CN108189402A - 一种3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印系统，包括硬件系统和控制系统，所述硬件系统由电机、传感器、UPS电源、打印喷头、喷头托架、供料板、推料板、铺粉辊、加热器、墨泵、供粉槽、成型槽和打印小车组成，所述控制系统包括硬件电路系统和软件系统。本发明，在结构上采用X，Y，Z三个轴向的直线运动，相对简单容易控制，也比较容易控制精度，稳定性也较好，采用直流无刷电机和步进电机进行控制，无刷电机避免了电刷磨损带来的不便，控制精度高，步进电机是开环控制，具有容易控制，为系统节省了很多环节，又没有误差积累，使系统更稳定，在加工平面采取温度传感器作为反馈，加热器作为执行元件形成闭环，可以更好控制加工平面的环境。

Description

一种3D打印系统

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体为一种3D打印系统。

背景技术

3D打印快速成型技术实质是“快速成型技术”，也被称为“增量技术”、“增材技术”，是传统制造技术与新材料的完美结合，并且将带动工业设计、新材料、精益制造等多个领域颠覆性的改变。3D打印技术作为目前最具有生命力的快速成型技术之一，适用于家用电器、办公室用品、建筑模型、医学模型等领域的新产品开发，已经广泛应用到航空航天等军事领域和大型复杂构件的一次成型制造，在国外，3D打印机已经商品化。作为一种经济型快速成型技术，综合应用了CAD/CAM技术、激光技术,光化学以及材料科学等绪多方面的技术和知识，让产品设计、建筑设计、工业设计、医疗用品设计等领域的设计者，第一时间方便轻松的获得全彩色实物模型，便于重新修定CAD设计模型,从而节省了为错误设计制造工艺装备的费用,并节省了研制时间。它具有成本低、系统可靠性高，设备体积小、噪声小、成型速度快、产品材料与颜色可多样化等优点，与传统技术相比，三维打印技术还拥有如下优势：通过摒弃生产线而降低了成本；大幅减少了材料浪费。具有巨大的应用潜能和广阔的市场前景。当下，我国的3D打印技术还处于起步阶段，3D打印技术基本由大学和一些小企业在做研究，尚未有成品出现，在软件和材料方面相对落后，但是，就在2012年10月17日，中国3D打印技术产业联盟已经成立，这就意味着中国开始越来越重视该技术。因此，开展三维打印快速成型机控制系统的研发，具有重要的现实意义。现有的3D打印系统，复杂难以控制，控制精度不高，稳定性不好，电机的电刷磨损容易磨损，电机是采用闭环控制，为系统增加了很多环节，具有误差积累，使系统不稳定，为此，提出一种3D打印系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印系统，在结构上采用X，Y，Z三个轴向的直线运动，相对简单容易控制，也比较容易控制精度，稳定性也较好，采用直流无刷电机和步进电机进行控制，无刷电机避免了电刷磨损带来的不便，控制精度高，步进电机是开环控制，具有容易控制，为系统节省了很多环节，又没有误差积累，使系统更稳定，在加工平面采取温度传感器作为反馈，加热器作为执行元件形成闭环，可以更好控制加工平面的环境，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种3D打印系统，包括硬件系统和控制系统，所述硬件系统由电机、传感器、UPS电源、打印喷头、喷头托架、供料板、推料板、铺粉辊、加热器、墨泵、供粉槽、成型槽和打印小车组成，所述控制系统包括硬件电路系统和软件系统；

