一種3d打印機(jī)運(yùn)動(dòng)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)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的控制方法，屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]快速成型技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，3D打印是快速成型技術(shù)的一個(gè)分支。先由建模軟件對(duì)打印實(shí)物進(jìn)行三維建模，再由切片軟件對(duì)三維模型進(jìn)行識(shí)別和STL格式轉(zhuǎn)換，最終將模型打印信息傳遞到主控制板，再由主控制板發(fā)送控制指令給各功能模塊。由擠出頭擠出的熔融耗材，逐層打印，層層疊加，從而將三維模型變成三維立體實(shí)物。3D打印技術(shù)作為一種高新技術(shù)，具體涉及CAD建模、測(cè)量、接口軟件、數(shù)控、精密儀器、激光、材料等多學(xué)科的集成。
[0003]然而，現(xiàn)有的桌面級(jí)別的3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在著諸多缺點(diǎn)。打印機(jī)必須與PC機(jī)相連，既占用了 PC機(jī)資源，也需考慮打印過(guò)程中USB連接的不穩(wěn)定問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中各功能模塊集成度不高。步進(jìn)電機(jī)的控制以及溫度控制不夠精確。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的硬件部分內(nèi)存不足、外設(shè)不夠多，軟件部分資源不夠豐富，無(wú)法實(shí)時(shí)滿足打印過(guò)程中的任務(wù)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:使得3D打印機(jī)無(wú)須與PC機(jī)相連。
[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括3D打印機(jī)的微控制器，其特征在于，還包括至少集成有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及溫度控制模塊的擴(kuò)展板，擴(kuò)展板與集成有微控制器的核心控制板接插式連接，使得擴(kuò)展板與核心控制板之間通過(guò)串口通信總線建立通信，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于控制3D打印機(jī)的軸向電機(jī)和送料機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，溫度控制模塊用于實(shí)現(xiàn)精確的PID控制；
[0006]還包括LCD控制面板，擴(kuò)展板與IXD控制面板之間通過(guò)串口通信總線建立通信，LCD控制面板至少包括液晶顯示模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)3D打印機(jī)上各電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃信息及運(yùn)動(dòng)軌跡控制信息。
[0007]優(yōu)選地，在所述擴(kuò)展板上還集成有限位開(kāi)關(guān)模塊、風(fēng)扇控制模塊及電源模塊，其中，限位開(kāi)關(guān)模塊用于限定3D打印機(jī)的軸向步進(jìn)電機(jī)最大和最小軸向移動(dòng)范圍。
[0008]優(yōu)選地，所述IXD控制面板還包括旋鈕控制模塊及電平變換模塊。
[0009]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用SD卡讀取模塊。
[0010]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供了一種基于上述系統(tǒng)的3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]步驟1、在PC上位機(jī)將打印實(shí)物的三維模型通過(guò)切片軟件處理并生成G代碼指令，再將其存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中；
[0012]步驟2、預(yù)先由PC上位機(jī)對(duì)核心控制板通過(guò)固件內(nèi)容進(jìn)行初始化配置；
[0013]步驟3、微控制器讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊內(nèi)的G代碼指令，該G代碼指令中包含有運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制的信息，再由微控制器輸出控制指令給擴(kuò)展板上電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)具體控制相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)工作，其中:
[0014]X軸向步進(jìn)電機(jī)及Y軸向步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擠出頭在兩個(gè)維度上運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)平面打印后，再驅(qū)動(dòng)Z軸絲桿步進(jìn)電機(jī)使平臺(tái)上下移動(dòng)，從而繪制新的平面，通過(guò)這樣逐層打印，層層疊加，精確地控制整個(gè)打印過(guò)程。
[0015]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在的技術(shù)上不足，提供了一種基3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、操作方便，可實(shí)現(xiàn)高精度的3D打印，工作可靠性和穩(wěn)定性高，便于推廣使用。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的硬件系統(tǒng)功能模塊框圖；
[0018]圖3為本發(fā)明的軟件系統(tǒng)功能模塊框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0020]圖1為本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)圖。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩方面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、A/D轉(zhuǎn)換器。其具體的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程如下:
