CN105599298B - 一种面向多自由度3d打印机器人的3d打印头机构控制系统及该系统的控制方法 - Google Patents
一种面向多自由度3d打印机器人的3d打印头机构控制系统及该系统的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统及该系统的控制方法，涉及3D打印头控制领域。解决了当前3D打印机控制器与多自由度机器人控制系统的整合难度大和集成度低的问题。本发明控制系统包括多自由度机器人中央控制器和3D打印头控制系统两部分。前者根据作业任务，主要完成多自由度3D打印机器人的笛卡儿空间运动轨迹规划，并同步完成对3D打印头状态监控和送丝机构的运动规划；后者由控制处理模块、电源隔离变换模块、隔离差分信号变换模块、数字信号隔离模块、步进电机驱动模块、加热模块和温度采集模块构成，其根据前者下传的控制指令，完成3D打印头的出丝控制。有效提高3D打印头机构控制系统的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印头控制领域。
背景技术
传统熔融沉积(FDM)工艺3D打印机往往采用箱式或框式结构，灵活性受限，无法制造出大于自身结构尺寸的构件，且无法直接完成受损构件现场修复任务。为解决这些问题，多自由度机器人技术与3D打印技术融合势在必行，一方面可以充分利用多自由度机器人三维立体空间运动的灵活性实现构件的灵活制造，另一方面可以利用柔顺控制算法直接实现受损构件现场无损修复任务。目前，商业的关于FDM工艺的3D打印机控制电气系统都是自成一套独立的开发系统，底层程序开源不够彻底。因此与多自由度机器人控制系统存在整合难度大的问题，即使花费较大代价完成系统整合，也会导致电气集成度低等问题。
发明内容
本发明为了解决当前商业化的关于FDM工艺的3D打印机控制器与多自由度机器人控制系统的整合难度大和集成度低的问题，提出了一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统及该系统的控制方法。
一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统包括多自由度机器人中央控制器和3D打印头机构控制系统，所述多自由度机器人中央控制器与3D打印头机构控制系统之间通过查分总线实现数据信息交互。
所述3D打印头机构控制系统包括：
用于隔离差分信号变换的隔离差分信号变换模块；
用于对多自由度机器人中央控制器发送的信号进行处理的控制处理模块；
用于进行数字信号隔离的数字信号隔离模块；
用于驱动外部电机的步进电机驱动模块；
用于对3D打印头内部加热棒进行加热的加热模块；
用于对3D打印机头内部的温度传感器进行温度采集的温度采集模块。
所述控制处理模块包括：
用于多自由度机器人中央控制器与软处理模块实现数据交互的串行通信控制接口模块；
用于接收多自由度机器人中央控制器发送的数据并进行处理的软处理模块；
用于根据软处理模块发送的控制指令向步进电机驱动模块发送控制信号的步进电机驱动控制接口模块；
用于根据软处理模块发送的加热指令向加热模块发送加热信号的加热控制接口模块；
用于根据软处理模块发送的温度采集指令向温度采集模块发送温度采集信号的温度采集控制接口模块；
用于触发硬件终端的定时器。
所述3D打印头机构控制系统还包括电源隔离变换模块，所述电源隔离变换模块包括第一DC/DC隔离模块、第二DC/DC隔离模块、第一DC/DC变换模块、第二DC/DC变换模块、第三DC/DC变换模块、第一线性稳压器、第二线性稳压器、第一熔断器和第二熔断器，所述第一DC/DC隔离模块的隔离信号输入端、第三DC/DC变换模块的变换信号输入端、第一熔断器的熔断信号输入端和第二熔断器的熔断信号输入端同时连接外部直流电源，第一DC/DC隔离模块的隔离信号输出端同时与第二DC/DC隔离模块的隔离信号输入端、第一线性稳压器的稳压信号输入端、第二线性稳压器的稳压信号输入端、第一DC/DC变换模块的变换信号输入端和第二DC/DC变换模块的变换信号输入端连接，所述第二DC/DC隔离模块的隔离信号输出端与隔离差分信号变换模块的隔离信号输入端连接，第一线性稳压器的稳压信号输出端与温度采集模块的稳压信号输入端连接，第二线性稳压器的稳压信号输出端与控制处理模块的稳压信号输入端连接，第一DC/DC变换模块的变换信号输出端与控制处理模块的第一变换信号输入端连接，第二DC/DC变换模块的变换信号输出端同时与控制处理模块的第二变换信号输入端和数字信号隔离模块的第一变换信号输入端连接，第三DC/DC变换模块的变换信号输出端同时与数字信号隔离模块的第二变换信号输入端连接和步进电机驱动模块的变换信号输入端连接，第一熔断器的熔断信号输出端与步进电机驱动模块的熔断信号输入端连接，第二熔断器的熔断信号输出端与加热模块的熔断信号输入端连接。
