一種面向多自由度3d打印機(jī)器人的3d打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)及該系統(tǒng)的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及3D打印頭控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)熔融沉積(FDM)工藝3D打印機(jī)往往采用箱式或框式結(jié)構(gòu)，靈活性受限，無法制造出大于自身結(jié)構(gòu)尺寸的構(gòu)件，且無法直接完成受損構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)任務(wù)。為解決這些問題，多自由度機(jī)器人技術(shù)與3D打印技術(shù)融合勢(shì)在必行，一方面可以充分利用多自由度機(jī)器人三維立體空間運(yùn)動(dòng)的靈活性實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的靈活制造，另一方面可以利用柔順控制算法直接實(shí)現(xiàn)受損構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)無損修復(fù)任務(wù)。目前，商業(yè)的關(guān)于FDM工藝的3D打印機(jī)控制電氣系統(tǒng)都是自成一套獨(dú)立的開發(fā)系統(tǒng)，底層程序開源不夠徹底。因此與多自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)存在整合難度大的問題，即使花費(fèi)較大代價(jià)完成系統(tǒng)整合，也會(huì)導(dǎo)致電氣集成度低等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了解決當(dāng)前商業(yè)化的關(guān)于FDM工藝的3D打印機(jī)控制器與多自由度機(jī)器人控制系統(tǒng)的整合難度大和集成度低的問題，提出了一種面向多自由度3D打印機(jī)器人的3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)及該系統(tǒng)的控制方法。
[0004]一種面向多自由度3D打印機(jī)器人的3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)包括多自由度機(jī)器人中央控制器和3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，所述多自由度機(jī)器人中央控制器與3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)之間通過查分總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互。
[0005]所述3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)包括:
[0006]用于隔離差分信號(hào)變換的隔離差分信號(hào)變換模塊；
[0007]用于對(duì)多自由度機(jī)器人中央控制器發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行處理的控制處理模塊；
[0008]用于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)隔離的數(shù)字信號(hào)隔離模塊；
[0009]用于驅(qū)動(dòng)外部電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；
[0010]用于對(duì)3D打印頭內(nèi)部加熱棒進(jìn)行加熱的加熱模塊；
[0011]用于對(duì)3D打印機(jī)頭內(nèi)部的溫度傳感器進(jìn)行溫度采集的溫度采集模塊。
[0012]所述控制處理模塊包括:
[0013]用于多自由度機(jī)器人中央控制器與軟處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的串行通信控制接口豐旲塊；
[0014]用于接收多自由度機(jī)器人中央控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理的軟處理模塊；
[0015]用于根據(jù)軟處理模塊發(fā)送的控制指令向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送控制信號(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制接口模塊；
[0016]用于根據(jù)軟處理模塊發(fā)送的加熱指令向加熱模塊發(fā)送加熱信號(hào)的加熱控制接口豐旲塊;
[0017]用于根據(jù)軟處理模塊發(fā)送的溫度采集指令向溫度采集模塊發(fā)送溫度采集信號(hào)的溫度采集控制接口模塊；
[0018]用于觸發(fā)硬件終端的定時(shí)器。
[0019]所述3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)還包括電源隔離變換模塊，所述電源隔離變換模塊包括第一 DC/DC隔離模塊、第二 DC/DC隔離模塊、第一 DC/DC變換模塊、第二 DC/DC變換模塊、第三DC/DC變換模塊、第一線性穩(wěn)壓器、第二線性穩(wěn)壓器、第一熔斷器和第二熔斷器，所述第一DC/DC隔離模塊的隔離信號(hào)輸入端、第三DC/DC變換模塊的變換信號(hào)輸入端、第一熔斷器的熔斷信號(hào)輸入端和第二熔斷器的熔斷信號(hào)輸入端同時(shí)連接外部直流電源，第一 DC/DC隔離模塊的隔離信號(hào)輸出端同時(shí)與第二 DC/DC隔離模塊的隔離信號(hào)輸入端、第一線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓信號(hào)輸入端、第二線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓信號(hào)輸入端、第一 DC/DC變換模塊的變換信號(hào)輸入端和第二 DC/DC變換模塊的變換信號(hào)輸入端連接，所述第二 DC/DC隔離模塊的隔離信號(hào)輸出端與隔離差分信號(hào)變換模塊的隔離信號(hào)輸入端連接，第一線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓信號(hào)輸出端與溫度采集模塊的穩(wěn)壓信號(hào)輸入端連接，第二線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓信號(hào)輸出端與控制處理模塊的穩(wěn)壓信號(hào)輸入端連接，第一 DC/DC變換模塊的變換信號(hào)輸出端與控制處理模塊的第一變換信號(hào)輸入端連接，第二 DC/DC變換模塊的變換信號(hào)輸出端同時(shí)與控制處理模塊的第二變換信號(hào)輸入端和數(shù)字信號(hào)隔離模塊的第一變換信號(hào)輸入端連接，第三DC/DC變換模塊的變換信號(hào)輸出端同時(shí)與數(shù)字信號(hào)隔離模塊的第二變換信號(hào)輸入端連接和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的變換信號(hào)輸入端連接，第一熔斷器的熔斷信號(hào)輸出端與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的熔斷信號(hào)輸入端連接，第二熔斷器的熔斷信號(hào)輸出端與加熱模塊的熔斷信號(hào)輸入端連接。
