CN103921446A - 具有断电续打功能的3d打印机及其断电续打控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有断电续打功能的3D打印机及其断电续打控制方法，属于3D打印技术领域。该3D打印机包括能存储电能的电源模块，用以检测外部电源供电状态的断电检测模块，以及控制打印机各部件在供电与断电状态间切换的控制模块。利用本发明的方法，在断电时，打印机能够利用存储的电能，记录工作状态，并将各部件设定到断电状态；当恢复供电时，可控制打印机恢复之前的状态，继续上次的工作，从而避免重新打印，有效节省耗材，大幅提高打印成功率，进而配合位移检测模块，实现闭环控制，更进一步提高断电续打的打印精度。且本发明的具有断电续打功能的3D打印机设备结构简单，其断电续打控制方法实现方法简便，使用范围也相当广泛。

Description

具有断电续打功能的3D打印机及其断电续打控制方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及3D打印机结构及控制方法技术领域。

背景技术

3D打印，特别是熔融沉积成型(FDM,Fused Deposition Modeling)3D打印是一种将熔融状原材料层层堆积产生三维结构的快速成型技术。由于采用逐层累积的方式，当打印模型尺寸较大时，成型时间可长达几十个小时。而现有的熔融沉积成型3D打印机均没有断电和中止处理机制，模型从开始打印到结束需一次性完成，若中途出现断电或其他故障中止，则需重新打印，这就大大降低了大尺寸模型的打印成功率；反复的重新打印，也产生了大量耗材的浪费。因此，如何实现断电后的继续打印，提供打印成功率，节省打印耗材浪费，成为3D打印技术领域中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够在断电后重新上电继续上次未完成的打印工作，避免重新打印，节省打印耗材，大幅提高打印成功率，且设备结构简单，实现方法简便，使用范围较为广泛的具有断电续打功能的3D打印机及其断电续打控制方法。

为了实现上述的目的，本发明的具有断电续打功能的3D打印机包括如下构成：

该具有断电续打功能的3D打印机包括机框、连接于所述的机框的打印行走机构、连接于所述的打印行走机构的挤出喷头、连接并驱动所述的打印行走机构的驱动模块；还包括电源模块、断电检测模块和控制模块。其中，电源模块连接于外部电源和所述的打印行走机构之间，用以从所述的外部电源获取电能，向所述的驱动模块供电，并存储电能；断电检测模块连接于所述的外部电源，用以检测外部电源是否向电源模块供电，并输出检测结果；控制模块则用于根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定打印机的工作状态为供电状态或断电状态；根据记录的打印数据加工位置；并控制所述的电源模块、打印行走机构和挤出喷头在所述的供电状态与断电状态之间相互切换。

该具有断电续打功能的3D打印机中，所述的电源模块包括直流电源和储能装置。其中，直流电源用以将所述外部电源的交流电变为直流电向所述的驱动模块供电；储能装置用以在所述的控制模块控制下，在所述的断电状态与供电状态间切换，在所述的供电状态时，从所述的直流电源获取并存储电能；并在所述的断电状态时，向所述的驱动模块、挤出喷头和控制模块供电。所述的储能装置为蓄电池或电容。

该具有断电续打功能的3D打印机中，所述的断电检测模块包括降压变压器、整流二极管、两个分压电阻和断电检测电路。其中，降压变压器的原边绕组连接于外部交流电源，其副边绕组输出低压交流电；整流二极管连接于所述的降压变压器的副边绕组，将所述的低压交流电整流为单向正电压；两个分压电阻顺序串联于所述的整流二极管的阴极，所述两个分压电阻之间的节点输出断电检测电平；断电检测电路连接于所述的两个分压电阻之间的节点与控制模块之间，用以根据所述的断电检测电平向所述的控制模块输出断电检测结果。

该具有断电续打功能的3D打印机中，所述的控制模块包括状态选择单元、存储单元和状态切换控制单元。其中，状态选择单元用以根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定工作状态为断电状态或供电状态；存储单元用以存储打印数据、在该打印数据上标记打印位置；状态切换控制单元用以根据所述的状态选择单元确定的工作状态，控制所述的电源模块、打印行走机构和挤出喷头在所述的断电状态和供电状态间切换。

该具有断电续打功能的3D打印机中，所述的状态切换控制单元包括电源模块切换控制子单元、打印行走机构切换控制子单元和挤出喷头切换控制子单元。其中，电源模块切换控制子单元用以在切换到断电状态时，控制所述的电源模块利用其存储的电能供电，并在切换到供电状态时，控制所述的电源模块利用外部电源供电；打印行走机构切换控制子单元用以在切换到断电状态时，通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头移动至断电暂停位置，该断电暂停位置为远离打印模型的位置；并在切换到供电状态时，根据存储单元存储的切换到断电状态时打印数据上所标记的打印位置，通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的打印数据上所标记的打印位置对应的位置。挤出喷头切换控制子单元用以在切换到断电状态时，控制所述的挤出喷头抽回打印耗材并冷却；并在切换到供电状态时，控制所述的挤出喷头加热并预先挤出变质耗材。

