CN108638516A - 一种基于Qt的3D打印控制系统及其通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Qt的3D打印控制系统及其通讯方法。该系统包括控制器、现场打印设备和上位机，现场打印设备包括各运动轴即伺服电机；方法为：控制器发送控制信号到伺服电机，使各轴按规划好的路径运动；上位机与控制器进行通讯，任务包括监测各运动轴的运动信息、控制与调整打印过程中的参数；控制器与上位机的通讯是基于以太网的通讯方式，控制器IP地址预先设置好，用Qt的open指令指定通讯方式和打开的端口号，判断通讯是否成功；由上位机软件向下位机控制器发送查询请求，控制器根据通讯协议按照一定格式返回相应的数据。本发明数据处理能力好、片上资源丰富，能更多地检测与控制下位机的运动变量，具有可靠性高、稳定性好的优点。

Description

一种基于Qt的3D打印控制系统及其通讯方法

技术领域

本发明属于3D打印与通讯技术领域，特别是一种基于Qt的3D打印控制系统及其通讯方法。

背景技术

3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术也说成增材制造技术，是相对于传统的机加工等“减材制造”技术而言的，是基于离散/堆积原理，通过材料的逐渐累积来实现制造的技术。它利用计算机将成形零件的3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，3D打印设备自下而上地制造出每一层“薄片”最后叠加成形出三维的实体零件。这种制造技术无需传统的刀具或模具，可以实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造并且可以有效简化生产工序，缩短制造周期。

Qt是一个跨平台的C++应用程序框架，支持Windows、Linux、Mac OS X、Android、iOS、Windows Phone、嵌入式系统等。也就是说，Qt可以同时支持桌面应用程序开发、嵌入式开发和移动开发，覆盖了现有的所有主流平台。你只需要编写一次代码，发布到不同平台前重新编译即可。Qt相较于其他应用程序框架优势明显，良好的跨平台性使得其移植更为方便，应用范围更加宽泛。同时，Qt是面向对象的应用程序框架，良好的封装机制使得其模块化程度非常高，可重用性好。另外Qt环境下的通讯方式多种多样，比较常见的有基于串口的串口通讯，基于网络的TCP/IP和UDP通讯。从可靠性来看，稳定性更好的是基于网络的TCP/IP通讯方式，与另外两种相比，它是一种应答机制，客户端和服务器之间传输数据时互相沟通，保证传输的准确度和成功率。

目前，市面上一些通用的3D打印设备通讯简陋，大多数情况下都是靠一块lcd屏来控制整个下位机的运行，这样的方式存在的弊端很多，最突出的是由于设备的资源有限，很难监测系统的所有控制量，这样在打印过程中某些变量发生变化时不能及时发现，未作调整的话会导致打印出错，影响成型件的质量。对比于传统的开源ArduinoMega25603D打印控制板，其也有自己的上位机控制软件，能做到一些控制量的监测，但是受限于下位机处理器与片上资源，只能采用串口通讯的方式，而且数据交互能力有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数据处理能力好、片上资源丰富的基于Qt的3D打印控制系统及其通讯方法，能更多地检测与控制下位机的运动变量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Qt的3D打印控制系统，包括：

现场打印设备，包括各运动轴即伺服电机；

控制器，发送控制信号到伺服电机，使各运动轴按规划好的路径运动；

上位机，负责与控制器进行通讯；上位机的任务包括监测各运动轴的运动信息、控制与调整打印过程中的参数；

所述控制器与上位机采用基于以太网的通讯方式，二者之间用网线连接；控制器IP地址预先设置好，用Qt的open指令指定通讯方式和打开的端口号，判断通讯是否成功；由上位机向控制器发送查询请求，控制器根据通讯协议按照规定格式返回相应的数据。

进一步地，所述控制器包括RS232、RS485和以太网三种通讯接口。

一种基于Qt的3D打印控制系统的通讯方法，包括以下步骤：

步骤1、建立上位机与控制器之间的通讯连接，连接建立方式采用以太网通讯的方式，即通过网线连接上位机和控制器；

步骤2、3D打印基于模型切片文件，打印开始前，使用TextFileLoader文件传输协议将上位机中保存好的模型切片文件发送到控制器内部存储区；

步骤3、打印开始前做如下准备工作：轴参数的初始化、全部运动轴的回零、标志当前位置为绝对零点、设置单个轴的运动控制方式；准备工作完成后，控制器解析切片文件，根据位置信息控制各轴的运动；

