CN109795104A - 一种工业级3d打印机控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业级3D打印机控制系统及控制方法，系统采用Cortex‑M3内核主控板，包括丝材管理模块、堵丝检测模块、人机交互模块以及通信模块、喷头移动控制模块、送丝控制模块、编码器检测模块、存储器模块、温度控制模块、烘箱控制模块、照明灯、工控机控制模块、指示灯控制模块、限位检测模块，喷头加热控制模块；挤丝轮上安装有丝材检测编码器，用于检测丝材用量和丝材运动位置；固件参数修改模块，通过人机交互模块对固件配置参数进行修改输入，用户修改的固件配置参数信息存储在主控板连接的EEPROM中。解决了丝材管理、堵丝检测、固件参数修改、烘箱控制、开关量实时监控等难题。

Description

一种工业级3D打印机控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于3D打印设备技术领域，具体涉及一种工业级3D打印机控制系统及控制方法。

背景技术

3D打印技术，即快速成型技术的一种。熔融堆积成型是3D打印技术中应用最广泛的一种，适合生产形状复杂小批量的产品，已经成为世界各国战略发展的技术方向。熔融堆积成型是热塑性材料加热至熔融状态，在计算机控制下，喷头根据零件截面轮廓信息，将熔融液按照截面轮廓轨迹涂敷在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成型完成后，工作台下移一层高，再次涂敷下一层，这样逐层堆积直至工件完全成型。这种特殊的成型方式使得3D打印无需专用刀具、夹具、模具，可以制造任意复杂形状的零件，特别适合于新产品及核心零部件的研发，目前已经广泛应用于徐工重型、铲运、汽车等公司新产品开发试制，尤其内饰件、覆盖件等部件的应用，有效缩短了产品开发周期，降低了试制成本。

对于工业级3D打印设备，打印尺寸一般比较大，成型过程中容易发生翘曲变形，为了更好的控制翘曲变形，根据工艺需求需要配备加热系统，使成型环境温度更加稳定，对于温度控制的要求就比较高，难度也比较大，同时一些国外的工业级3D打印机自身的控制系统对丝材进行了专用芯片识别，并且软硬件完全是自主研发，只能使用专用的丝材进行打印，限制了国内3D打印丝材的使用，增加了3D打印机的运行成本。

现有技术存在以下缺陷：现有的3D打印机控制系统功能对比桌面级控制系统都没有更多的扩展，主控板的复杂性教高或者集成度较低，基本功能没有大的变化，缺少烘箱温控、堵丝检测，人机交互模块实时监控、固件参数修改等功能，自动化程度不高，并且打印速度较慢。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种工业级3D打印机控制系统及控制方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种工业级3D打印机控制系统，所述控制系统采用Cortex-M3内核主控板，包括丝材管理模块、堵丝检测模块、人机交互模块；

挤丝轮上安装有丝材检测编码器，用于检测丝材用量和丝材运动位置；

所述丝材管理模块中存储有丝材档案信息，用于实现丝材管理，获取编码器检测到的丝材用量，基于丝材用量得到丝材未使用量，当丝材未使用量低于设定值时，发出报警信息，并在人机交互模块进行显示提醒；

所述堵丝检测模块通过设置检测时间阈值，对比前后两次编码器检测到的丝材用量，如果用量没有变化，说明丝材运动停止，发生堵丝，随即主控板发出故障报警信息，上位机检测识别故障报警信息后，暂停当前打印；待用户修理喷头之后，点击人机交互模块继续打印按钮，从暂停位置继续打印。

进一步的，所述的工业级3D打印机控制系统，还包括固件参数修改模块，通过人机交互模块对固件配置参数进行修改输入，用户修改的固件配置参数信息存储在主控板连接的EEPROM中。

进一步的，所述丝材档案信息包括各种丝材的线径、颜色、重量、已使用量及未使用量。

进一步的，所述的工业级3D打印机控制系统，还包括开关量实时监控模块，用于实时获取烘箱门锁、照明灯、喷头、烘箱加热状态信息，并发送给人机交互模块进行显示。

进一步的，所述的工业级3D打印机控制系统，所述人机交互模块，与主控板信号连接，用于实现参数输入，接收主控板的信息并进行显示，手动控制输入。

进一步的，所述的工业级3D打印机控制系统，还包括烘箱温度控制模块，所述烘箱温度控制模块通过人机交互模块输入设定烘箱目标温度，并采用数字PID控制温度。

进一步的，所述的工业级3D打印机控制系统，还包括通信模块、喷头移动控制模块、送丝控制模块、编码器检测模块、存储器模块、温度控制模块、烘箱控制模块、照明灯、工控机控制模块、指示灯控制模块、限位检测模块，喷头加热控制模块。