该具有断电续打功能的3D打印机中，还包括位移检测模块，该位移检测模块固定于所述的机框和打印行走机构，用于检测挤出喷头的实际位移；且所述的控制模块的存储单元通过所述的位移检测模块获取所述挤出喷头的实际位移，存储切换到断电状态时挤出喷头的实际位置；所述的控制模块的状态切换控制单元包括，用以在切换到供电状态时，根据存储单元存储的切换到断电状态时挤出喷头的实际位置，通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的切换到断电状态时挤出喷头的实际位置。

该具有断电续打功能的3D打印机中，所述的打印行走机构为具有相互垂直的X轴与Y轴的十字形打印行走机构，所述的挤出喷头固定于所述的X轴与Y轴相交的位置并可在所述的驱动模块的控制下沿所述的X轴和Y轴移动，所述的位移检测模块用以检测所述的挤出喷头分别沿所述的X轴和Y轴的位移数据，并将所述的位移数据发送至所述的控制模块。

该具有断电续打功能的3D打印机中，所述的位移检测模块包括：X轴光栅尺、Y轴光栅尺、X轴光栅读取器和Y轴光栅读取器。其中，X轴光栅尺固定于所述的机框，并平行于所述的X轴；Y轴光栅尺固定于所述的机框，并平行于所述的Y轴；X轴光栅读取器固定于所述的Y轴上靠近所述的X轴光栅尺的一端，并可随所述Y轴的移动沿所述的X轴光栅尺运动，且该X轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的X轴光栅尺读取挤出喷头沿X轴的位移数据；Y轴光栅读取器固定于所述的X轴上靠近所述的Y轴光栅尺的一端，并可随所述X轴的移动沿所述的Y轴光栅尺运动，且该Y轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的Y轴光栅尺读取挤出喷头沿Y轴的位移数据。

该具有断电续打功能的3D打印机中，所述的打印行走机构还包括Z轴，所述的Z轴固定于所述的机框并垂直于所述的X轴和Y轴，该打印机还包括打印平台，所述的打印平台连接于所述的Z轴，并可沿所述的Z轴垂直运动；所述的位移检测模块包括：Z轴光栅尺和Z轴光栅读取器。其中，Z轴光栅尺固定于所述的机框，并平行于所述的Z轴；Z轴光栅读取器固定打印平台，并可随所述打印平台的移动沿所述的Z轴光栅尺运动，且该Z轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的Z轴光栅尺读取打印平台沿Z轴的位移数据。

本发明还提供一种利用上述的具有断电续打功能的3D打印机实现的3D打印机断电续打控制方法，该方法包括断电控制流程和恢复控制流程，其中，所述的断电控制流程包括以下步骤：

(A1)所述的控制模块根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定打印机的工作状态从所述的供电状态切换为断电状态；

(A2)所述的控制模块记录打印数据加工位置；

(A3)所述的控制模块控制所述的电源模块、打印行走机构和挤出喷头切换至断电状态；

所述的恢复控制流程包括以下步骤：

(B1)所述的控制模块根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定打印机的工作状态从所述的断电状态切换为供电状态；

(B2)所述的控制模块控制所述的电源模块和挤出喷头切换至供电状态；

(B3)所述的控制模块控制打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的打印数据加工位置对应的位置；

(B4)所述的控制模块从所述的打印数据加工位置开始继续打印。

该3D打印机断电续打控制方法中，所述的3D打印机还包括：位移检测模块，固定于所述的机框和打印行走机构，用于检测挤出喷头的实际位移；

所述的步骤(A2)具体为：

(A2’)所述的控制模块根据挤出喷头的实际位移，记录挤出喷头的实际位置和打印数据加工位置；

所述的步骤(B3)具体为：

(B3’)所述的控制模块控制打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的挤出喷头的实际位置。

该3D打印机断电续打控制方法中，所述的打印行走机构为具有相互垂直的X轴与Y轴的十字形打印行走机构，所述的位移检测模块包括：X轴光栅尺、X轴光栅读取器、Y轴光栅尺、Y轴光栅读取器、Z轴光栅尺以及Z轴光栅读取器。所述的存储单元通过所述的位移检测模块获取所述挤出喷头的实际位移，存储切换到断电状态时挤出喷头的实际位置，具体为：利用所述的X轴光栅读取器、Y轴光栅读取器和Z轴光栅读取器配合对应的X轴光栅尺、Y轴光栅尺和Z轴光栅尺读取挤出喷头沿X轴及Y轴的位移数据，以及打印平台沿Z轴的位移数据，并存储。