所述硬件电路系统由PCI接口、DSP控制芯片、外围存储器、喷头小车运动板、自举供墨单元和喷头驱动电路组成，

所述PCI接口用于充当上位机与下位机的通信桥梁，

所述DSP控制芯片用于下位机打印数据的管理、传输、电机运动控制、喷头喷射粘结剂与电机运动的协调控制、打印过程信号的检测，

所述外围存储器用于存储准备打印的数据和控制参数，

所述喷头小车运动板用于控制喷头小车在X、Y、Z平面的运动方向和轨迹，

所述自举供墨单元用于自动检测粘结剂的供应量，并随时定量提供所需的粘结剂，

所述喷头驱动电路用于产生喷头喷射使能信号，喷射数据的驱动信号；

所述软件系统由计算机、应用软件、底层控制软件和接口驱动单元组成，

所述计算机采用上位机和下位机两级控制，所述上位机为PC机，所述下位机为嵌入式系统DSP，所述上位机和下位机通过通信协议进行双向通信，构成控制的双层结构，

所述应用软件包括切片模块、数据处模块、工艺规划模块和安全监控模块，

所述底层控制软件用于下位机控制各个电机，以完成铺粉辊的平移和自转、粉缸升降和打印小车系统的X、Y、Z平面运动，

所述接口驱动单元用于上位机与下位机接口驱动。

优选的，所述切片模块为基于STL文件的切片模块。

优选的，所述数据处模块用于切片模块到打印位图数据的转换、打印区域的位图排版、对彩色图像进行分色处理。

优选的，所述工艺规划模块用于控制打印方式和打印方向。

优选的，所述安全模块用于设备和打印过程的故障自诊断、故障自动停机保护。

优选的，所述电机包括X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，且电机均为无刷步进电机。

优选的，所述传感器包括位移传感器、液位传感器、湿度传感器和温度传感器，所述温度传感器用于测定加工平面温度是否达到材料所需温度，且温度传感器安装于加工平面底部，所述湿度传感器用于测定内部加工平面的环境是否合适的测量元件，且湿度传感器安装于加工平面周围的位置，所述液位传感器用于测定料槽与墨盒中是否有料，且液位传感器安装于原料槽和墨盒内部底部，所述位移传感器用于测定X、Y、Z轴的定位，X,Y轴传感器安装于喷头后面，Z轴传感器安装于原料槽推板和工作平面推板底部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明，在结构上采用X，Y，Z三个轴向的直线运动，相对简单容易控制，也比较容易控制精度，稳定性也较好，采用直流无刷电机和步进电机进行控制，无刷电机避免了电刷磨损带来的不便，控制精度高，步进电机是开环控制，具有容易控制，为系统节省了很多环节，又没有误差积累，使系统更稳定，在加工平面采取温度传感器作为反馈，加热器作为执行元件形成闭环，可以更好控制加工平面的环境。

附图说明

图1为本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种3D打印系统，包括硬件系统和控制系统，所述硬件系统由电机、传感器、UPS电源、打印喷头、喷头托架、供料板、推料板、铺粉辊、加热器、墨泵、供粉槽、成型槽和打印小车组成，所述控制系统包括硬件电路系统和软件系统；

所述硬件电路系统由PCI接口、DSP控制芯片、外围存储器、喷头小车运动板、自举供墨单元和喷头驱动电路组成，

所述PCI接口用于充当上位机与下位机的通信桥梁，

所述DSP控制芯片用于下位机打印数据的管理、传输、电机运动控制、喷头喷射粘结剂与电机运动的协调控制、打印过程信号的检测，

所述外围存储器用于存储准备打印的数据和控制参数，

所述喷头小车运动板用于控制喷头小车在X、Y、Z平面的运动方向和轨迹，

所述自举供墨单元用于自动检测粘结剂的供应量，并随时定量提供所需的粘结剂，

所述喷头驱动电路用于产生喷头喷射使能信号，喷射数据的驱动信号；

所述软件系统由计算机、应用软件、底层控制软件和接口驱动单元组成，

所述计算机采用上位机和下位机两级控制，所述上位机为PC机，所述下位机为嵌入式系统DSP，所述上位机和下位机通过通信协议进行双向通信，构成控制的双层结构，为提高数据传输速度和可靠性，上位机和下位机的接口可选用通信速率高，数据传输量大的PCI接口，实现多重复杂控制任务的高效性与协调运动

