CN105365214B - 光固化快速成型3d打印机的闭环控制系统及方法 - Google Patents

光固化快速成型3d打印机的闭环控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统,包括机架、Z轴升降系统、电机、滑块、托架、工作平台、控制器、电机驱动器、标尺和读数头,所述控制器与电气驱动器相连接,电机驱动器与电机相连接,读数头与电机驱动器或控制器相连接;当读数头与电机驱动器相连接时,电机驱动器根据读数头的反馈读数值来计算读数差值后向电机发送校正脉冲;当读数头与控制器相连接时,控制器根据读数头的反馈读数值来计算读数差值后控制电机驱动器向电机发送校正脉冲。本申请通过读数头将实际位置读数反馈给控制器或电机驱动器,控制器或电机驱动器通过计算实际位置读数与理论位置读数之间的差值后向电机发送校正脉冲,保证Z轴升降系统运动精度和定位精度。

Description

光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种3D打印机,特别是涉及一种光固化快速成型3D打印机的闭环控制 系统及方法。
背景技术
[0002] 增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是一种采用材料逐渐累加的方法制 造实体零件的技术,其相对于传统的材料去除——车削、切削、磨削等加工技术而言,增材 制造技术是一种自下而上的制造方法,其基于离散一堆积原理,由零件三维数据驱动直接 制造零件。近二十年来,AM技术取得了快速发展,AM技术同时又称为快速原型制造技术、3D 打印技术、实体自由制造技术等。AM技术先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文 件,然后将该文件转换为STL格式文件,再用软件从转换后的STL文件中切出已设定厚度的 一系列片层,这些片层按次序累积起来后仍是所设计的零件形状;将上述一系列片层的资 料传递到快速成型机(也就是3D打印机)中,用材料添加法依次将每一层制造出来、并将制 造好的各层依次连接,直至完成整个零件。
[0003] 目前,3D打印的成型技术主要有以下几种:立体光固化快速成型(SLA)、选择性激 光烧结成型(SLS)、熔融沉积制造(FDM)、叠层实体制造(LOM)、三维打印(3DP)和选择性激光 金属熔敷(SLM);其中,光固化(SLA)设备是一个结合了固体激光器、光化学材料、扫描控制、 RP数据处理、电气控制以及机械设计等技术的跨学科集成系统,其成型原理是基于光敏树 脂受紫外光照射凝固的原理,计算机控制激光逐层扫描固化液槽中的光敏树脂。每一层固 化的截面是由零件的三维CAD模型软件分层得到,如此逐层叠加,直至最后得到光敏树脂实 物原型。与基于Π)Μ开源技术的低成本桌面型3D打印设备相比,SLA设备的制造成本和工艺 复杂度高,在工艺控制、成型质量以及市场进入、产业资源配套等方面有较高进入门槛,目 前在全球范围内,能充分完全掌握SLA技术和工艺的公司不超过5家。
[0004] 在制造每一片层的过程中,光固化快速成型是利用液态光敏树脂在紫外激光的照 射下吸收光能,然后发生光聚合反应而成型零件。具体说,如图1所示,基于光固化快速成型 的3D打印机主要包括机架、Z轴升降系统101、树脂槽102、涂层系统和树脂循环系统构成,Z 轴升级系统的下端固定有一 L形的托架103,该托架103上固定有一工作平台104,Z轴升降系 统101带动工作平台104上下移动;所述树脂槽102中放置有树脂,树脂液面的上方设有一用 于发射激光的激光光源105。在初始时,工作平台位于树脂液面上,激光在计算机的控制下 扫描并固化出第一层;Z轴升降系统通过托架带动工作平台向下移动一层,树脂液面保持不 变,涂层系统使得刚刚固化的第一层上涂上一薄层树脂,则激光在计算机的控制下扫描并 固化出第二层,且第二层与第一层粘接在一起,如此循环后依次固化出零件的每一层,直至 制作出整个零件。在实际成型过程中,前几十层一般都是支撑,支撑制作完成后才开始制作 零件。故由此可知:零件的分层厚度(也就是每一片层的厚度)是一个重要的工艺参数,它决 定了成型零件的表面精度和制作时间,因而,分层厚度的确定要综合考虑零件的表面精度 要求和制作时间。除此之外,分层厚度并不是可以任意小,这主要是由于树脂表面张力的影 响,使得薄层树脂的涂层受限制,树脂粘度越大,薄层树脂的涂层就越难,从而限制了分层 厚度的减小。最小分层厚度与树脂的粘度有关,树脂粘度越小,分层厚度可以越小,制造零 件过程中每个片层的层厚一般为O. Olmm〜0.5mm。