该3D打印机断电续打控制方法中，状态切换控制单元包括电源模块切换控制子单元；所述的电源模块包括直流电源和储能装置，所述的控制模块控制所述的电源模块切换至断电状态，具体为：所述的电源模块切换控制子单元控制所述的电源模块通过储能装置向所述的驱动模块、挤出喷头、位移检测模块和控制模块供电；所述的控制模块控制所述的电源模块切换至供电状态，具体为：所述的电源模块切换控制子单元控制所述的电源模块通过直流电源向所述的驱动模块、挤出喷头、位移检测模块和控制模块供电，并利用所述的储能装置从所述的直流电源获取并存储电能。

该3D打印机断电续打控制方法中，状态切换控制单元还包括挤出喷头切换控制子单元，所述的控制模块控制所述的挤出喷头切换至断电状态，具体为：所述的挤出喷头切换控制子单元控制所述的挤出喷头抽回打印耗材并冷却；所述的控制模块控制所述的挤出喷头切换至供电状态，具体为：所述的挤出喷头切换控制子单元控制所述的挤出喷头加热并预先挤出变质耗材。

该3D打印机断电续打控制方法中，状态切换控制单元还包括打印行走机构切换控制子单元，所述的控制模块控制所述打印行走机构切换至断电状态，具体为：所述的打印行走机构切换控制子单元通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头移动至断电暂停位置；所述的控制模块控制所述打印行走机构切换至供电状态，具体为：所述的打印行走机构切换控制子单元通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的切换到断电状态时挤出喷头的实际位置。

该3D打印机断电续打控制方法中，所述的断电控制流程包括以下步骤：

(A4)所述的3D打印机存储断电标志信息；

所述的恢复控制流程包括以下步骤：

(B0)所述的3D打印机判断是否存储有所述的断电标志信息，若是，则进入步骤(B1)，若否，则退出本方法。

该3D打印机断电续打控制方法中，所述的步骤(B0)具体包括以下步骤：

(B0-1)所述的3D打印机判断是否存储有所述的断电标志信息，若是，则进入步骤(B0-1)，若否，则退出本方法；

(B0-1)所述的3D打印机提示用户选择是否继续上次打印，若用户选择继续，则进入步骤(B1)，若用户选择不继续，则退出本方法。

采用了该发明的具有断电续打功能的3D打印机及其断电续打控制方法，该3D打印机包括能够存储电能的电源模块，用以检测外部电源是否正常供电的断电检测模块，以及控制打印机各部件在供电状态与断电状态之间相互切换的控制模块。利用该控制方法，在断电时，打印机能够利用电源模块存储的电能，记录打印机状态，并将各部件设定到断电状态；当恢复供电时，能够控制打印机恢复到断电前的工作状态，继续上次未完成的打印工作，从而避免重新打印，有效节省打印耗材，大幅提高打印成功率。进而本发明能够配合位移检测模块，实现断电续打的闭环控制方法，更进一步提高断电续打的打印精度。且本发明的具有断电续打功能的3D打印机设备结构简单，其断电续打控制方法实现方法简便，使用范围也相当广泛。

附图说明

图1为本发明的具有断电续打功能的3D打印机的结构示意图。

图2为本发明的3D打印机断电续打控制方法中切换到断电状态的控制流程示意图。

图3为本发明的3D打印机断电续打控制方法中切换到供电状态的控制流程示意图。

图4为本发明的具有断电续打功能的3D打印机所采用的全闭环控制系统的结构示意图。

图5为本发明利用于开环控制的3D打印机时断电续打前后的打印轨迹示意图。

图6为本发明利用于闭环控制的3D打印机时断电续打前后的打印轨迹示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，为本发明的具有断电续打功能的3D打印机的结构示意图。

在一种实施方式中，该具有断电续打功能的3D打印机包括机框、连接于所述的机框的打印行走机构、连接于所述的打印行走机构的挤出喷头、连接并驱动所述的打印行走机构的驱动模块；还包括电源模块、断电检测模块和控制模块。其中，电源模块连接于外部电源和所述的打印行走机构之间，用以从所述的外部电源获取电能，向所述的驱动模块供电，并存储电能；断电检测模块连接于所述的外部电源，用以检测外部电源是否向电源模块供电，并输出检测结果；控制模块则连接所述的断电检测模块，用于根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定打印机的工作状态为供电状态或断电状态；记录打印数据加工位置；并控制所述的电源模块、打印行走机构和挤出喷头在所述的供电状态与断电状态之间相互切换。

利用该实施方式所述的具有断电续打功能的3D打印机实现的3D打印机断电续打控制方法，为一种开环控制的方法，其包括断电控制流程和恢复控制流程，其中，所述的断电控制流程包括以下步骤：

(A1)所述的控制模块根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定打印机的工作状态从所述的供电状态切换为断电状态；

(A2)所述的控制模块记录打印数据加工位置；

(A3)所述的控制模块控制所述的电源模块、打印行走机构和挤出喷头切换至断电状态；

所述的恢复控制流程包括以下步骤：

(B1)所述的控制模块根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定打印机的工作状态从所述的断电状态切换为供电状态；