基于上述控制系统的控制方法为：
步骤一、由多自由度机器人中央控制器根据作业任务，完成对3D打印头状态监控和送丝机构的运动规划；
步骤二、多自由度机器人中央控制器根据步骤一中完成的运动规划下传控制指令；
步骤三、由3D打印头机构控制系统根据接收到的控制指令完成出丝控制，并回传状态数据。
有益效果：本发明提出一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统及基于该系统的控制方法，采用虚拟关节法，即将3D打印头机构等效成多自由度机器人的末端虚拟关节方式，构建多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，实现资源优化配置，并提高系统集成度。该控制系统包括：多自由度机器人中央控制器和3D打印头控制系统两部分。前者根据作业任务，主要完成多自由度3D打印机器人的笛卡儿空间运动轨迹规划，并同步完成对3D打印头状态监控和送丝机构的运动规划；后者由控制处理模块、电源隔离变换模块、隔离差分信号变换模块、数字信号隔离模块、步进电机驱动模块、加热模块和温度采集模块构成，其根据前者下传的控制指令，完成3D打印头的出丝控制。其中控制处理模块是基于FPGA构建而成，通过灵活修改串行通信控制接口模块，可适应具有不同串行通信协议的多自由度机器人系统。隔离差分信号变换模块和电源隔离变换模块的采用，可有效提高3D打印头机构控制系统的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的原理示意图；
图2为电源隔离变换模块的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统包括多自由度机器人中央控制器1和3D打印头机构控制系统2，所述多自由度机器人中央控制器1与3D打印头机构控制系统2之间通过查分总线实现数据信息交互，
所述3D打印头机构控制系统2包括：
用于隔离差分信号变换的隔离差分信号变换模块3；
用于对多自由度机器人中央控制器1发送的信号进行处理的控制处理模块4；
用于进行数字信号隔离的数字信号隔离模块5；
用于驱动外部电机的步进电机驱动模块6；
用于对3D打印头内部加热棒进行加热的加热模块7；
用于对3D打印机头内部的温度传感器进行温度采集的温度采集模块8。
本实施方式所述的控制系统采用虚拟关节法，即将3D打印头机构等效成多自由度机器人的末端虚拟关节方式，构建多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，实现资源优化配置，并提高系统集成度。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式二所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的区别在于，所述步进电机驱动模块6由两相混合式步进电机集成驱动芯片及其外围电路构成。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的区别在于，所述温度采集模块8由基准电阻与热敏电阻比较分压电路、模拟信号放大电路和AD转换电路构成。
具体实施方式四、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的区别在于，所述控制处理模块4包括：
用于多自由度机器人中央控制器1与软处理模块2实现数据交互的串行通信控制接口模块9；
用于接收多自由度机器人中央控制器1发送的数据并进行处理的软处理模块2；
用于根据软处理模块2发送的控制指令向步进电机驱动模块6发送控制信号的步进电机驱动控制接口模块11；
用于根据软处理模块2发送的加热指令向加热模块7发送加热信号的加热控制接口模块12；
用于根据软处理模块2发送的温度采集指令向温度采集模块8发送温度采集信号的温度采集控制接口模块13；
用于触发硬件终端的定时器22。
