光固化快速成型3d打印機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種3D打印機(jī)，特別是涉及一種光固化快速成型3D打印機(jī)的閉環(huán)控 制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[000引增材制造（AdditiveManufac化ring,AM)技術(shù)是一種采用材料逐漸累加的方法制 造實(shí)體零件的技術(shù)，其相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除--車削、切削、磨削等加工技術(shù)而言，增 材制造技術(shù)是一種自下而上的制造方法，其基于離散--堆積原理，由零件H維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直 接制造零件。近二十年來(lái)，AM技術(shù)取得了快速發(fā)展，AM技術(shù)同時(shí)又稱為快速原型制造技術(shù)、 3D打印技術(shù)、實(shí)體自由制造技術(shù)等。AM技術(shù)先生成一個(gè)產(chǎn)品的H維CAD實(shí)體模型或曲面模 型文件，然后將該文件轉(zhuǎn)換為STL格式文件，再用軟件從轉(zhuǎn)換后的STL文件中切出已設(shè)定厚 度的一系列片層，送些片層按次序累積起來(lái)后仍是所設(shè)計(jì)的零件形狀；將上述一系列片層 的資料傳遞到快速成型機(jī)（也就是3D打印機(jī)）中，用材料添加法依次將每一層制造出來(lái)、 并將制造好的各層依次連接，直至完成整個(gè)零件。
[0003] 目前，3D打印的成型技術(shù)主要有W下幾種；立體光固化快速成型（SLA)、選擇性激 光燒結(jié)成型（SLS)、烙融沉積制造（FDM)、疊層實(shí)體制造化OM)、H維打?。?D巧和選擇性激 光金屬烙敷（SLM);其中，光固化（SLA)設(shè)備是一個(gè)結(jié)合了固體激光器、光化學(xué)材料、掃描控 制、RP數(shù)據(jù)處理、電氣控制W及機(jī)械設(shè)計(jì)等技術(shù)的跨學(xué)科集成系統(tǒng)，其成型原理是基于光敏 樹脂受紫外光照射凝固的原理，計(jì)算機(jī)控制激光逐層掃描固化液槽中的光敏樹脂。每一層 固化的截面是由零件的H維CAD模型軟件分層得到，如此逐層疊加，直至最后得到光敏樹 脂實(shí)物原型。與基于抑M開源技術(shù)的低成本桌面型3D打印設(shè)備相比，SLA設(shè)備的制造成本 和工藝復(fù)雜度高，在工藝控制、成型質(zhì)量W及市場(chǎng)進(jìn)入、產(chǎn)業(yè)資源配套等方面有較高進(jìn)入口 檻，目前在全球范圍內(nèi)，能充分完全掌握SLA技術(shù)和工藝的公司不超過(guò)5家。
[0004] 在制造每一片層的過(guò)程中，光固化快速成型是利用液態(tài)光敏樹脂在紫外激光的照 射下吸收光能，然后發(fā)生光聚合反應(yīng)而成型零件。具體說(shuō)，如圖1所示，基于光固化快速成 型的3D打印機(jī)主要包括機(jī)架、Z軸升降系統(tǒng)101、樹脂槽102、涂層系統(tǒng)和樹脂循環(huán)系統(tǒng)構(gòu) 成，Z軸升級(jí)系統(tǒng)的下端固定有一L形的巧架103,該巧架103上固定有一工作平臺(tái)104,Z 軸升降系統(tǒng)101帶動(dòng)工作平臺(tái)104上下移動(dòng)；所述樹脂槽102中放置有樹脂，樹脂液面的 上方設(shè)有一用于發(fā)射激光的激光光源105。在初始時(shí)，工作平臺(tái)位于樹脂液面上，激光在計(jì) 算機(jī)的控制下掃描并固化出第一層；Z軸升降系統(tǒng)通過(guò)巧架帶動(dòng)工作平臺(tái)向下移動(dòng)一層， 樹脂液面保持不變，涂層系統(tǒng)使得剛剛固化的第一層上涂上一薄層樹脂，則激光在計(jì)算機(jī) 的控制下掃描并固化出第二層，且第二層與第一層粘接在一起，如此循環(huán)后依次固化出零 件的每一層，直至制作出整個(gè)零件。在實(shí)際成型過(guò)程中，前幾十層一般都是支撐，支撐制作 完成后才開始制作零件。故由此可知：零件的分層厚度（也就是每一片層的厚度）是一個(gè) 重要的工藝參數(shù)，它決定了成型零件的表面精度和制作時(shí)間，因而，分層厚度的確定要綜合 考慮零件的表面精度要求和制作時(shí)間。除此之外，分層厚度并不是可W任意小，送主要是由 于樹脂表面張力的影響，使得薄層樹脂的涂層受限制，樹脂粘度越大，薄層樹脂的涂層就越 難，從而限制了分層厚度的減小。最小分層厚度與樹脂的粘度有關(guān)，樹脂粘度越小，分層厚 度可W越小，制造零件過(guò)程中每個(gè)片層的層厚一般為0.Olmm~0. 5mm。