[0005] 在3D打印领域中,一般采用开环控制的方式来控制Z轴升降系统的下移距离,Z轴 升降系统由电机、丝杠螺母机构构成,所述电机为步进电机或伺服电机,通过丝杠螺母机构 将电机的转动转换为螺母的上下升降运动,从而带动托架和工作平台一起上下升降运动。 开环控制,即控制器发送脉冲至电机驱动器,根据发送的脉冲数计算出理论的位置行程,根 据发送脉冲的频率计算出理论的运动速度:
Figure CN105365214BD00051
[0008] 上述式中,η为控制器相电机驱动器发送的脉冲数;
[0009] N为电机走一圈所需要的脉冲量;
[0010] λ为丝杠的导程;
[0011] f为发送脉冲的频率。
[0012] 比如:在电机驱动器内设定驱动器接收10000个脉冲,控制电机走一圈,丝杠的导 程为5mm (即螺纹的螺距),则当向电机驱动器发送1000个脉冲时,理论位置行程为Z为 0.5mm,当发送脉冲的频率为IOKHz时,理论运动速度速度为5mm/s。
[0013] 但是,经实际实践后发现,上述开环控制存在以下缺点:
[0014] 1、丝杠螺母机构存在机械加工误差,则影响丝杠的导程精度,如丝杠的某一段导 程是5 · 000mm,另一段则变成4 · 992mm,或者5 · 011mm,或者间隙影响精度,从而影响理论位置 行程的精度,降低工作平台的定位精度;
[0015] 2、控制器向电机驱动器发送脉冲,但电机驱动器未完全执行,比如控制器发送 2000个脉冲到电机驱动器,但电机驱动器最终驱动电机执行了 1999个脉冲,如此也会产生 工作平台下降误差;
[0016] 3、刹车停止的瞬间,可能过冲或移动过量,特别是在发送脉冲的频率较高时,当脉 冲执行完毕后,刹车不能马上停止,比如下滑了 〇.〇〇8mm,这样会产生误差。
[0017] 所以,在开环控制的方式下,Z轴升降系统驱动工作平台下降的运动定位精度不 高,从而影响零件的成型精度、尺寸精度和表面质量。
发明内容
[0018] 鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种Z轴升降系统运动定 位精度高的光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统。
[0019] 为实现上述目的,本发明提供一种光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统,包 括机架、设在机架中的Z轴升降系统、电机、滑块、托架和工作平台,所述Z轴升降系统分别连 接电机和滑块、用于将电机的转动转换成滑块的上下直线运动,所述托架的上端与滑块固 定连接,下端与工作平台固定连接,还包括控制器、电机驱动器和直线位移检测装置,所述 直线位移检测装置包括一固定在机架上且上下延伸的标尺和一固定在滑块上的读数头,该 读数头与标尺相对设置、用于读取标尺上的读数,所述控制器与电气驱动器相连接,电机驱 动器与电机相连接,读数头与电机驱动器或控制器相连接;
[0020] 当读数头与电机驱动器相连接时,电机驱动器根据读数头的反馈读数值来计算读 数差值后向电机发送校正脉冲;
[0021] 当读数头与控制器相连接时,控制器根据读数头的反馈读数值来计算读数差值后 控制电机驱动器向电机发送校正脉冲。
[0022] 优选地,所述Z轴升降系统为一滚珠丝杠机构,包括相互配合的丝杠和螺母,所述 丝杠上端通过联轴器与电机相连接,所述螺母与滑块固定连接。
[0023] 进一步地,所述机架上设有一上下延伸的轨道,该轨道的左右两侧均设有一上下 延伸的滑槽,所述滑块的左右两端设有与滑槽相适配的凸起,所述凸起位于滑槽中,滑块沿 轨道上下移动。
[0024] 优选地,所述机架的底端设有多个地脚和多个脚轮,所述地脚的上端通过一螺杆 与机架螺纹连接,所述螺杆上固定有一转动螺母,所述地脚的底面为平面。
[0025] 进一步地,所述工作平台上开设有多个上下延伸的通孔。
[0026] 优选地,所述电机为一具有抱闸功能的抱闸电机,或者所述Z轴升降系统上设有一 抱闸元件。
[0027] 优选地,所述直线位移检测装置为一光栅尺或一磁栅尺。