(B2)所述的控制模块控制所述的电源模块和挤出喷头切换至供电状态；

(B3)所述的控制模块控制打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的打印数据加工位置对应的位置；

(B4)所述的控制模块从所述的打印数据加工位置开始继续打印。

在一种可选择的具体实施方式中，所述的断电控制流程包括以下步骤：

(A4)所述的3D打印机存储断电标志信息；

所述的恢复控制流程包括以下步骤：

(B0)所述的3D打印机判断是否存储有所述的断电标志信息，若是，则进入步骤(B1)，若否，则退出本方法。

进一步的，所述的步骤(B0)还可以具体包括以下步骤：

(B0-1)所述的3D打印机判断是否存储有所述的断电标志信息，若是，则进入步骤(B0-1)，若否，则退出本方法；

(B0-1)所述的3D打印机提示用户选择是否继续上次打印，若用户选择继续，则进入步骤(B1)，若用户选择不继续，则退出本方法。

在较优选的实施方式中，所述的控制模块包括状态选择单元、存储单元和状态切换控制单元。其中，状态选择单元用以根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定工作状态为断电状态或供电状态；存储单元用以存储打印数据，并在该打印数据上标记打印位置；状态切换控制单元用以根据所述的状态选择单元确定的工作状态，控制所述的电源模块、打印行走机构和挤出喷头在所述的断电状态和供电状态间切换。其中，所述的状态切换控制单元包括电源模块切换控制子单元、打印行走机构切换控制子单元和挤出喷头切换控制子单元。其中，电源模块切换控制子单元用以在切换到断电状态时，控制所述的电源模块利用其存储的电能供电，并在切换到供电状态时，控制所述的电源模块利用外部电源供电；打印行走机构切换控制子单元用以在切换到断电状态时，通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头移动至断电暂停位置，该断电暂停位置为远离打印模型的位置；并在切换到供电状态时，根据存储单元存储的打印数据上标记打印位置，通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的打印数据上标记打印位置所对应的位置。挤出喷头切换控制子单元用以在切换到断电状态时，控制所述的挤出喷头抽回打印耗材并冷却；并在切换到供电状态时，控制所述的挤出喷头加热并预先挤出变质耗材。

在进一步优选的实施方式中，所述的电源模块包括直流电源和储能装置。其中，直流电源用以将所述外部电源的交流电变为直流电向所述的驱动模块供电；储能装置用以在所述的控制模块控制下，在所述的断电状态与供电状态间切换，在所述的供电状态时，从所述的直流电源获取并存储电能；并在所述的断电状态时，向所述的驱动模块、挤出喷头和控制模块供电。所述的储能装置为蓄电池或电容。

在利用该进一步优选的实施方式所述的具有断电续打功能的3D打印机实现的3D打印机断电续打控制方法中，所述的控制模块控制所述的电源模块切换至断电状态，具体为：所述的电源模块切换控制子单元控制所述的电源模块通过储能装置向所述的驱动模块、挤出喷头和控制模块供电；所述的控制模块控制所述的电源模块切换至供电状态，具体为：所述的电源模块切换控制子单元控制所述的电源模块通过直流电源向所述的驱动模块、挤出喷头和控制模块供电，并利用所述的储能装置从所述的直流电源获取并存储电能。所述的控制模块控制所述的挤出喷头切换至断电状态，具体为：所述的挤出喷头切换控制子单元控制所述的挤出喷头抽回打印耗材并冷却；所述的控制模块控制所述的挤出喷头切换至供电状态，具体为：所述的挤出喷头切换控制子单元控制所述的挤出喷头加热并预先挤出变质耗材。且所述的控制模块控制所述打印行走机构切换至断电状态，具体为：所述的打印行走机构切换控制子单元通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头移动至断电暂停位置；所述的控制模块控制所述打印行走机构切换至供电状态，具体为：所述的打印行走机构切换控制子单元通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的打印数据上标记打印位置所对应的位置。

在更进一步优选的实施方式中，所述的断电检测模块包括降压变压器、整流二极管、两个分压电阻和断电检测电路。其中，降压变压器的原边绕组连接于外部交流电源，其副边绕组输出低压交流电；整流二极管连接于所述的降压变压器的副边绕组，将所述的低压交流电整流为单向正电压；两个分压电阻顺序串联于所述的整流二极管的阴极，所述两个分压电阻之间的节点输出断电检测电平；断电检测电路连接于所述的两个分压电阻之间的节点与控制模块之间，用以根据所述的断电检测电平向所述的控制模块输出断电检测结果。

在更优选的实施方式中，该3D打印机还包括位移检测模块。该位移检测模块固定于所述的机框和打印行走机构，用于检测挤出喷头的实际位移；且所述的控制模块的存储单元通过所述的位移检测模块获取所述挤出喷头的实际位移，存储切换到断电状态时挤出喷头的实际位置；所述的控制模块的状态切换控制单元包括，用以在切换到供电状态时，根据存储单元存储的切换到断电状态时挤出喷头的实际位置，通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的切换到断电状态时挤出喷头的实际位置。与该3D打印机的其它组件相同，该位移检测模块在供电状态由所述的直流电源供电，在断电状态由所述的储能装置供电。