[0021]步驟1、在PC上位機(jī)上將打印實(shí)物的三維模型通過(guò)切片軟件處理并生成G代碼指令，該G代碼指令中包含有運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃信息和運(yùn)動(dòng)軌跡控制信息，再將其存入SD卡。
[0022]步驟2、預(yù)先由PC上位機(jī)經(jīng)USB串口對(duì)核心控制板通過(guò)固件內(nèi)容進(jìn)行初始化配置，包括主控板類型的設(shè)置、溫度控制設(shè)置、機(jī)械位置設(shè)置以及可支持的LCD面板的類型設(shè)置。其機(jī)械設(shè)置又分為兩個(gè)部分，一部分是對(duì)限位開(kāi)關(guān)模塊的設(shè)置，主要規(guī)定軸向步進(jìn)電機(jī)最大和最小軸向移動(dòng)范圍；另一部分是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的設(shè)置，包括步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方向、限位開(kāi)關(guān)邏輯、行程長(zhǎng)度以及步進(jìn)單位的設(shè)置。
[0023]步驟3、將SD卡插入SD卡讀取模塊，由SD卡讀取模塊讀取SD卡中的G代碼指令。
[0024]步驟4、經(jīng)分析將G代碼指令中的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃信息和運(yùn)動(dòng)軌跡控制信息傳送給微控制器，再由微控制器輸出控制指令，最終發(fā)送給擴(kuò)展板上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)具體控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)工作，分別為X軸向步進(jìn)電機(jī)、Y軸向步進(jìn)電機(jī)、Z軸絲桿步進(jìn)電機(jī)及進(jìn)料步進(jìn)電機(jī)。
[0025]步驟5、根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接收到的指令來(lái)驅(qū)動(dòng)X軸向步進(jìn)電機(jī)及Y軸向步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擠出頭在兩個(gè)維度上運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)平面打印后，再驅(qū)動(dòng)Z軸絲桿步進(jìn)電機(jī)使打印平臺(tái)上下移動(dòng)，從而繪制新的平面，通過(guò)這樣逐層打印，層層疊加，精確的控制整個(gè)打印過(guò)程。
[0026]圖2為本發(fā)明的硬件系統(tǒng)功能模塊框圖。3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件部分包括核心控制板、擴(kuò)展板、LCD控制面板以及串口通信總線。核心控制板上集成有微控制器。擴(kuò)展板采用堆疊的設(shè)計(jì)，上面集成有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、限位開(kāi)關(guān)模塊、溫度控制模塊、風(fēng)扇控制模塊。LCD控制面板包括液晶顯示模塊、SD卡讀取模塊、旋鈕控制模塊及電平變換模塊。采用LCD控制面板，一方面支持SD卡，可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)打??；另一方面，操作便捷，便于人機(jī)交互協(xié)作。串口通信模塊主要是用于建立核心控制板和擴(kuò)展板之間以及擴(kuò)展板和LCD控制面板之間的通信。當(dāng)核心控制板連到RS-232端口的時(shí)，其間需接一個(gè)緩沖或電平轉(zhuǎn)換電路，即電平變換模塊，使O?5V的AVR單片機(jī)(即微控制器)信號(hào)和普通PC串口的標(biāo)準(zhǔn)(RS-232) 對(duì)接得上。溫度控制模塊通過(guò)固件軟件設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的 PID 控制。
[0027]步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于微控制器發(fā)送指令來(lái)驅(qū)動(dòng)控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)如何工作。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的是完全微步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可在全、半、1/4、1/8及1/16步進(jìn)模式時(shí)操作雙極步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，輸出驅(qū)動(dòng)性能可達(dá)35V及±2A。微控制器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的d i rP i η 口分別輸入高電位、低電位來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，最終來(lái)控制擠出頭和打印平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。微控制器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的StepperPin 口輸入脈沖，通過(guò)設(shè)置步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)精確調(diào)速，通過(guò)控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)精確定位。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中的MS1、MS2、MS3三位控制電機(jī)軸的步距角的細(xì)分，通過(guò)硬件電路中短路片的接入與否來(lái)控制。限位開(kāi)關(guān)模塊限制著擠出頭軸向運(yùn)動(dòng)最大值和最小值范圍。溫度控制模塊包括熱敏電阻與加熱電阻絲。打印平臺(tái)上方熱床和擠出頭內(nèi)部均設(shè)置有加熱電阻絲，且均有熱敏電阻與之連接，再連接于所述的加熱模塊。熱敏電阻用于對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，若低于設(shè)定溫度，借助軟件設(shè)置實(shí)現(xiàn)PID溫度調(diào)節(jié)控制，控制電阻絲加熱溫度。