具体实施方式五、结合图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式四所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的区别在于，所述3D打印头机构控制系统2还包括电源隔离变换模块，所述电源隔离变换模块包括第一DC/DC隔离模块14、第二DC/DC隔离模块15、第一DC/DC变换模块16、第二DC/DC变换模块17、第三DC/DC变换模块18、第一线性稳压器19、第二线性稳压器20、第一熔断器21和第二熔断器23，所述第一DC/DC隔离模块14的隔离信号输入端、第三DC/DC变换模块18的变换信号输入端、第一熔断器21的熔断信号输入端和第二熔断器23的熔断信号输入端同时连接外部直流电源，第一DC/DC隔离模块14的隔离信号输出端同时与第二DC/DC隔离模块15的隔离信号输入端、第一线性稳压器19的稳压信号输入端、第二线性稳压器20的稳压信号输入端、第一DC/DC变换模块16的变换信号输入端和第二DC/DC变换模块17的变换信号输入端连接，所述第二DC/DC隔离模块15的隔离信号输出端与隔离差分信号变换模块3的隔离信号输入端连接，第一线性稳压器19的稳压信号输出端与温度采集模块8的稳压信号输入端连接，第二线性稳压器20的稳压信号输出端与控制处理模块4的稳压信号输入端连接，第一DC/DC变换模块16的变换信号输出端与控制处理模块4的第一变换信号输入端连接，第二DC/DC变换模块17的变换信号输出端同时与控制处理模块4的第二变换信号输入端和数字信号隔离模块5的第一变换信号输入端连接，第三DC/DC变换模块18的变换信号输出端同时与数字信号隔离模块5的第二变换信号输入端连接和步进电机驱动模块6的变换信号输入端连接，第一熔断器21的熔断信号输出端与步进电机驱动模块6的熔断信号输入端连接，第二熔断器23的熔断信号输出端与加热模块7的熔断信号输入端连接。
本发明采用FPGA构建控制处理模块，除软处理模块由C语言编写外，其他模块均采用硬件描述语言VHDL编写。
具体实施方式六、基于具体实施方式五所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的控制方法，所述方法为：
步骤一、由多自由度机器人中央控制器1根据作业任务，完成对3D打印头状态监控和送丝机构的运动规划；
步骤二、多自由度机器人中央控制器1根据步骤一中完成的运动规划下传控制指令；
步骤三、由3D打印头机构控制系统2根据接收到的控制指令完成出丝控制，并回传状态数据。
具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的基于一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的控制方法的区别在于，所述3D打印头控制系统内部模块工作模式及流程为：
串行通信控制接口模块9工作在从模式，完成控制指令接受任务后，通过终端触发方式与软处理模块10进行交互；
温度采集控制接口模块13的工作流程为：
由软处理模块10启动该控制接口模块，其完成数据采集后触发硬件中断，由中断服务程序停止该控制接口模块；
定时器22以固定周期触发硬件中断，在其终端服务服务程序中未建立通信时长TimerCounter累加1。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的基于一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的控制方法的区别在于，步骤三中由3D打印头机构控制系统根据接收到的控制指令完成出丝控制，并回传状态数据的过程为：
步骤三一、初始化控制处理模块4各个接口模块、启动定时器22；
步骤三二、利用查表法，获取3D打印头内部温度传感器的当前温度值，进而根据预设温度与当前温度插值和当前温度变化率参数，PID调节3D打印头加热模块7控制量；
步骤三三、判断未建立通信时长TimerCounter是否小于阈值，是，则执行步骤三五，否，则执行步骤三四；
步骤三四、将比较阈值赋给TimerCounter，清空步进电机控制参数和加热模块7控制量，并分别写入各自的控制接口模块；
步骤三五、判断是否接到多自由度机器人中央控制器发送的数据，是，则执行步骤三六，否，则执行步骤三二；
步骤三六、预先读取串行通信控制接口模块9中的数据，然后回传当前温度值和加热模块7控制量状态数据；