[0005] 在3D打印領(lǐng)域中，一般采用開環(huán)控制的方式來(lái)控制Z軸升降系統(tǒng)的下移距離，Z軸 升降系統(tǒng)由電機(jī)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)構(gòu)成，所述電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu) 將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為螺母的上下升降運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)巧架和工作平臺(tái)一起上下升降運(yùn)動(dòng)。 開環(huán)控制，即控制器發(fā)送脈沖至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)發(fā)送的脈沖數(shù)計(jì)算出理論的位置行程，根 據(jù)發(fā)送脈沖的頻率計(jì)算出理論的運(yùn)動(dòng)速度：
[0006] 理論位置行程
[0007] 理論運(yùn)動(dòng)速度
[0008] 上述式中，n為控制器相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的脈沖數(shù)；
[0009] N為電機(jī)走一圈所需要的脈沖量；
[0010] A為絲杠的導(dǎo)程；
[0011] f為發(fā)送脈沖的頻率。
[001引比如；在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)定驅(qū)動(dòng)器接收10000個(gè)脈沖，控制電機(jī)走一圈，絲杠的導(dǎo) 程為5mm(即螺紋的螺距），則當(dāng)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送1000個(gè)脈沖時(shí)，理論位置行程為Z為 0. 5mm，當(dāng)發(fā)送脈沖的頻率為IOKHz時(shí)，理論運(yùn)動(dòng)速度速度為5mm/s。
[0013] 但是，經(jīng)實(shí)際實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，上述開環(huán)控制存在W下缺點(diǎn)：
[0014] 1、絲杠螺母機(jī)構(gòu)存在機(jī)械加工誤差，則影響絲杠的導(dǎo)程精度，如絲杠的某一段導(dǎo) 程是5.OOOmrn,另一段則變成4.992mm，或者5.Ollmm,或者間隙影響精度，從而影響理論位 置行程的精度，降低工作平臺(tái)的定位精度；
[0015] 2、控制器向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)器未完全執(zhí)行，比如控制器發(fā)送 2000個(gè)脈沖到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)器最終驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行了 1999個(gè)脈沖，如此也會(huì)產(chǎn)生 工作平臺(tái)下降誤差；
[0016] 3、剎車停止的瞬間，可能過(guò)沖或移動(dòng)過(guò)量，特別是在發(fā)送脈沖的頻率較高時(shí)，當(dāng)脈 沖執(zhí)行完畢后，剎車不能馬上停止，比如下滑了 0. 008mm，送樣會(huì)產(chǎn)生誤差。
[0017] 所W，在開環(huán)控制的方式下，Z軸升降系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作平臺(tái)下降的運(yùn)動(dòng)定位精度不 高，從而影響零件的成型精度、尺寸精度和表面質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 鑒于W上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種Z軸升降系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)定 位精度高的光固化快速成型3D打印機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0019] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種光固化快速成型3D打印機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，包 括機(jī)架、設(shè)在機(jī)架中的Z軸升降系統(tǒng)、電機(jī)、滑塊、巧架和工作平臺(tái)，所述Z軸升降系統(tǒng)分別 連接電機(jī)和滑塊、用于將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成滑塊的上下直線運(yùn)動(dòng)，所述巧架的上端與滑塊 