[0028]圖3為本發(fā)明的軟件系統(tǒng)功能模塊框圖。軟件系統(tǒng)包括PC上位機(jī)應(yīng)用軟件、底層控制軟件和接口驅(qū)動(dòng)單元;上位機(jī)應(yīng)用軟件主要包括建模軟件和切片軟件;底層控制軟件主要由固件來(lái)進(jìn)行配置，包括初始化模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、溫度控制模塊、液晶顯示模塊、串口通信模塊、主邏輯模塊;接口驅(qū)動(dòng)單元主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、溫度控制模塊以及IXD控制面板的接口部分。
[0029]將配置好的固件燒錄進(jìn)核心控制板后，就可以通過(guò)LCD控制面板實(shí)時(shí)控制打印過(guò)程，配置的參數(shù)有波特率、控制板類型、擠出頭噴嘴個(gè)數(shù)、打印機(jī)各軸的運(yùn)行行程、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)單位距離所需要的脈沖數(shù)。上位機(jī)生成的G代碼中包含的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制信息，通過(guò)IXD控制面板將這些信息發(fā)送給主控制板，經(jīng)分析處理再將控制指令發(fā)送給各功能模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)打印過(guò)程的精確控制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括3D打印機(jī)的微控制器，其特征在于，還包括至少集成有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及溫度控制模塊的擴(kuò)展板，擴(kuò)展板與集成有微控制器的核心控制板接插式連接，使得擴(kuò)展板與核心控制板之間通過(guò)串口通信總線建立通信，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于控制3D打印機(jī)的軸向電機(jī)和送料機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，溫度控制模塊用于實(shí)現(xiàn)精確的PID控制； 還包括IXD控制面板，擴(kuò)展板與LCD控制面板之間通過(guò)串口通信總線建立通信，IXD控制面板至少包括液晶顯示模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)3D打印機(jī)上各電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃信息及運(yùn)動(dòng)軌跡控制信息。2.如權(quán)利要求1所述的一種3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在，在所述擴(kuò)展板上還集成有限位開(kāi)關(guān)模塊、風(fēng)扇控制模塊及電源模塊，其中，限位開(kāi)關(guān)模塊用于限定3D打印機(jī)的軸向步進(jìn)電機(jī)最大和最小軸向移動(dòng)范圍。3.如權(quán)利要求1所述的一種3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在，所述LCD控制面板還包括旋鈕控制模塊及電平變換模塊。4.如權(quán)利要求1所述的一種3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用SD卡讀取模塊。5.—種基于如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、在PC上位機(jī)將打印實(shí)物的三維模型通過(guò)切片軟件處理并生成G代碼指令，再將其存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中； 步驟2、預(yù)先由PC上位機(jī)對(duì)核心控制板通過(guò)固件內(nèi)容進(jìn)行初始化配置； 步驟3、微控制器讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊內(nèi)的G代碼指令，該G代碼指令中包含有運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制的信息，再由微控制器輸出控制指令給擴(kuò)展板上電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)具體控制相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)工作，其中: X軸向步進(jìn)電機(jī)及Y軸向步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擠出頭在兩個(gè)維度上運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)平面打印后，再驅(qū)動(dòng)Z軸絲桿步進(jìn)電機(jī)使平臺(tái)上下移動(dòng)，從而繪制新的平面，通過(guò)這樣逐層打印，層層疊加，精確地控制整個(gè)打印過(guò)程。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括3D打印機(jī)的微控制器，其特征在于，還包括至少集成有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及溫度控制模塊的擴(kuò)展板；還包括LCD控制面板，擴(kuò)展板與LCD控制面板之間通過(guò)串口通信總線建立通信，LCD控制面板至少包括液晶顯示模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)3D打印機(jī)上各電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃信息及運(yùn)動(dòng)軌跡控制信息。本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供了一種基于上述系統(tǒng)的3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方法。本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在的技術(shù)上不足，提供了一種基3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、操作方便，可實(shí)現(xiàn)高精度的3D打印，工作可靠性和穩(wěn)定性高，便于推廣使用。
【IPC分類】B29C67/00, B33Y50/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105619822
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610146574
【發(fā)明人】黃勇, 陳果, 劉華山, 張玨, 張亞軍, 唐健, 蔡煜野
【申請(qǐng)人】東華大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2016年3月15日