利用该更优选的实施方式所提供的3D打印机，可以采用闭环控制方法，与上述的开环控制方法的区别在于，所述的步骤(A2)具体为：(A2’)所述的控制模块根据挤出喷头的实际位移，记录挤出喷头的实际位置和打印数据加工位置；且所述的步骤(B3)具体为：(B3’)所述的控制模块控制打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的挤出喷头的实际位置。

在更为优选的实施方式中，所述的打印行走机构为具有相互垂直的X轴与Y轴的十字形打印行走机构，所述的挤出喷头固定于所述的X轴与Y轴相交的位置并可在所述的驱动模块的控制下沿所述的X轴和Y轴移动，所述的位移检测模块用以检测所述的挤出喷头分别沿所述的X轴和Y轴的位移数据，并将所述的位移数据发送至所述的控制模块。

具体而言，所述的位移检测模块包括：X轴光栅尺、Y轴光栅尺、X轴光栅读取器和Y轴光栅读取器。其中，X轴光栅尺固定于所述的机框，并平行于所述的X轴；Y轴光栅尺固定于所述的机框，并平行于所述的Y轴；X轴光栅读取器固定于所述的Y轴上靠近所述的X轴光栅尺的一端，并可随所述Y轴的移动沿所述的X轴光栅尺运动，且该X轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的X轴光栅尺读取挤出喷头沿X轴的位移数据；Y轴光栅读取器固定于所述的X轴上靠近所述的Y轴光栅尺的一端，并可随所述X轴的移动沿所述的Y轴光栅尺运动，且该Y轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的Y轴光栅尺读取挤出喷头沿Y轴的位移数据。

所述的打印行走机构还可以包括Z轴，所述的Z轴固定于所述的机框并垂直于所述的X轴和Y轴，该打印机还包括打印平台，所述的打印平台连接于所述的Z轴，并可沿所述的Z轴垂直运动；所述的位移检测模块包括：Z轴光栅尺和Z轴光栅读取器。其中，Z轴光栅尺固定于所述的机框，并平行于所述的Z轴；Z轴光栅读取器固定打印平台，并可随所述打印平台的移动沿所述的Z轴光栅尺运动，且该Z轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的Z轴光栅尺读取打印平台沿Z轴的位移数据。

在利用该较优选的实施方式所述的具有断电续打功能的3D打印机实现的3D打印机断电续打控制方法中，所述的存储单元通过所述的位移检测模块获取所述挤出喷头的实际位移，存储切换到断电状态时挤出喷头的实际位置，具体为：利用所述的X轴光栅读取器、Y轴光栅读取器和Z轴光栅读取器配合对应的X轴光栅尺、Y轴光栅尺和Z轴光栅尺读取挤出喷头沿X轴及Y轴的位移数据，以及打印平台沿Z轴的位移数据，并存储。

在实际应用中，本发明的具有断电续打功能的打印机及其断电续打控制方法主要应用于FDM型3D打印机中。本发明可以应用于开环控制或闭环控制的3D打印系统中。二者的区别仅在于模型在断电前后是否存在位置偏差。

在采用开环控制的3D打印机中，由于存在机械配合、皮带回隙等无法消除的误差因素。当系统恢复打印，喷头回到断电之前的同一坐标位置时，其对应的物理位置并不相同，从而导致模型在续打接缝处存在偏差，在一定程度上影响了模型的最终效果，如图5所示。通常，偏差值δ约为0.3mm～0.5mm。

在采用全闭环控制的3D打印机中，由于完全消除了机械配合、皮带回隙等误差因素，系统的每一个坐标位置在断电前后对应的物理位置都完全一致，如图6所示，续打的模型可以实现无缝衔接，从而真正有效地发挥断电续打功能的作用。因此，断电续打技术在全闭环3D打印机中的实施是一种最优方案。

具体以全闭环打印控制为例，在打印过程中，控制系统会实时记录当前的打印状态，当出现系统断电情况时，打印机内部的断电检测装置会被立即触发，并将断电告警信息传输给控制模块。由于从系统断电到打印机电源耗尽有一定的延迟，控制模块能利用这段延迟时间，迅速做好中断处理机制。该中断处理机制包括将打印机喷头快速移动到无模型区域，防止烫坏模型；记录打印文件的断点位置，以便系统恢复时继续打印。当打印机恢复供电时，控制模块自动识别已记录的中断状态，并提示用户进行续打。当用户选择继续打印时，控制模块将自动从模型断点处继续打印。由于采用全闭环控制系统，模型断点的坐标位置为精确的物理坐标，不受皮带回隙、机械间隙等因素影响，当恢复打印时，喷头能够精确地回到断电前的位置，继续打印模型。从而实现断电前后模型打印无缝衔接，避免了任何意外中止造成的模型作废，极大提高了打印的成功率；另一方面，也可人工有选择性的选择断点续打位置，实现分步骤续打、选择时段续打、更换耗材续打、中途停机维护续打等复杂功能。