步骤三七、清空TimerCounter，更新步进电机控制参数和预设温度参数，读取温度采集控制接口模块13中的温度数据，而后重新启动温度采集控制接口模块13；
步骤三八、判断温度差值是否小于阈值，是，则执行步骤三九，否，则执行步骤三十；
步骤三九、将步进电机控制参数和加热模块7控制量分别写入各自的控制接口模块，然后返回执行步骤三二；
步骤三十、清空步进电机控制参数，并将其写入步进电机驱动控制接口模块11，然后返回执行步骤三二。
本发明中，隔离差分信号变化模块由数字隔离芯片Si8652BC和高速差分芯片SN65MLVD204及其外围电路构成；数字信号隔离模块是围绕数字隔离芯片ADUM1410BRWZ构建而成；控制处理模块可采用EP3C25F256I7构建而成；步进电机驱动模块是围绕集成驱动芯片THB6128构建而成，通过调节电位计实现输出相电流和衰减模式可调，通过拨码开关完成细分设定，采用直流9～32V供电，适合驱动电流小于2A的两相混合式步进电机；加热模块主要采用晶体管AP90T03GH-HF-3TR实现加热棒的通断电控制；对于温度采集模块而言：采用参数为R25＝100K，B25/50＝3950K±1％的负温度系数热敏电阻作为温度传感器、阻值为649R的电阻为分压电阻、INA337作为放大器和ADC124S101作为AD转换器的方式，可实现180～240摄氏度区间内的温度有效区分，适用于ABS丝材的打印任务；输入电源电压为28V；第一DC/DC隔离模块由EGM28S5O及其外围电路构成，输出电压为5VD；第二DC/DC隔离模块由NKE0503DC及其外围电路构成，输出电压为3.3VS；第一DC/DC变换模块、第二DC/DC变换模块和第一DC/DC变换模块分别由LTC3406ES5-1.2、LM3671MF-3.3/NOPB和RT8289GSP及其各自的外围电路构成，输出电压分别为1.2VD、3.3VD和5VM；第一线性稳压器和第二线性稳压器分别由TPS73133和NCP511SN25T1G及其各自的外围电路构成，输出电压分别为3.3VA和2.5VA。
Claims (6)
1.一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，其特征在于，它包括多自由度机器人中央控制器（1）和3D打印头机构控制系统（2），所述多自由度机器人中央控制器（1）与3D打印头机构控制系统（2）之间通过差分总线实现数据信息交互，
所述3D打印头机构控制系统（2）包括：
用于隔离差分信号变换的隔离差分信号变换模块（3）；
用于对多自由度机器人中央控制器（1）发送的信号进行处理的控制处理模块（4）；
用于进行数字信号隔离的数字信号隔离模块（5）；
用于驱动外部电机的步进电机驱动模块（6）；
用于对3D打印头内部加热棒进行加热的加热模块（7）；
用于对3D打印头内部的温度传感器进行温度采集的温度采集模块（8）；
所述控制处理模块（4）包括：
用于多自由度机器人中央控制器（1）与软处理模块（10）实现数据交互的串行通信控制接口模块（9）；
用于接收多自由度机器人中央控制器（1）发送的数据并进行处理的软处理模块（10）；
用于根据软处理模块（10）发送的控制指令向步进电机驱动模块（6）发送控制信号的步进电机驱动控制接口模块（11）；
用于根据软处理模块（10）发送的加热指令向加热模块（7）发送加热信号的加热控制接口模块（12）；
用于根据软处理模块（10）发送的温度采集指令向温度采集模块（8）发送温度采集信号的温度采集控制接口模块（13）；
用于触发硬件终端的定时器（22）；
所述3D打印头机构控制系统（2）还包括电源隔离变换模块，所述电源隔离变换模块包括第一DC/DC隔离模块（14）、第二DC/DC隔离模块（15）、第一DC/DC变换模块（16）、第二DC/DC变换模块（17）、第三DC/DC变换模块（18）、第一线性稳压器（19）、第二线性稳压器（20）、第一熔断器（21）和第二熔断器（23），所述第一DC/DC隔离模块（14）的隔离信号输入端、第三DC/DC变换模块（18）的变换信号输入端、第一熔断器（21）的熔断信号输入端和第二熔断器（23）的熔断信号输入端同时连接外部直流电源，第一DC/DC隔离模块（14）的隔离信号输出端同时与第二DC/DC隔离模块（15）的隔离信号输入端、第一线性稳压器（19）的稳压信号输入端、第二线性稳压器（20）的稳压信号输入端