固定連接，下端與工作平臺(tái)固定連接，還包括控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和直線位移檢測(cè)裝置，所 述直線位移檢測(cè)裝置包括一固定在機(jī)架上且上下延伸的標(biāo)尺和一固定在滑塊上的讀數(shù)頭， 該讀數(shù)頭與標(biāo)尺相對(duì)設(shè)置、用于讀取標(biāo)尺上的讀數(shù)，所述控制器與電氣驅(qū)動(dòng)器相連接，電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)相連接，讀數(shù)頭與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或控制器相連接；
[0020] 當(dāng)讀數(shù)頭與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連接時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)讀數(shù)頭的反饋?zhàn)x數(shù)值來(lái)計(jì)算讀 數(shù)差值后向電機(jī)發(fā)送校正脈沖；
[0021] 當(dāng)讀數(shù)頭與控制器相連接時(shí)，控制器根據(jù)讀數(shù)頭的反饋?zhàn)x數(shù)值來(lái)計(jì)算讀數(shù)差值后 控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器向電機(jī)發(fā)送校正脈沖。
[0022] 優(yōu)選地，所述Z軸升降系統(tǒng)為一滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，包括相互配合的絲杠和螺母，所述 絲杠上端通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)相連接，所述螺母與滑塊固定連接。
[0023] 進(jìn)一步地，所述機(jī)架上設(shè)有一上下延伸的軌道，該軌道的左右兩側(cè)均設(shè)有一上下 延伸的滑槽，所述滑塊的左右兩端設(shè)有與滑槽相適配的凸起，所述凸起位于滑槽中，滑塊沿 軌道上下移動(dòng)。
[0024] 優(yōu)選地，所述機(jī)架的底端設(shè)有多個(gè)地腳和多個(gè)腳輪，所述地腳的上端通過(guò)一螺桿 與機(jī)架螺紋連接，所述螺桿上固定有一轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，所述地腳的底面為平面。
[00巧]進(jìn)一步地，所述工作平臺(tái)上開設(shè)有多個(gè)上下延伸的通孔。
[0026] 優(yōu)選地，所述電機(jī)為一具有抱間功能的抱間電機(jī)，或者所述Z軸升降系統(tǒng)上設(shè)有 一抱間元件。
[0027] 優(yōu)選地，所述直線位移檢測(cè)裝置為一光柵尺或一磁柵尺。
[0028] 如上所述，本發(fā)明涉及的光固化快速成型3D打印機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有W下有 益效果：
[0029] 該光固化快速成型3D打印機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)在電機(jī)帶動(dòng)滑塊移動(dòng)后，通過(guò)讀數(shù) 頭讀取標(biāo)尺的實(shí)際位置讀數(shù)、并將實(shí)際位置讀數(shù)作為讀數(shù)頭的反饋?zhàn)x數(shù)值反饋給控制器或 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制器或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)計(jì)算實(shí)際位置讀數(shù)與理論位置讀數(shù)之間的差值后向 電機(jī)發(fā)送校正脈沖，W使電機(jī)帶動(dòng)滑塊移動(dòng)至其理論位置，從而保證Z軸升降系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精 度和定位精度，最終提高零件的成型精度、尺寸精度和表面質(zhì)量。
[0030] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種光固化快速成型3D打印機(jī)的閉環(huán)控制方法。
[0031] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種光固化快速成型3D打印機(jī)的閉環(huán)控制方法，包 括如上所述的光固化快速成型3D打印機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述光固化快速成型3D打印機(jī) 的閉環(huán)控制方法包括如下步驟：
[0032]1)、設(shè)