所述应用软件包括切片模块、数据处模块、工艺规划模块和安全监控模块，

所述底层控制软件用于下位机控制各个电机，以完成铺粉辊的平移和自转、粉缸升降和打印小车系统的X、Y、Z平面运动，

所述接口驱动单元用于上位机与下位机接口驱动。

具体的，所述切片模块为基于STL文件的切片模块。

具体的，所述数据处模块用于切片模块到打印位图数据的转换，打印区域的位图排版，对彩色图像进行分色处理。

具体的，所述工艺规划模块用于控制打印方式和打印方向。

具体的，所述安全模块用于设备和打印过程故障自诊断，故障自动停机保护。

具体的，所述电机包括X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，且电机均为无刷步进电机。

具体的，所述传感器包括位移传感器、液位传感器、湿度传感器和温度传感器，所述温度传感器用于测定加工平面温度是否达到材料所需温度，且温度传感器安装于加工平面底部，所述湿度传感器用于测定内部加工平面的环境是否合适的测量元件，且湿度传感器安装于加工平面周围的位置，所述液位传感器用于测定料槽与墨盒中是否有料，且液位传感器安装于原料槽和墨盒内部底部，所述位移传感器用于测定X、Y、Z轴的定位，X,Y轴传感器安装于喷头后面，Z轴传感器安装于原料槽推板和工作平面推板底部。

工作原理：该3D打印系统，步进无刷电机不需要反馈信号，就可以对系统的位置、速度输出直接控制，而且价格较为便宜，步进电机的最大优点就是可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，由于步进电机无位置误差积累的优点，使它在控制各轴运动定位时能够避免产生较大的误差，从而可以精确地到达目标位置，精度相比其他种类电机更加高，开环便于控制，而且，在此选择使用细分功放并使用高输入信号频率可有效降低共振现象，在工作时首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散，然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态，这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可得到模型。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种3D打印系统，包括硬件系统和控制系统，其特征在于，所述硬件系统由电机、传感器、UPS电源、打印喷头、喷头托架、供料板、推料板、铺粉辊、加热器、墨泵、供粉槽、成型槽和打印小车组成，所述控制系统包括硬件电路系统和软件系统；

所述硬件电路系统由PCI接口、DSP控制芯片、外围存储器、喷头小车运动板、自举供墨单元和喷头驱动电路组成，

所述PCI接口用于充当上位机与下位机的通信桥梁，

所述DSP控制芯片用于下位机打印数据的管理、传输、电机运动控制、喷头喷射粘结剂与电机运动的协调控制、打印过程信号的检测，

所述外围存储器用于存储准备打印的数据和控制参数，

所述喷头小车运动板用于控制喷头小车在X、Y、Z平面的运动方向和轨迹，

所述自举供墨单元用于自动检测粘结剂的供应量，并随时定量提供所需的粘结剂，

所述喷头驱动电路用于产生喷头喷射使能信号，喷射数据的驱动信号；

所述软件系统由计算机、应用软件、底层控制软件和接口驱动单元组成，

所述计算机采用上位机和下位机两级控制，所述上位机为PC机，所述下位机为嵌入式系统DSP，所述上位机和下位机通过通信协议进行双向通信，构成控制的双层结构，

所述应用软件包括切片模块、数据处模块、工艺规划模块和安全监控模块，

所述底层控制软件用于下位机控制各个电机，以完成铺粉辊的平移和自转、粉缸升降和打印小车系统的X、Y、Z平面运动，

所述接口驱动单元用于上位机与下位机接口驱动。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印系统，其特征在于，所述切片模块为基于STL文件的切片模块。

3.根据权利要求1所述的一种3D打印系统，其特征在于，所述数据处模块用于切片模块到打印位图数据的转换、打印区域的位图排版、对彩色图像进行分色处理。

4.根据权利要求1所述的一种3D打印系统，其特征在于，所述工艺规划模块用于控制打印方式和打印方向。

5.根据权利要求1所述的一种3D打印系统，其特征在于，所述安全模块用于设备和打印过程的故障自诊断、故障自动停机保护。

6.根据权利要求1所述的一种3D打印系统，其特征在于，所述电机包括X轴电机、Y轴电机和Z轴电机，且电机均为无刷步进电机。

7.根据权利要求1所述的一种3D打印系统，其特征在于，所述传感器包括位移传感器、液位传感器、湿度传感器和温度传感器，所述温度传感器用于测定加工平面温度是否达到材料所需温度，且温度传感器安装于加工平面底部，所述湿度传感器用于测定内部加工平面的环境是否合适的测量元件，且湿度传感器安装于加工平面周围的位置，所述液位传感器用于测定料槽与墨盒中是否有料，且液位传感器安装于原料槽和墨盒内部底部，所述位移传感器用于测定X、Y、Z轴的定位，X,Y轴传感器安装于喷头后面，Z轴传感器安装于原料槽推板和工作平面推板底部。