所述通信模块第一通信接口采用RS232全双工异步串行通信，接收工控机信号。此外还扩展了USB接口、蓝牙通信接口和网络通信接口。

所述喷头移动控制模块使用伺服驱动器和伺服电机，由主控板直接通过高速光耦隔离电路脉冲驱动。

所述送丝控制模块包括四个步进电机驱动器和四个步进电机，两个步进电机放置于丝材盒出口用于送丝，两个放置在喷头进丝口用于挤丝。

所述编码器检测模块包括线性增量式编码器，通过专用编码器计数芯片进行计数，可随时通过查询方式获取转动方向、角度计数、圈数。与中断方式比，查询方式将判断与计数交给了硬件，减轻了主控板的负荷。

所述存储器模块为EEPROM，用于存储固件参数，方便用户通过人机交互模块进行固件修改。

所述温度控制模块和喷头加热模块包括喷头加热和温度控制。使用PWM脉宽调制加热，数字PID调节，对温度精密控制。

所述烘箱控制模块包括烘箱温度控制、烘箱门锁控制、烘箱热风循环风机控制。

照明灯控制、工控机开关模块采用继电器输出方式开启和关闭。

限位检测模块包括三个软件限位和三个硬件限位，所述硬件限位为限位开关，位于主轴最小行程位置，软件限位在固件中，限制主轴的最大行程。

所述人机交互模块和固件用于与主控板通信，驱动硬件行为和检测硬件状态，包括丝材管理模块、堵丝检测模块、固件参数修改模块、烘箱温度控制模块、开关量实时监控模块等。

所述丝材管理模块，操作者通过人机交互模块丝材管理模块可以自动更换丝材。丝材检测编码器安装在从动挤丝轮上，正常挤丝时，主动轮与从动轮同时挤压丝材，从动轮带动编码器运动，因此可以检测丝材用量和丝材运动位置，利用送丝电机与挤丝电机相互配合，送丝电机送丝，挤丝电机编码器识别到丝材后开始挤丝实现自动上料，退丝时挤丝轮和送丝轮同时运动，退出丝材。通过建立丝材档案信息，可以实现丝材管理。

所述堵丝检测模块通过设置检测时间阈值，对比前后两次编码器检测到的丝材用量，如果用量没有变化，说明丝材运动停止，发生堵丝，随即主控板发出故障报警信息，上位机检测识别后，暂停当前打印，待用户修理喷头之后，点击人机交互模块继续打印按钮，从暂停位置继续打印。

所述固件参数修改模块可以让用户通过人机交互模块对固件配置参数进行修改，用户修改的信息存储在主控板连接的EEPROM中，固件直接进行调用，避免重复烧录固件。

所述烘箱温度控制模块包括工业级温度传感器及变送器，固态继电器，加热电阻丝，热风循环风机，人机交互模块烘箱温度控制等模块，人机交互模块实时监控烘箱温度，也可以更改烘箱目标温度，固态继电器控制加热电阻丝电源的通断，热风循环风机控制成型室内的热风循环，使温度均匀。烘箱采用数字PID调节温度，对温度精确控制，适应不同材料的打印。

所述开关量实时监控模块包括烘箱门锁、照明灯、喷头、烘箱加热状态等开关量监控，主控板读取对应寄存器状态并与人机交互模块进行交互，向人机交互模块反馈开关量的状态，接收指令并控制开关状态。

另一方面，本发明还提供一种工业级3D打印机控制方法，包括：

通过编码器对挤丝轮上的丝材进行识别，识别到丝材后控制挤丝装置开始挤丝实现自动上料；

获取编码器检测到的丝材用量，基于丝材用量得到丝材未使用量，当丝材未使用量低于设定值时，发出报警信息，并在人机交互模块进行显示提醒；

获取检测时间阈值前后两次编码器检测到的丝材用量，对比前后两次编码器检测到的丝材用量，如果丝材用量没有变化，说明丝材运动停止，发生堵丝，发出故障报警信息，上位机检测识别故障报警信息后，发出指令控制暂停当前打印。

所述的工业级3D打印机控制方法，还包括：通过人机交互模块对固件配置参数进行修改输入，用户修改的固件配置参数信息存储在主控板连接的EEPROM中。

本发明还提供一种3D打印机，包括上述的工业级3D打印机控制系统。

有益效果：本发明提供的工业级3D打印机控制系统及控制方法，主要适用于FDM工艺3D打印技术领域。解决了丝材管理、堵丝检测、固件参数修改、烘箱控制、开关量实时监控等难题。

附图说明

图1为实施例的工业级3D打印机控制系统的示意图；

图2为实施例的控制系统的原理图。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1、图2所示，一种工业级3D打印机控制系统，所述控制系统采用Cortex-M3内核主控板，包括丝材管理模块、堵丝检测模块、人机交互模块以及通信模块、喷头移动控制模块、送丝控制模块、编码器检测模块、存储器模块、温度控制模块、烘箱控制模块、照明灯、工控机控制模块、指示灯控制模块、限位检测模块，喷头加热控制模块；