本发明的具有断电续打功能的打印机及其控制方法具有以下主要特点：

1、断电检测

本发明的断电检测电路结构如图1所示，打印机的输入交流电源通过一个降压变压器降为交流低电压，并通过整流二极管形成单向正电压，再经过两个分压电阻分压得到一个断电检测电平Vt，输入到断电检测电路中。打印机主控制器(控制模块)实时检测断电检测电路的状态，当交流电源正常供电时，断电检测电路输出正常电平；当交流电源突然断电时，检测电平Vt将变为零，断电检测电路将输出异常电平，打印机控制模块将立即进入断电处理状态，进行现场保护。

打印机的工作直流电源外接一个储能装置，正常工作时，储能装置为充电状态，当系统断电时，储能装置为放电状态，以提供给控制系统断电后继续运行、打印头位置移动等现场保护操作所需的电能。该储能装置的作用类似于不间断供电系统(UPS)，可以是蓄电池、大电容或其他任何可以提供电能存储的装置。

2、现场保护(切换到断电状态时)

断电检测电路触发后，控制模块立即进行一系列现场保护操作，在由储能装置供电状态下，完成对打印模型的保护和断点信息的记录。其操作流程如图2所示。

3、恢复打印(切换到供电状态时)

当打印机重新上电时，控制模块读取存储器中的断电保护标志位，若置位，则进入恢复打印流程，提示用户是否继续打印。若在断电期间打印模型位置未经移动过，则可继续打印。控制模块读取打印文件的指针位置和断点坐标，并从断点处继续打印模型，实现无缝衔接。其恢复打印的控制流程图如图3所示。

4、全闭环运动控制系统

采用断电续打技术的3D打印机的重要技术基础是采用了结构如图4所示的全闭环运动控制系统，其坐标参考系为机框上相互垂直的光栅条，通过光栅读头反馈喷头移动的绝对坐标位置，从而避免了开环控制系统由于皮带回隙、机械间隙和重复定位等因素产生的位置误差，确保断电前后所建立的坐标系统完全吻合一致，实现模型断点的无缝衔接。

本发明与市场上现有的其它3D打印机相比其优点在于：

1、不同于一般的3D打印机“暂停打印”功能，“暂停打印”一般只能中断较短时间，且需要保持系统供电；而采用本发明的具有断电续打功能的3D打印机，中断后系统无需供电，中断时间可以无限长。

2、本断电续打技术，基于全闭环运动控制系统，可以准确记录模型的断点坐标位置，保证恢复打印时模型无缝衔接。

3、本技术所采用的断电检测装置和技术，具有高效、简易的优点，在系统电源耗尽前，所有现场保护信息都自动存储在非易失性存储器中，断电后无需额外的供电系统。

采用了该发明的具有断电续打功能的3D打印机及其断电续打控制方法，该3D打印机包括能够存储电能的电源模块，用以检测外部电源是否正常供电的断电检测模块，以及控制打印机各部件在供电状态与断电状态之间相互切换的控制模块。利用该控制方法，在断电时，打印机能够利用电源模块存储的电能，记录打印机状态，并将各部件设定到断电状态；当恢复供电时，能够控制打印机恢复到断电前的工作状态，继续上次未完成的打印工作，从而避免重新打印，有效节省打印耗材，大幅提高打印成功率。进而本发明能够配合位移检测模块，实现断电续打的闭环控制方法，更进一步提高断电续打的打印精度。且本发明的具有断电续打功能的3D打印机设备结构简单，其断电续打控制方法实现方法简便，使用范围也相当广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (19)

1.一种具有断电续打功能的3D打印机，其包括：

机框；

打印行走机构，连接于所述的机框；

挤出喷头，连接于所述的打印行走机构；

驱动模块，连接并驱动所述的打印行走机构；

其特征在于，还包括：

电源模块，连接于外部电源和所述的打印行走机构之间，用以从所述的外部电源获取电能，向所述的驱动模块供电，并存储电能；

断电检测模块，连接于所述的外部电源，用以检测外部电源是否向电源模块供电，并输出检测结果；以及

控制模块，用于根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定打印机的工作状态为供电状态或断电状态；记录打印数据加工位置；并控制所述的电源模块、打印行走机构和挤出喷头在所述的供电状态与断电状态之间相互切换。

2.根据权利要求1所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，所述的电源模块包括：

直流电源，用以将所述外部电源的交流电变为直流电向所述的驱动模块供电；以及

储能装置，用以在所述的控制模块控制下，在所述的断电状态与供电状态间切换，在所述的供电状态时，从所述的直流电源获取并存储电能；并在所述的断电状态时，向所述的驱动模块、挤出喷头和控制模块供电。