、第一DC/DC变换模块（16）的变换信号输入端和第二DC/DC变换模块（17）的变换信号输入端连接，所述第二DC/DC隔离模块（15）的隔离信号输出端与隔离差分信号变换模块（3）的隔离信号输入端连接，第一线性稳压器（19）的稳压信号输出端与温度采集模块（8）的稳压信号输入端连接，第二线性稳压器（20）的稳压信号输出端与控制处理模块（4）的稳压信号输入端连接，第一DC/DC变换模块（16）的变换信号输出端与控制处理模块（4）的第一变换信号输入端连接，第二DC/DC变换模块（17）的变换信号输出端同时与控制处理模块（4）的第二变换信号输入端和数字信号隔离模块（5）的第一变换信号输入端连接，第三DC/DC变换模块（18）的变换信号输出端同时与数字信号隔离模块（5）的第二变换信号输入端连接和步进电机驱动模块（6）的变换信号输入端连接，第一熔断器（21）的熔断信号输出端与步进电机驱动模块（6）的熔断信号输入端连接，第二熔断器（23）的熔断信号输出端与加热模块（7）的熔断信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，其特征在于，所述步进电机驱动模块（6）由两相混合式步进电机集成驱动芯片及其外围电路构成。
3.根据权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，其特征在于，所述温度采集模块（8）由基准电阻与热敏电阻比较分压电路、模拟信号放大电路和AD转换电路构成。
4.基于权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的控制方法，其特征在于，所述方法为：
步骤一、由多自由度机器人中央控制器（1）根据作业任务，完成对3D打印头状态监控和送丝机构的运动规划；
步骤二、多自由度机器人中央控制器（1）根据步骤一中完成的运动规划下传控制指令；
步骤三、由3D打印头机构控制系统（2）根据接收到的控制指令完成出丝控制，并回传状态数据。
5.根据权利要求4所述的基于一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的控制方法，其特征在于，所述3D打印头控制系统内部模块工作模式及流程为：
串行通信控制接口模块（9）工作在从模式，完成控制指令接受任务后，通过终端触发方式与软处理模块（10）进行交互；
温度采集控制接口模块（13）的工作流程为：
由软处理模块（10）启动该控制接口模块，其完成数据采集后触发硬件中断，由中断服务程序停止该控制接口模块；
定时器（22）以固定周期触发硬件中断，在其终端服务程序中未建立通信时长TimerCounter累加1。
6.根据权利要求5所述的基于一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的控制方法，其特征在于，步骤三中由3D打印头机构控制系统（2）根据接收到的控制指令完成出丝控制，并回传状态数据的过程为：
步骤三一、初始化控制处理模块（4）各个接口模块、启动定时器（22）；
步骤三二、利用查表法，获取3D打印头内部温度传感器的当前温度值，进而根据预设温度与当前温度差值和当前温度变化率参数，PID调节3D打印头加热模块（7）控制量；
步骤三三、判断未建立通信时长TimerCounter是否小于阈值，是，则执行步骤三五，否，则执行步骤三四；
步骤三四、将比较阈值赋给TimerCounter，清空步进电机控制参数和加热模块（7）控制量，并分别写入各自的控制接口模块；
步骤三五、判断是否接到多自由度机器人中央控制器发送的数据，是，则执行步骤三六，否，则执行步骤三二；
步骤三六、预先读取串行通信控制接口模块（9）中的数据，然后回传当前温度值和加热模块（7）控制量状态数据；
步骤三七、清空TimerCounter，更新步进电机控制参数和预设温度参数，读取温度采集控制接口模块（13）中的温度数据，而后重新启动温度采集控制接口模块（13）；
步骤三八、判断温度差值是否小于阈值，是，则执行步骤三九，否，则执行步骤三十；
步骤三九、将步进电机控制参数和加热模块（7）控制量分别写入各自的控制接口模块，然后返回执行步骤三二；
步骤三十、清空步进电机控制参数，并将其写入步进电机驱动控制接口模块（11），然后返回执行步骤三二。
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