挤丝轮上安装有丝材检测编码器，用于检测丝材用量和丝材运动位置；

所述丝材管理模块中存储有丝材档案信息，用于实现丝材管理，获取编码器检测到的丝材用量，基于丝材用量得到丝材未使用量，当丝材未使用量低于设定值时，发出报警信息，并在人机交互模块进行显示提醒；

所述堵丝检测模块通过设置检测时间阈值，对比前后两次编码器检测到的丝材用量，如果用量没有变化，说明丝材运动停止，发生堵丝，随即主控板发出故障报警信息，上位机检测识别故障报警信息后，暂停当前打印；待用户修理喷头之后，点击人机交互模块继续打印按钮，从暂停位置继续打印。

所述固件参数修改模块，通过人机交互模块对固件配置参数进行修改输入，用户修改的固件配置参数信息存储在主控板连接的EEPROM中。

所述丝材档案信息包括各种丝材的线径、颜色、重量、已使用量及未使用量。

开关量实时监控模块，用于实时获取烘箱门锁、照明灯、喷头、烘箱加热状态信息，并发送给人机交互模块进行显示。

所述人机交互模块，与主控板信号连接，用于实现参数输入，接收主控板的信息并进行显示，手动控制输入。

所述烘箱温度控制模块通过人机交互模块输入设定烘箱目标温度，并采用数字PID控制温度。

所述通信模块第一通信接口采用RS232全双工异步串行通信，接收工控机信号。此外还扩展了USB接口、蓝牙通信接口和网络通信接口。

所述喷头移动控制模块使用伺服驱动器和伺服电机，由主控板直接通过高速光耦隔离电路脉冲驱动。

所述送丝控制模块包括四个步进电机驱动器和四个步进电机，两个步进电机放置于丝材盒出口用于送丝，两个放置在喷头进丝口用于挤丝。

所述编码器检测模块包括线性增量式编码器，通过专用编码器计数芯片进行计数，可随时通过查询方式获取转动方向、角度计数、圈数。与中断方式比，查询方式将判断与计数交给了硬件，减轻了主控板的负荷。

所述存储器模块为EEPROM，用于存储固件参数，方便用户通过人机交互模块进行固件修改。

所述温度控制模块和喷头加热模块包括喷头加热和温度控制。使用PWM脉宽调制加热，数字PID调节，对温度精密控制。

所述烘箱控制模块包括烘箱温度控制、烘箱门锁控制、烘箱热风循环风机控制。

照明灯控制、工控机开关模块采用继电器输出方式开启和关闭。

限位检测模块包括三个软件限位和三个硬件限位，所述硬件限位为限位开关，位于主轴最小行程位置，软件限位在固件中，限制主轴的最大行程。

所述人机交互模块和固件用于与主控板通信，驱动硬件行为和检测硬件状态，包括丝材管理模块、堵丝检测模块、固件参数修改模块、烘箱温度控制模块、开关量实时监控模块等。

所述丝材管理模块，操作者通过人机交互模块丝材管理模块可以自动更换丝材。丝材检测编码器安装在从动挤丝轮上，正常挤丝时，主动轮与从动轮同时挤压丝材，从动轮带动编码器运动，因此可以检测丝材用量和丝材运动位置，利用送丝电机与挤丝电机相互配合，送丝电机送丝，挤丝电机编码器识别到丝材后开始挤丝实现自动上料，退丝时挤丝轮和送丝轮同时运动，退出丝材。通过建立丝材档案信息，可以实现丝材管理。

所述堵丝检测模块通过设置检测时间阈值，对比前后两次编码器检测到的丝材用量，如果用量没有变化，说明丝材运动停止，发生堵丝，随即主控板发出故障报警信息，上位机检测识别后，暂停当前打印，待用户修理喷头之后，点击人机交互模块继续打印按钮，从暂停位置继续打印。

所述固件参数修改模块可以让用户通过人机交互模块对固件配置参数进行修改，用户修改的信息存储在主控板连接的EEPROM中，固件直接进行调用，避免重复烧录固件。

所述烘箱温度控制模块包括工业级温度传感器及变送器，固态继电器，加热电阻丝，热风循环风机，人机交互模块烘箱温度控制等模块，人机交互模块实时监控烘箱温度，也可以更改烘箱目标温度，固态继电器控制加热电阻丝电源的通断，热风循环风机控制成型室内的热风循环，使温度均匀。烘箱采用数字PID调节温度，对温度精确控制，适应不同材料的打印。