[0028] 如上所述,本发明涉及的光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统,具有以下有 益效果:
[0029] 该光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统在电机带动滑块移动后,通过读数头 读取标尺的实际位置读数、并将实际位置读数作为读数头的反馈读数值反馈给控制器或电 机驱动器,控制器或电机驱动器通过计算实际位置读数与理论位置读数之间的差值后向电 机发送校正脉冲,以使电机带动滑块移动至其理论位置,从而保证Z轴升降系统运动精度和 定位精度,最终提高零件的成型精度、尺寸精度和表面质量。
[0030] 本发明的另一目的在于提供一种光固化快速成型3D打印机的闭环控制方法。
[0031] 为实现上述目的,本发明提供一种光固化快速成型3D打印机的闭环控制方法,包 括如上所述的光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统,所述光固化快速成型3D打印机的 闭环控制方法包括如下步骤:
[0032] 1)、设定3D打印机的Z轴运动的位移为ΛΧ,标尺的分辨率为δ,通过所述读数头读 取标尺此时的初始位置读数η0,并将该初始位置读数η0传输给电机驱动器或控制器;
[0033] 2)、控制器控制电机驱动器向电机发送pi个理论脉冲,所述pi个理论脉冲为ΛΧ所 对应的脉冲数,P1个理论脉冲对应的标尺读数理论增量为q 1,且q 1 = ΛΧ/δ;
[0034] 电机驱动器向电机发送pi个理论脉冲后,电机转动、并通过Z轴升降系统带动滑块 直线运动;
[0035] 3)、电机停止转动后,标尺的理论位置读数nl =n0+ql;
[0036] 所述读数头读取标尺此时的实际位置读数n2,并将该实际位置读数n2反馈给电机 驱动器或控制器;
[0037] 4)、所述电机驱动器计算理论位置读数nl与实际位置读数n2之间的读数差值n3 = nl-n2,则电机驱动器再向电机发送p2个校正脉冲,所述p2个校正脉冲为读数差值n3所对应 的脉冲数;
[0038] 或者,所述控制器计算理论位置读数nl与实际位置读数n2之间的读数差值n3 = nl-n2,则控制器控制电机驱动器再向电机发送p2个校正脉冲,所述p2个校正脉冲为读数差 值n3所对应的脉冲数。
[0039] 进一步地,所述机架上设有上限位开关和下限位开关,所述滑块上设有一用于感 应上限位开关和下限位开关的检测头,该检测头与控制器相连接,当滑块带动检测头移动 至上限位开关处或下限位开关处时,所述控制器通过电机驱动器控制电机停止转动。
[0040] 进一步地,所述机架上还设有一位于上限位开关和下限位开关之间的零位开关, 在进行所述步骤1)之前,先进行如下操作:
[0041] 通过检测头感应零位开关所在的位置,并使滑块停在该位置处,以进行机械回零, 且将该位置处所对应的标尺读数设定为标尺零位。
[0042] 优选地,所述上限位开关、下限位开关以及零位开关均为一微型光电传感器。
[0043] 优选地,所述标尺的分辨率为δ为2μπι。
[0044] 如上所述,本发明涉及的光固化快速成型3D打印机的闭环控制方法,具有以下有 益效果:
[0045] 该光固化快速成型3D打印机的闭环控制方法在电机带动滑块移动设定的位移后, 通过读数头读取标尺的实际位置读数、并将实际位置读数作为读数头的反馈读数值反馈给 控制器或电机驱动器,控制器或电机驱动器通过计算实际位置读数与理论位置读数之间的 差值后向电机发送校正脉冲,以使电机带动滑块移动至其理论位置,从而保证Z轴升降系统 运动精度和定位精度,且将Z轴升降系统的运动精度和定位精度控制在标尺的分辨率内,最 终提高零件的成型精度、尺寸精度和表面质量。
附图说明
[0046] 图1为现有技术中光固化快速成型的原理图。
[0047] 图2为本发明中光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统的结构示意图。
[0048] 图3为本发明的电气原理图。
[0049] 图4、图5为本发明中光固化快速成型3D打印机的闭环控制方法的原理图。
[0050] 图6为图2中滑块与轨道的结构示意图。
[0051] 图7为图2的A圈放大图。
[0052] 元件标号说明
[0053] 1 机架
[0054] 2 电机