步骤4、打印过程中实时监测所有运动轴的运动参数，并且通过上位机设置相应数字量或模拟量的状态位，调整下位机外围设备的工作状态。

进一步地，步骤1中所述建立上位机与控制器之间的通讯连接，其中上位机软件的开发平台采用Qt框架，Trio408提供Qt框架下的控制器控件。

进一步地，步骤1所述连接建立方式采用以太网通讯的方式，即通过网线连接上位机和控制器，具体如下：

连接时设置控制器的IP地址，默认为192.168.0.250，打开指定端口，以太网方式固定为3240，设置一个标志位来检测通讯成功与否，由打开端口操作返回通讯状态。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)基于TRIO运动控制器系列的EURO408控制器，该控制器具有优良的运动控制性能，丰富的I/O接口使得其方便设备扩展，控制核心采用ARM架构，ARM核心的芯片具有高性能低功耗的特点，片上资源丰富，这些优点使得其与上位机间的连接更加的方便高效；(2)打印控制器基于ARM架构，数据处理能力好，在与上位机通讯方面优势明显，另外其片上资源丰富，能更多的检测与控制下位机的运动变量；(3)基于以太网的通讯方式比串口通讯在远距离传输可靠性更高，稳定性更好，比较适合在一些特殊材料打印过程监测中应用；(4)利用Qt实现上位机与下位机之间的通讯，控制器实时反馈打印现场的运动信息和过程参数，上位机下发控制指令到控制器，控制打印设备实时获得下位机的运动信息，并能调整打印过程中的重要参数。

附图说明

图1是本发明基于Qt的3D打印控制系统结构示意图。

图2是本发明基于Qt的3D打印控制系统中上位机结构功能图。

图3是本发明基于Qt的3D打印控制系统中上位机界面概览图。

图4是本发明中上位机与下位机文件传输示意图。

图5是本发明中单轴控制与回零示意图。

图6是本发明中轴参数与I/O状态监测示意图。

具体实施方式

结合图1～6，本发明基于Qt的3D打印控制系统，包括：

现场打印设备，包括各运动轴即伺服电机；

控制器，发送控制信号到伺服电机，使各运动轴按规划好的路径运动；

上位机，负责与控制器进行通讯；上位机的任务包括监测各运动轴的运动信息、控制与调整打印过程中的参数；

所述控制器与上位机采用基于以太网的通讯方式，二者之间用网线连接；控制器IP地址预先设置好，用Qt的open指令指定通讯方式和打开的端口号，判断通讯是否成功；由上位机向控制器发送查询请求，控制器根据通讯协议按照规定格式返回相应的数据。

进一步地，所述控制器包括RS232、RS485和以太网三种通讯接口。

本发明基于Qt的3D打印控制系统的通讯方法，包括以下步骤：

步骤1、建立上位机与控制器之间的通讯连接，连接建立方式采用以太网通讯的方式，即通过网线连接上位机和控制器；

步骤2、3D打印基于模型切片文件，打印开始前，使用TextFileLoader文件传输协议将上位机中保存好的模型切片文件发送到控制器内部存储区；

步骤3、打印开始前做如下准备工作：轴参数的初始化、全部运动轴的回零、标志当前位置为绝对零点、设置单个轴的运动控制方式；准备工作完成后，控制器解析切片文件，根据位置信息控制各轴的运动；

步骤4、打印过程中实时监测所有运动轴的运动参数，并且通过上位机设置相应数字量或模拟量的状态位，调整下位机外围设备的工作状态。

进一步地，步骤1中所述建立上位机与控制器之间的通讯连接，其中上位机软件的开发平台采用Qt框架，Trio408提供Qt框架下的控制器控件。

进一步地，步骤1所述连接建立方式采用以太网通讯的方式，即通过网线连接上位机和控制器，具体如下：

连接时设置控制器的IP地址，默认为192.168.0.250，打开指定端口，以太网方式固定为3240，设置一个标志位来检测通讯成功与否，由打开端口操作返回通讯状态。

本发明的通讯内容主要包括以下几个部分：

1、上位机与控制器之间建立通讯连接。所有的通讯操作都建立在二者连通的基础上，该控制器提供了三个通讯接口，RS232,RS485和以太网三种接口，以太网与另外两种接口之间优势与区别明显，主要优势包括传输速率快，实时性好，传输距离更远，抗干扰性和稳定性更可靠。结合控制器特点和对比以上三种通讯方式，我们采用基于以太网的通讯方式。