[0020]基于上述控制系統(tǒng)的控制方法為:
[0021]步驟一、由多自由度機(jī)器人中央控制器根據(jù)作業(yè)任務(wù)，完成對(duì)3D打印頭狀態(tài)監(jiān)控和送絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；
[0022]步驟二、多自由度機(jī)器人中央控制器根據(jù)步驟一中完成的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃下傳控制指令；
[0023]步驟三、由3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的控制指令完成出絲控制，并回傳狀態(tài)數(shù)據(jù)。
[0024]有益效果:本發(fā)明提出一種面向多自由度3D打印機(jī)器人的3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的控制方法，采用虛擬關(guān)節(jié)法，即將3D打印頭機(jī)構(gòu)等效成多自由度機(jī)器人的末端虛擬關(guān)節(jié)方式，構(gòu)建多自由度3D打印機(jī)器人的3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，并提高系統(tǒng)集成度。該控制系統(tǒng)包括:多自由度機(jī)器人中央控制器和3D打印頭控制系統(tǒng)兩部分。前者根據(jù)作業(yè)任務(wù)，主要完成多自由度3D打印機(jī)器人的笛卡兒空間運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，并同步完成對(duì)3D打印頭狀態(tài)監(jiān)控和送絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；后者由控制處理模塊、電源隔離變換模塊、隔離差分信號(hào)變換模塊、數(shù)字信號(hào)隔離模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、加熱模塊和溫度采集模塊構(gòu)成，其根據(jù)前者下傳的控制指令，完成3D打印頭的出絲控制。其中控制處理模塊是基于FPGA構(gòu)建而成，通過靈活修改串行通信控制接口模塊，可適應(yīng)具有不同串行通信協(xié)議的多自由度機(jī)器人系統(tǒng)。隔離差分信號(hào)變換模塊和電源隔離變換模塊的采用，可有效提高3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的抗干擾能力。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明所述的一種面向多自由度3D打印機(jī)器人的3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的原理示意圖；
[0026]圖2為電源隔離變換模塊的原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]【具體實(shí)施方式】一、結(jié)合圖1說明本【具體實(shí)施方式】，本【具體實(shí)施方式】所述的一種面向多自由度3D打印機(jī)器人的3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)包括多自由度機(jī)器人中央控制器I和3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)2，所述多自由度機(jī)器人中央控制器I與3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)2之間通過查分總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交互，
[0028]所述3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)2包括:
[0029]用于隔離差分信號(hào)變換的隔離差分信號(hào)變換模塊3;
[0030]用于對(duì)多自由度機(jī)器人中央控制器I發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行處理的控制處理模塊4;
[0031 ]用于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)隔離的數(shù)字信號(hào)隔離模塊5;
[0032]用于驅(qū)動(dòng)外部電機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊6;
[0033]用于對(duì)3D打印頭內(nèi)部加熱棒進(jìn)行加熱的加熱模塊7；
[0034]用于對(duì)3D打印機(jī)頭內(nèi)部的溫度傳感器進(jìn)行溫度采集的溫度采集模塊8。
[0035]本實(shí)施方式所述的控制系統(tǒng)采用虛擬關(guān)節(jié)法，即將3D打印頭機(jī)構(gòu)等效成多自由度機(jī)器人的末端虛擬關(guān)節(jié)方式，構(gòu)建多自由度3D打印機(jī)器人的3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，并提高系統(tǒng)集成度。
[0036]【具體實(shí)施方式】二、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】二所述的一種面向多自由度3D打印機(jī)器人的3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊6由兩相混合式步進(jìn)電機(jī)集成驅(qū)動(dòng)芯片及其外圍電路構(gòu)成。
[0037]【具體實(shí)施方式】三、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】一所述的一種面向多自由度3D打印機(jī)器人的3D打印頭機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述溫度采集模塊8由基準(zhǔn)電阻與熱敏電阻比較分壓電路、模擬信號(hào)放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。