[0055] 3 滑块
[0056] 31 凸起
[0057] 4 托架
[0058] 41 竖直部
[0059] 42 水平部
[0060] 5 工作平台
[0061] 51 通孔
[0062] 6 直线位移检测装置
[0063] 61 标尺
[0064] 62 读数头
[0065] 7 丝杜
[0066] 8 轨道
[0067] 81 滑槽
[0068] 9 地脚
[0069] 1〇 脚轮
[0070] 11 螺杆
[0071] 12 转动螺母
[0072] 13 上限位开关
[0073] 14 下限位开关
[0074] 15 保持板
[0075] 16 零位开关
[0076] 17 滚珠部
[0077] 18 润滑单元
[0078] 19 润滑脂用螺纹接头
[0079] 20 密封垫片
具体实施方式
[0080] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明 书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0081] 须知,本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭 示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故 不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明 所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范 围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为 便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质 变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
[0082] 如图2和图3所示,本发明提供一种光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统,包 括机架1、设在机架1中的Z轴升降系统、电机2、滑块3、托架4和工作平台5,所述Z轴升降系统 分别连接电机2和滑块3、用于将电机2的转动转换成滑块3的上下直线运动,所述托架4的上 端与滑块3固定连接,下端与工作平台5固定连接,还包括控制器、电机驱动器和直线位移检 测装置6,所述直线位移检测装置6包括一固定在机架1上且上下延伸的标尺61和一固定在 滑块3上的读数头62,该读数头62与标尺61相对设置、用于读取标尺61上的读数,所述控制 器与电气驱动器相连接,电机驱动器与电机2相连接,读数头62与电机驱动器或控制器相连 接,用于反馈读数头62所读取的标尺61的读数。
[0083] 当读数头62与电机驱动器相连接时,此时为硬件闭环控制,如图4所示,电机驱动 器根据读数头62的反馈读数值来计算读数差值后向电机2发送校正脉冲,该硬件闭环控制 系统易实现,且响应速度快、执行效率高;当读数头62与控制器相连接时,此时为软件闭环 控制,如图5所示,控制器根据读数头62的反馈读数值来计算读数差值后控制电机驱动器向 电机2发送校正脉冲,该软件闭环控制系统通过控制器的控制程序(即软件编程)来控制电 机驱动器,可监控到过程量,其对电机驱动器参数调整合理性的依赖性较少。
[0084] 本发明还提供一种光固化快速成型3D打印机的闭环控制方法,包括如上所述的光 固化快速成型3D打印机的闭环控制系统,所述光固化快速成型3D打印机的闭环控制方法包 括如下步骤:
[0085] 1、设定3D打印机的Z轴运动的位移为ΛΧ,标尺61的分辨率为δ,通过所述读数头62 读取标尺61此时的初始位置读数η0,当为硬件闭环控制时,读数头62将初始位置读数η0传 输给电机驱动器;当为软件闭环控制时,则读数头62将初始位置读数ηΟ传输给控制器;优选 地,所述标尺61的分辨率为δ为2μπι;
[0086] 2、控制器控制电机驱动器向电机2发送pi个理论脉冲,所述pi个理论脉冲为ΛΧ所 对应的脉冲数,Pl个理论脉冲对应的标尺61读数理论增量为ql,且ql = AX/S;
[0087] 电机驱动器向电机2发送pi个理论脉冲后,电机2转动、并通过Z轴升降系统带动滑 块3做向上或向下的直线运动;