2、上位机与下位机间的文件传输。3D打印的所有运动都是基于切片文件的，通俗的说，切片文件内包含了成型件的所有模型信息，各运动轴负责实现这些运动从而完成零件的成型。下位机内已经设计好运动程序，但必须依赖于切片文件，在打印开始前需要上位机先将切片文件发送到控制器内存，才能开始打印工作。

3、程序运行控制。该部分主要是针对打印程序设计的，根据切片文件解析出来的速度和位置信息来控制轴的运动，对比其他的开源3D打印控制方案，都是要能做到打印过程的控制，包括程序的启动、暂停和停止，这些功能都是必要的，方便用户在打印过程中做一些调整以及应对一些紧急情况的发生。

4、单轴控制与回零。轴的运动是连点成线，连线成面，由面构体，所有的运动都有一个起始参考点，称为绝对零点。在打印开始前，先由上位机发出回零指令，控制器控制轴运动到相应位置，并标记为零点。同时为了方便用户对轴位置的调整，设计了单轴控制的功能，可以控制下位机单个轴按要求运动。

5、轴参数与I/O状态的监测和控制。这是通讯的一个重要部分，用户需要了解打印现场的工作状况，包括各运动轴的速度、位置信息，喷头的温度，风扇的开关状态等。控制器提供了16路数字量输出，8路数字量输入，和两路模拟量输入，I/O点数量完全满足现场设备需求。

实施例1

本实施例中软件设计是建立在硬件设备的基础上，主要运动轴有四个部分，包括X、Y、Z和挤出丝电机，控制器用差分脉冲方向控制方式连接四部分的伺服或步进电机驱动器，用网线从控制器连接到上位机，打开软件界面，点击连接按钮，连接驱动器。

第一部分：上位机与控制器建立通讯连接。TRIO公司提供的Trio PC Motion控件包，可以用Qt方法导出TRIO com组件，会生成两个文件，分别是TRIO控件头文件和源文件，并在工程文件夹内添加这两个文件。Qt是面向对象的应用程序设计框架，编程语言基本以C++为主，要在界面文件内定义一个控制器对象，令其名为pc，然后做一些初始化操作：

控制器与上位机通讯采用Ethernet/IP的方式，先判断通讯是否已经完成，提高容错率，根据通讯协议，说明控制器的IP地址，用open指令打开指定端口号3240，通讯成功后开启一个定时器，方便后续的通讯操作。

第二部分：上位机与控制器间的文件传输。TRIO运动控制器有自己的文件传输协议，使用时需要指定一些重要的参数。先介绍一下控制器内部的文件存储方法，共有三个存储区，临时存储区RAM，此处文件可以反复读取多次，掉电不丢失；先入先出存储区FIFO,文件传入后只能读取一次，读取完及掉电丢失；SDCARD存储区，是一块独立的存储区，并且可以移动，文件可以反复读取，掉电不丢失。

主要解释一下TextFileLoader文件传输协议格式：

TextFileLoader(电脑中文件的位置，控制器中文件存储的位置，控制器中保存的文件名，控制器型号适用协议号，状态判断，压缩等级，传输超时放弃使能，传输超时判定时间，传输方向)。

TextFileLoader文件传输协议是双向的，既可以将文件从控制器传到电脑，也可以将文件从电脑传到控制器，只要设定好传输方向参数即可，然后对应写好文件的源位置和存储位置，因为TRIO控制器是一个系列的，型号多样，对不同的型号，传输协议略有区别，需要注意一下，另外如果传输时间过长，我们可以判定传输失败，输出提示信息。

本发明使用的传输协议是将电脑里面相应位置的文件发送到控制器内部的存储区，在控制器内部的文件名为“W”，采用2号传输方式，设定好两个状态标志位为true，并设置传输超时时间为60s。

第三部分：程序运行控制。控制器解析切片文件，控制各轴的运动，通过读模型切片文件的方式，解析出文件中的速度和位置参数，将读取到的速度和位置信息作为控制量来控制运动轴按照相应速度运动到相应位置。同时，为了应对一些特殊情况的发生，用户要能控制下位机程序的运行，比如打印过程中打印件脱离底板，需要暂停打印，进行手动调整，调整完了之后程序还能继续运行。依据控制器通讯协议，使用Run指令启动程序，stop指令停止程序，例如下位机打印程序名为“print”，用pc->Run(“print”)可以启动程序，pc->stop(“print”)便能停止程序。这种停止是紧急停止，操作完之后程序进程清空，不能继续打印，为了使程序延续性更好，这样设计了暂停功能，设定一个标志位，这里是以一个VR变量的0/1状态作为标志，在一条运动程序执行完之后，检测一下该标志位的状态，如果为1，则进入暂停状态，如果为0，则不用暂停，继续打印操作。