3.根据权利要求2所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，所述的储能装置为蓄电池或电容。

4.根据权利要求1所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，所述的断电检测模块包括：

降压变压器，其原边绕组连接于外部交流电源，其副边绕组输出低压交流电；

整流二极管，连接于所述的降压变压器的副边绕组，将所述的低压交流电整流为单向正电压；

两个分压电阻，顺序串联于所述的整流二极管的阴极，所述两个分压电阻之间的节点输出断电检测电平；

断电检测电路，连接于所述的两个分压电阻之间的节点与控制模块之间，用以根据所述的断电检测电平向所述的控制模块输出断电检测结果。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，所述的控制模块包括：

状态选择单元，用以根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定工作状态为断电状态或供电状态；

存储单元，用以存储打印数据，并在该打印数据上标记打印位置；

状态切换控制单元，用以根据所述的状态选择单元确定的工作状态，控制所述的电源模块、打印行走机构和挤出喷头在所述的断电状态和供电状态间切换。

6.根据权利要求5所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，所述的状态切换控制单元包括：

电源模块切换控制子单元，用以在切换到断电状态时，控制所述的电源模块利用其存储的电能供电，并在切换到供电状态时，控制所述的电源模块利用外部电源供电；

打印行走机构切换控制子单元，用以在切换到断电状态时，通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头移动至断电暂停位置；并在切换到供电状态时，根据存储单元存储的打印数据上所标记的打印位置，通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的打印数据上所标记的打印位置所对应的挤出喷头位置。

挤出喷头切换控制子单元，用以在切换到断电状态时，控制所述的挤出喷头抽回打印耗材并冷却；并在切换到供电状态时，控制所述的挤出喷头加热并预先挤出变质耗材。

7.根据权利要求6所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，所述的挤出喷头的断电暂停位置为远离打印模型的位置。

8.根据权利要求5所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，该3D打印机还包括：

位移检测模块，固定于所述的机框和打印行走机构，用于检测挤出喷头的实际位移；

且所述的控制模块的存储单元通过所述的位移检测模块获取所述挤出喷头的实际位移，存储切换到断电状态时挤出喷头的实际位置；

所述的控制模块的状态切换控制单元包括，用以在切换到供电状态时，根据存储单元存储的切换到断电状态时挤出喷头的实际位置，通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的切换到断电状态时挤出喷头的实际位置。

9.根据权利要求8所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，所述的打印行走机构为具有相互垂直的X轴与Y轴的十字形打印行走机构，所述的挤出喷头固定于所述的X轴与Y轴相交的位置并可在所述的驱动模块的控制下沿所述的X轴和Y轴移动，

所述的位移检测模块用以检测所述的挤出喷头分别沿所述的X轴和Y轴的位移数据，并将所述的位移数据发送至所述的控制模块。

10.根据权利要求9所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，所述的位移检测模块包括：

X轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的X轴；

Y轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的Y轴；

X轴光栅读取器，固定于所述的Y轴上靠近所述的X轴光栅尺的一端，并可随所述Y轴的移动沿所述的X轴光栅尺运动，且该X轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的X轴光栅尺读取挤出喷头沿X轴的位移数据；以及

Y轴光栅读取器，固定于所述的X轴上靠近所述的Y轴光栅尺的一端，并可随所述X轴的移动沿所述的Y轴光栅尺运动，且该Y轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的Y轴光栅尺读取挤出喷头沿Y轴的位移数据。

11.根据权利要求10所述的具有断电续打功能的3D打印机，其特征在于，所述的打印行走机构还包括Z轴，所述的Z轴固定于所述的机框并垂直于所述的X轴和Y轴，该打印机还包括打印平台，所述的打印平台连接于所述的Z轴，并可沿所述的Z轴垂直运动；

所述的位移检测模块包括：

Z轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的Z轴；以及

Z轴光栅读取器，固定打印平台，并可随所述打印平台的移动沿所述的Z轴光栅尺运动，且该Z轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的Z轴光栅尺读取打印平台沿Z轴的位移数据。

12.一种利用权利要求1所述的具有断电续打功能的3D打印机实现的3D打印机断电续打控制方法，其特征在于，所述方法包括断电控制流程和恢复控制流程，

所述的断电控制流程包括以下步骤：

(A1)所述的控制模块根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定打印机的工作状态从所述的供电状态切换为断电状态；

(A2)所述的控制模块记录打印数据加工位置；

(A3)所述的控制模块控制所述的电源模块、打印行走机构和挤出喷头切换至断电状态；

所述的恢复控制流程包括以下步骤：

(B1)所述的控制模块根据所述的断电检测模块输出的检测结果确定打印机的工作状态从所述的断电状态切换为供电状态；

(B2)所述的控制模块控制所述的电源模块和挤出喷头切换至供电状态；

(B3)所述的控制模块控制打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的打印数据加工位置对应的位置；