[0088] 3、电机2停止转动后,标尺61的理论位置读数nl =nO+ql;
[0089] 所述读数头62读取标尺61此时的实际位置读数n2,当为硬件闭环控制时,读数头 62将实际位置读数n2传输给电机驱动器;当为软件闭环控制时,则读数头62将实际位置读 数n2传输给控制器;
[0090] 4、硬件闭环控制时,由所述电机驱动器计算理论位置读数nl与实际位置读数n2之 间的读数差值n3 = nl-n2,电机驱动器再向电机2发送p2个校正脉冲,所述p2个校正脉冲为 读数差值n3所对应的脉冲数;
[0091] 或者,软件闭环控制时,由所述控制器通过控制程序(即软件编程)计算理论位置 读数nl与实际位置读数n2之间的读数差值n3 = nl-n2,控制器控制电机驱动器再向电机2发 送P2个校正脉冲,所述p2个校正脉冲为读数差值n3所对应的脉冲数。
[0092] 由上述内容可知:本发明涉及的光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统及方法 在电机2带动滑块3移动后,通过读数头62读取标尺61的实际位置读数、并将实际位置读数 作为读数头62的反馈读数值反馈给控制器或电机驱动器,控制器或电机驱动器通过计算实 际位置读数与理论位置读数之间的差值后向电机2发送校正脉冲,以实现硬件闭环控制或 软件闭环控制,从而使电机2带动滑块3移动至其理论位置处,保证Z轴升降系统运动精度和 定位精度,最终提高零件的成型精度、尺寸精度和表面质量。
[0093] 上述闭环控制系统的设备结构中,所述Z轴升降系统为一滚珠丝杠机构,包括相互 配合的丝杠7和螺母,所述丝杠7上端通过联轴器与电机2相连接,所述螺母与滑块3固定连 接。所述托架4为一 L形的托架,包括相互垂直的竖直部41和水平部42,所述水平部42置于竖 直部41的下端,所述工作平台5固定在水平部42上。电机2通过联轴器带动丝杠7—起转动, 丝杠7在转动的过程中,螺母沿丝杠7上移或下移,螺母与滑块3通过螺丝固定连接,滑块3与 托架4通过螺丝固定连接,托架4又与工作平台5通过螺丝固定连接,故螺母在上移或下移过 程中,所述滑块3、托架4、以及工作平台5—起上移或下移。一般而言,所述工作平台5位于树 脂槽中,树脂槽中放置有树脂,在制造零件的过程中,工作平台5置于树脂液面上,每固化一 层,Z轴升降系统带动工作平台5下移一个距离,该距离为所设定的零件的分层厚度,也就是 每个片层的层厚;在零件全部制造完成后,Z轴升降系统带动工作平台5从树脂槽中向上移 出,以便于取出成型的零件。
[0094] 优选地,所述工作平台5上开设有多个上下延伸的密集分布的通孔51,通过多个通 孔51可降低工作平台5下移过程中的阻力,同时树脂槽中的树脂也能通过多个通孔51渗透 到工作平台5的上方,以保证形成在工作平台5上方的树脂层的平整度和均匀度,以提高成 型零件的表面精度。同时,本实施例中,所述电机2为一具有抱闸功能(相当于刹车功能)的 抱闸电机,或者所述电机2不具备抱闸功能、但Z轴升降系统上设有一抱闸元件,当电机2停 止转动后,可通过电机2的抱闸功能或设在Z轴升降系统上的抱闸元件使电机2和Z轴升降系 统瞬时停止转动、且保持位置锁定,从而可防止因滑块3、托架4和工作平台5的重力作用而 导致滑块3的下滑,避免引起危险,保证工作平台5维持在工作范围内的任意Z轴高度位置 处。当在Z轴升降系统上设置抱闸单元时,可在丝杠7的两头分别安装抱闸,也可在丝杠7的 一头安装抱闸,以使丝杠7具有刹车功能。
[0095] 为了保证滑块3在设定的Z轴高度范围内上下运动,见图2,所述机架1上设有上限 位开关13和下限位开关14,所述滑块3上设有一用于感应上限位开关13和下限位开关14的 检测头,该检测头与控制器相连接,当滑块3带动检测头移动至上限位开关13处或下限位开 关14处时,可产生相应的电信号,且检测头将该电信号传输给控制器,所述控制器根据该电 信号通过电机驱动器控制电机2停止转动,以防止滑块3产生向上或向下的过移动。优选地, 所述控制器为工控机、或可编程控制器PLC、或运动控制卡等,所述电机2为一伺服电机或步 进电机,当电机2为伺服电机时,则电机驱动器为伺服驱动器;当电机2为步进电机时,则电 机驱动器为步进驱动器。
