 保持半流动成形材料刚好在凝固点 之上，通常控制在比凝固温度高 1左右，FDM 喷头受 CAD 分层数据控制，当它 沿着 XY 方向移动，半