第四部分：单轴控制与回零。轴控制功能是运动控制器最基本的功能，在用户自己做一些简单测试的时候，不需要调用多复杂的打印控制程序，可能只是某个轴的单独动作，这部分功能的设计非常有必要。在底层写好不同轴的单独动作程序，包括正向和反向运动，调试好合适的速度，上位机用Run指令调用，就能做到单轴控制。另外，对于打印程序，需要做些准备工作，包括设置对应轴的运动基本单位、运动初始加速度、减速度和速度，每个运动轴都要回到相应零位，以0轴回零为例：

以限位开关的状态为标志，只要开关状态不发生改变，继续回零动作，运动完成之后回退3个单位，保持限位开关的常开状态。

第五部分：轴参数与I/O状态的监测和控制。打印过程中涉及到多个轴的运动，运动过程需要监控的量包括轴的速度、加速度和位置等信息，另外，对于其他一些外围设备，通过控制器上的数字量和模拟量通道去控制，包括打印机上的加热模块的加热头、散热风扇控制等，并且实时监控它们的工作状态。

获取轴的各参数信息，用GetAxisVariable(VariableName,Axis,Value)指令。

double AxisPos＝0；

pc->GetAxisVariable(tr("MPOS"),AxisNum::Axis_X,AxisPos)；

ui->Edit_xp->setText(QString::number(AxisPos,'f',3))；

上面的几条指令就是获取X轴的当前位置，将当前的位置参数存放到double型变量里面，显示到界面上。

数字量通道状态的获取与模拟量状态的获取方法类似，分别用指令In(StartChannel,StopChannel,Value)，Ain(Channel,Value)获取通道的参数，若要控制I/O端口的输出状态，用指令Op(Output,[State])。

Claims (5)

1.一种基于Qt的3D打印控制系统，其特征在于，包括：

现场打印设备，包括各运动轴即伺服电机；

控制器，发送控制信号到伺服电机，使各运动轴按规划好的路径运动；

上位机，负责与控制器进行通讯；上位机的任务包括监测各运动轴的运动信息、控制与调整打印过程中的参数；

所述控制器与上位机采用基于以太网的通讯方式，二者之间用网线连接；控制器IP地址预先设置好，用Qt的open指令指定通讯方式和打开的端口号，判断通讯是否成功；由上位机向控制器发送查询请求，控制器根据通讯协议按照规定格式返回相应的数据。

2.根据权利要求1所述的基于Qt的3D打印控制系统，其特征在于，所述控制器包括RS232、RS485和以太网三种通讯接口。

3.一种基于Qt的3D打印控制系统的通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立上位机与控制器之间的通讯连接，连接建立方式采用以太网通讯的方式，即通过网线连接上位机和控制器；

步骤2、3D打印基于模型切片文件，打印开始前，使用TextFileLoader文件传输协议将上位机中保存好的模型切片文件发送到控制器内部存储区；

步骤3、打印开始前做如下准备工作：轴参数的初始化、全部运动轴的回零、标志当前位置为绝对零点、设置单个轴的运动控制方式；准备工作完成后，控制器解析切片文件，根据位置信息控制各轴的运动；

步骤4、打印过程中实时监测所有运动轴的运动参数，并且通过上位机设置相应数字量或模拟量的状态位，调整下位机外围设备的工作状态。

4.根据权利要求3所描述的基于Qt的3D打印控制系统的通讯方法，其特征在于，步骤1中所述建立上位机与控制器之间的通讯连接，其中上位机软件的开发平台采用Qt框架，Trio408提供Qt框架下的控制器控件。

5.根据权利要求3所描述的基于Qt的3D打印控制系统的通讯方法，其特征在于，步骤1所述连接建立方式采用以太网通讯的方式，即通过网线连接上位机和控制器，具体如下：

连接时设置控制器的IP地址，默认为192.168.0.250，打开指定端口，以太网方式固定为3240，设置一个标志位来检测通讯成功与否，由打开端口操作返回通讯状态。