[0096] 进一步地,如图2和图6所示,所述机架1上设有一上下延伸的轨道8,该轨道8的左 右两侧均设有一上下延伸的滑槽81,所述滑块3的左右两端设有与滑槽81相适配的凸起31, 所述凸起31位于滑槽81中,滑块3沿轨道8上下移动,通过凸起31与滑槽81的相互配合,可保 证滑块3上移或下移过程中运动的稳定性,同时还能限制滑块3的左右晃动,保证滑块3上下 移动的线性度。本实施例中,如图6所示,所述滑块3在凸起31处设有滚珠部17,该滚珠部17 包括多个位于滑槽81中、且固定在保持板15上的滚珠,以减小滑块3移动过程中的阻力;另 夕卜,为了保证滚珠部17的润滑效果,在滑块3的下端设有一润滑单元18,该润滑单元18上设 有一润滑脂用螺纹接头19,所述润滑单元18用于为滚珠部17提供润滑脂。所述润滑单元18 的下端、以及滑块3的侧端均设有密封垫片20,以放置润滑脂从润滑单元18、以及滑块3与轨 道8的连接处泄露出,从而保证密封效果。
[0097] 优选地,所述机架1为一由多根槽钢、空心方钢和角钢混合焊接而成的框架式结 构,所述机架1的底端设有四个地脚9和四个脚轮10,如图2和图7所示,所述地脚9的上端通 过一螺杆11与机架1螺纹连接,所述螺杆11上固定有一转动螺母12,所述地脚9的底面为平 面。当需要移动或搬运机架1时,则旋转转动螺母12,转动螺母12带动螺杆11 一起转动,从而 使螺杆11上端伸入机架1中,以使脚轮10着地,进而可方便地移动机器;当机器安装到位后, 则反向旋转转动螺母12,转动螺母12带动螺杆11 一起反向转动,从而使螺杆11上端从机架1 中向下伸出,以使地脚9的底面着地,从而可调整机床,使机器的Z轴垂直于水平面,同时还 能保证机器的放置平稳。
[0098] 进一步地,所述直线位移检测装置6为一光栅尺,此时所述标尺61为光栅尺的标尺 光栅,所述读数头62为光栅尺的光栅读数头;或直,所述线位移检测装置为一磁栅尺,此时 所述标尺61为磁栅尺的磁性尺,所述读数头62为磁栅尺的磁头。
[0099] 进一步地,为了提高该闭环控制系统的回零精度,所述机架1上还设有一位于上限 位开关13和下限位开关14之间的零位开关16,在进行所述步骤1之前,先进行如下操作:通 过检测头感应零位开关16所在的位置,并使滑块3停在该位置处,以进行机械回零,且将该 位置处所对应的标尺61读数设定为标尺61零位,即进行电气零位的设定。优选地,所述上限 位开关13、下限位开关14以及零位开关16均为一微型光电传感器,当然,也可选用其他行程 位置开关。
[0100] 以下例举实施例来具体说明本申请的闭环反馈控制系统和方法、以及闭环反馈控 制提高Z轴升降系统运动精度和定位精度的原理,该实施例中选用光栅尺。
[0101] 伺服驱动器通过方形脉冲控制电机2的转动角度,设置电机2每旋转1圈所需的指 令脉冲数为N,N= 10000;滚珠丝杠机构中丝杠7的导程为λ,λ= IOmm;则一个脉冲数对应的 行程 X=VN= Iym0
[0102] 光栅尺的读数头62从a位置运动到b位置,则光栅尺的最大读数与最小读数 之间的差值
Figure CN105365214BD00111
,对应的光栅尺的行程L= 10mm,则光栅尺的精度
Figure CN105365214BD00112
*,即光栅尺的分辨率δ = 2μπι。
[0103] 光栅尺的分辨率δ与一个脉冲数对应的行程X的比值为η,即光栅尺1个单位读数所 对应的脉冲数为η,η=δ/χ=2;故光栅尺的读数增加1,对应的电机驱动器应向电机2发送2 个脉冲;当光栅尺的读数增加η时,则对应的电机驱动器应向电机2发送的脉冲数E = rm。
[0104] 以光栅尺的分辨率设置Z轴升降系统的位置控制误差〇,理论上Z轴位置光栅尺的 读数为M,则实际上Z轴位置光栅尺的读数范围应为[Μ-σ,Μ+σ],即电机2驱动Z轴升降系统每 走一步,Z轴升降系统的精度Σ应控制在Σ = (σ+1) δ以内。
[0105] 一般而言,当η彡2、且为正整数时,则可实现〇 = 〇,因为对应的位置精度可通过更 为细分的脉冲数发送实现,保证光栅尺读数达到理论位置,故Z轴升降系统的精度Σ = δ = 2 Mi,也就是说,该Z轴升降系统的定位精度非常高。
[0106] 在制作零件时,先进行机械回零和电气回零,之后开始依次固化第一层、第二层、 第三层、第四层…,回零后第一层的精度在10_20μπι内,第二层开始每层的精度在2μπι以内, 但由于制作零件时先要制作厚度为2-10mm的支撑,故前几十层都是在做支撑,所以第一层 的精度不会影响后续制作零件的质量。本申请所涉及的闭环控制系统和闭环控制方法可实 现高精度的Z轴相对位置运动和Z轴绝对位置运动,且精度均在2μπι以内。