(B4)所述的控制模块从所述的打印数据加工位置开始继续打印。

13.根据权利要求12所述的3D打印机断电续打控制方法，其特征在于，所述的3D打印机还包括：位移检测模块，固定于所述的机框和打印行走机构，用于检测挤出喷头的实际位移；

所述的步骤(A2)具体为：

(A2’)所述的控制模块根据挤出喷头的实际位移，记录挤出喷头的实际位置和打印数据加工位置；

所述的步骤(B3)具体为：

(B3’)所述的控制模块控制打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的挤出喷头的实际位置。

14.根据权利要求13所述的3D打印机断电续打控制方法，其特征在于，所述的打印行走机构为具有相互垂直的X轴与Y轴的十字形打印行走机构，所述的挤出喷头固定于所述的X轴与Y轴相交的位置并可在所述的驱动模块的控制下沿所述的X轴和Y轴移动；所述的打印行走机构还包括Z轴，所述的Z轴固定于所述的机框并垂直于所述的X轴和Y轴，该打印机还包括打印平台，所述的打印平台连接于所述的Z轴，并可沿所述的Z轴垂直运动；

所述的位移检测模块包括：

X轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的X轴；

X轴光栅读取器，固定于所述的Y轴上靠近所述的X轴光栅尺的一端，并可随所述Y轴的移动沿所述的X轴光栅尺运动，且该X轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的X轴光栅尺读取挤出喷头沿X轴的位移数据；

Y轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的Y轴；

Y轴光栅读取器，固定于所述的X轴上靠近所述的Y轴光栅尺的一端，并可随所述X轴的移动沿所述的Y轴光栅尺运动，且该Y轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的Y轴光栅尺读取挤出喷头沿Y轴的位移数据；

Z轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的Z轴；以及

Z轴光栅读取器，固定打印平台，并可随所述打印平台的移动沿所述的Z轴光栅尺运动，且该Z轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的Z轴光栅尺读取打印平台沿Z轴的位移数据；

所述的存储单元通过所述的位移检测模块获取所述挤出喷头的实际位移，存储切换到断电状态时挤出喷头的实际位置，具体为：

利用所述的X轴光栅读取器、Y轴光栅读取器和Z轴光栅读取器配合对应的X轴光栅尺、Y轴光栅尺和Z轴光栅尺读取挤出喷头沿X轴及Y轴的位移数据，以及打印平台沿Z轴的位移数据，并存储。

15.根据权利要求14所述的3D打印机断电续打控制方法，其特征在于，状态切换控制单元包括电源模块切换控制子单元；所述的电源模块包括直流电源和储能装置，

所述的控制模块控制所述的电源模块切换至断电状态，具体为：

所述的电源模块切换控制子单元控制所述的电源模块通过储能装置向所述的驱动模块、挤出喷头、位移检测模块和控制模块供电；

所述的控制模块控制所述的电源模块切换至供电状态，具体为：

所述的电源模块切换控制子单元控制所述的电源模块通过直流电源向所述的驱动模块、挤出喷头、位移检测模块和控制模块供电，并利用所述的储能装置从所述的直流电源获取并存储电能。

16.根据权利要求15所述的3D打印机断电续打控制方法，其特征在于，状态切换控制单元还包括挤出喷头切换控制子单元，

所述的控制模块控制所述的挤出喷头切换至断电状态，具体为：

所述的挤出喷头切换控制子单元控制所述的挤出喷头抽回打印耗材并冷却；

所述的控制模块控制所述的挤出喷头切换至供电状态，具体为：

所述的挤出喷头切换控制子单元控制所述的挤出喷头加热并预先挤出变质耗材。

17.根据权利要求15或16所述的3D打印机断电续打控制方法，其特征在于，状态切换控制单元还包括打印行走机构切换控制子单元，

所述的控制模块控制所述打印行走机构切换至断电状态，具体为：

所述的打印行走机构切换控制子单元通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头移动至断电暂停位置；

所述的控制模块控制所述打印行走机构切换至供电状态，具体为：

所述的打印行走机构切换控制子单元通过所述的驱动模块控制所述的打印行走机构将挤出喷头恢复至所述的切换到断电状态时挤出喷头的实际位置。

18.根据权利要求12或13所述的3D打印机断电续打控制方法，其特征在于，

所述的断电控制流程包括以下步骤：

(A4)所述的3D打印机存储断电标志信息；

所述的恢复控制流程包括以下步骤：

(B0)所述的3D打印机判断是否存储有所述的断电标志信息，若是，则进入步骤(B1)，若否，则退出本方法。

19.根据权利要求18所述的3D打印机断电续打控制方法，其特征在于，所述的步骤(B0)具体包括以下步骤：

(B0-1)所述的3D打印机判断是否存储有所述的断电标志信息，若是，则进入步骤(B0-1)，若否，则退出本方法；

(B0-1)所述的3D打印机提示用户选择是否继续上次打印，若用户选择继续，则进入步骤(B1)，若用户选择不继续，则退出本方法。