[0107] Z轴相对位置运动时,Z轴相对运动的位移ΛΧ = 0 . Imm;光栅尺的读数头62反 馈的初始位置读数n0 = 120;则Z轴相对运动的位移ΛΧ = 0 . Imm所对应的相电机2发送的 理论脉冲数
Figure CN105365214BD00113
,10 0个理论脉冲数对应的光栅尺读数的理论增量
Figure CN105365214BD00114
,故光栅尺的理论位置读数nl =n0+ql = 170。实际执行时,先发送pi = lOOpulse的脉冲数至电机驱动器,电机2转动并停止后,通过读数头62校验并反馈光栅尺的 实际位置读数n2 = 172,则未达到控制精度要求,控制器或电机驱动器计算实际位置读数n2 与理论位置读数η 1之间的差值n3 = n I -n2 = -2,故对应的校正脉冲数p2 = -4pul se,则电机 驱动器再次发送脉冲4pulSe、以控制电机2反向转动,实时检验光栅尺的实际位置读数n2, 直至实际位置读数n2为170,从而完成位置闭环控制。
[0108] Z轴绝对位置运动时,比如需要Z轴的绝对运动的位移为正方向X= 10.1mm,则对应 光栅尺读数
Figure CN105365214BD00121
;首先检测光栅尺初始位置读数n0 = 1000,则第一步电 机2的脉冲数为pi = (q2_ql) η = 8100。实际执行时,先发送pi = 8100pulse的脉冲数至电机 驱动器,电机2转动并停止后,通过读数头62校验并反馈光栅尺的实际位置读数n2 = 5049, 则未达到控制精度要求,控制器或电机驱动器计算实际位置读数n2与理论位置读数nl之间 的差值n3 = nl-n2 = 1,故对应的校正脉冲数p2 = 2pulse,贝Ij电机驱动器再次发送脉冲 2pulSe、以控制电机2正向运动,实时检验光栅尺的实际位置读数n2,直至实际位置读数n2 为5050,从而完成位置闭环控制。
[0109] 综上所述,本发明涉及的光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统及方法具有如 下有益效果:
[0110] 1、提高Z轴升降系统的控制精度,精度可以控制在±2μπι以内;
[0111] 2、合理的控制多次运动的累计误差,使累计误差控制在±2μπι以内,有效提高系统 增量式前进的精度;
[0112] 3、高的响应速度,引入电机驱动器的闭环执行,能够将响应时间减少到I OOms以 内,故基本可以忽略不计;
[0113] 4、本发明提出了多种控制方式,包括电机驱动器全硬件闭环和控制器全软件闭环 两种模式供用户选择;
[0114] 5、微型光电传感器的使用,以及合理的回零方式,减少了系统的回零误差;
[0115] 6、提高系统绝对式前进的精度,减少甚至是消除累计误差;
[0116] 7、本发明能使光固化快速成型的分层厚度控制的更精细,最小可实现0.0 Imm的精 确分层;
[0117] 8、本发明能提高光固化快速成型时Z轴升降系统的运动定位精度,将Z轴的位置精 度控制在较高的水平,从而提高零件的成型精度和表面质量。
[0118] 综上所述,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0119] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因 此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1. 一种光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统,包括机架(I)、设在机架(1)中的Z轴 升降系统、电机(2)、滑块(3)、托架⑷和工作平台(5),所述Z轴升降系统分别连接电机(2) 和滑块(3)、用于将电机(2)的转动转换成滑块(3)的上下直线运动,所述托架⑷的上端与 滑块(3)固定连接,下端与工作平台(5)固定连接,其特征在于:还包括控制器、电机驱动器 和直线位移检测装置(6),所述直线位移检测装置(6)包括一固定在机架⑴上且上下延伸 的标尺(61)和一固定在滑块(3)上的读数头(62),该读数头(62)与标尺(61)相对设置、用于 读取标尺(61)上的读数,所述控制器与电气驱动器相连接,电机驱动器与电机(2)相连接, 读数头(62)与电机驱动器或控制器相连接; 当读数头(62)与电机驱动器相连接时,电机驱动器根据读数头(62)的反馈读数值来计 算读数差值后向电机(2)发送校正脉冲; 当读数头(62)与控制器相连接时,控制器根据读数头(62)的反馈读数值来计算读数差 值后控制电机驱动器向电机(2)发送校正脉冲。
2. 根据权利要求1所述的闭环控制系统,其特征在于:所述Z轴升降系统为一滚珠丝杠 (7)机构,包括相互配合的丝杠⑺和螺母,所述丝杠⑺上端通过联轴器与电机(2)相连接, 所述螺母与滑块⑶固定连接。
3. 根据权利要求1所述的闭环控制系统,其特征在于:所述机架(1)上设有一上下延伸 的轨道(8),该轨道⑻的左右两侧均设有一上下延伸的滑槽(81),所述滑块⑶的左右两端 设有与滑槽(81)相适配的凸起(31),所述凸起(31)位于滑槽(81)中,滑块(3)沿轨道(8)上 下移动。
4. 根据权利要求1所述的闭环控制系统,其特征在于:所述机架(1)的底端设有多个地 脚⑼和多个脚轮(10),所述地脚⑼的上端通过一螺杆(11)与机架⑴螺纹连接,所述螺杆 (11)上固定有一转动螺母(12),所述地脚(9)的底面为平面。
5. 根据权利要求1所述的闭环控制系统,其特征在于:所述工作平台(5)上开设有多个 上下延伸的通孔(51)。
6. 根据权利要求1所述的闭环控制系统,其特征在于:所述电机(2)为一具有抱闸功能 的抱闸电机,或者所述Z轴升降系统上设有一抱闸元件。
7. 根据权利要求1所述的闭环控制系统,其特征在于:所述直线位移检测装置(6)为一 光栅尺或一磁栅尺。
8. —种光固化快速成型3D打印机的闭环控制方法,其特征在于:包括如权利要求1-7任 一项所述的光固化快速成型3D打印机的闭环控制系统,所述光固化快速成型3D打印机的闭 环控制方法包括如下步骤: 1) 、设定3D打印机的Z轴运动的位移为ΛΧ,标尺¢1)的分辨率为δ,通过所述读数头 (62)读取标尺(61)此时的初始位置读数η0,并将该初始位置读数η0传输给电机驱动器或控 制器; 2) 、控制器控制电机驱动器向电机(2)发送pi个理论脉冲,所述pi个理论脉冲为ΛΧ所 对应的脉冲数,Pl个理论脉冲对应的标尺(61)读数理论增量为ql,且ql = ΛΧ/δ; 电机驱动器向电机(2)发送pi个理论脉冲后,电机(2)转动、并通过Z轴升降系统带动滑 块⑶直线运动; 3) 、电机⑵停止转动后,标尺(61)的理论位置读数nl =n0+ql; 所述读数头(62)读取标尺(61)此时的实际位置读数n2,并将该实际位置读数n2反馈给 电机驱动器或控制器; 4)、所述电机驱动器计算理论位置读数nl与实际位置读数n2之间的读数差值n3 = nl-n2,则电机驱动器再向电机(2)发送p2个校正脉冲,所述p2个校正脉冲为读数差值n3所对应 的脉冲数; 或者,所述控制器计算理论位置读数nl与实际位置读数n2之间的读数差值n3 = nl-n2, 则控制器控制电机驱动器再向电机⑵发送P2个校正脉冲,所述p2个校正脉冲为读数差值 n3所对应的脉冲数。
9. 根据权利要求8所述的闭环控制方法,其特征在于:所述机架(1)上设有上限位开关 (13) 和下限位开关(14),所述滑块(3)上设有一用于感应上限位开关(13)和下限位开关 (14) 的检测头,该检测头与控制器相连接,当滑块⑶带动检测头移动至上限位开关(13)处 或下限位开关(14)处时,所述控制器通过电机驱动器控制电机(2)停止转动。
10. 根据权利要求9所述的闭环控制方法,其特征在于:所述机架(1)上还设有一位于上 限位开关(13)和下限位开关(14)之间的零位开关(16),在进行所述步骤1)之前,先进行如 下操作: 通过检测头感应零位开关(16)所在的位置,并使滑块(3)停在该位置处,以进行机械回 零,且将该位置处所对应的标尺(61)读数设定为标尺(61)零位。
11. 根据权利要求10所述的闭环控制方法,其特征在于:所述上限位开关(13)、下限位 开关(14)以及零位开关(16)均为一微型光电传感器。
12. 根据权利要求8所述的闭环控制方法,其特征在于:所述标尺(61)的分辨率为δ为2μ m〇
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