所述开关量实时监控模块包括烘箱门锁、照明灯、喷头、烘箱加热状态等开关量监控，主控板读取对应寄存器状态并与人机交互模块进行交互，向人机交互模块反馈开关量的状态，接收指令并控制开关状态。

本实施例中，如图1、图2所示，3D打印机控制系统包含硬件和软件两个部分，硬件是实物的物理装置，包括工控机、电气设备、驱动设备、主控板等，软件是存储、运行在特定硬件上的程序，包括运行在工控机上的切片引擎、人机交互模块和运行在主板主控板上的固件。工控机是一款一体式计算机，内部集成电容式触摸显示屏、主板、内存、硬盘、显卡、网卡。其背面和侧面有RS232串口和USB接口，可与主控板通信，主板第一通讯接口采用RS232全双工异步通信。电气设备包括变压器、断路器、漏电保护器、继电器、滤波器、开关电源、电力线缆等设备，主要为各用电器转换和传输电能，以及提供用电安全保护。驱动设备接收控制信号，驱动电机运转，包括伺服电机驱动器、步进电机驱动器。主控板是控制系统的核心，接收人机交互模块指令，运算转换成控制信号发送给驱动设备或直接驱动简单的执行器，同时接收传感器信号，向人机交互模块反馈执行器状态信息。主控板由处理器、电源、通信和其他外围驱动电路组成，固件是存储在单片机ROM内的程序，以串口中断的方式存储人机交互模块发送的字符于一个预设大小的缓存数组中，在主循环中提取串口缓存、识别指令、执行指令。固件配合主控板的外围电路，实现通信、驱动、监测等功能。模型经过切片引擎切片算法，输出G代码文件交送给人机交互模块。人机交互模块是人与机器交互的工具，主要功能包括：与主控板通信、手动控制(点动)、打印、模型查看与编辑、G代码可视化、模拟打印、参数设置、状态监测、日志系统等功能，进一步创造性地实现了丝材管理、堵丝检测、固件参数修改、烘箱控制、开关量实时监控等功能。

3D打印机主控板，采用Cortex-M3内核主控板，具有通信模块、喷头移动控制模块、送丝控制模块、编码器检测模块、存储器模块、温度控制模块、烘箱控制模块、照明灯控制模块、指示灯控制模块、限位检测模块，工控机控制模块等，所有功能模块集中在一块主控板上，提高了主控板的集成度，简化了主控板的结构，降低了器件功耗，增加了主控板的功能和使用寿命，降低了使用成本。

丝材管理模块使设备换丝过程更加简易，提高设备自动化程度。当打印丝材用量低于设定值时，设备产生报警提示，提醒操作者查看丝材用量，及时更换打印材料，并建立了丝材档案信息。通过送丝装置和挤丝装置，自动实现丝材自动上料/退料，通过人机交互模块上料操作提示，减小了操作者操作失误。

堵丝检测模块实现了堵丝故障自动识别功能，提升了打印成功率。设备自动识别喷头堵丝和挤丝轮松动，当发生故障时能够立即停止打印并发出报警提示，设备操作人员进行故障排除后能够继续进行当前的打印操作，减少了丝材报废量，提高了打印的成功率。

固件参数修改模块可以让操作人员通过人机交互模块对固件配置参数进行修改，不必通过专用编译软件修改固件，然后重新烧录等繁琐操作，节省了操作和维护工作时间，提升了工作效率，简化了工作程序。

烘箱控制模块解决了丝材熔融堆积成型后发生的翘边、变形问题。使用烘箱温度实时监控功能，可以更改不同的烘箱加热温度，通过热风循环系统使烘箱内部温度均匀，扩展了打印丝材的种类，使得3D打印机更适合在工业场合使用。

开关量实时监控模块使设备操作人员在设备外部通过人机交互模块打开照明灯即可以查看烘箱内部打印情况，使人远离正在运行中的机器，保证了生产安全。在烘箱加热过程中，烘箱温度过高，人禁止进入烘箱内部，对烘箱门的监控可以防止设备操作人员打开烘箱，造成伤害。

实施例2

一种工业级3D打印机控制方法，包括：

通过编码器对挤丝轮上的丝材进行识别，识别到丝材后控制挤丝装置开始挤丝实现自动上料；

获取编码器检测到的丝材用量，基于丝材用量得到丝材未使用量，当丝材未使用量低于设定值时，发出报警信息，并在人机交互模块进行显示提醒；

获取检测时间阈值前后两次编码器检测到的丝材用量，对比前后两次编码器检测到的丝材用量，如果丝材用量没有变化，说明丝材运动停止，发生堵丝，发出故障报警信息，上位机检测识别故障报警信息后，发出指令控制暂停当前打印。

所述的工业级3D打印机控制方法，还包括：通过人机交互模块对固件配置参数进行修改输入，用户修改的固件配置参数信息存储在主控板连接的EEPROM中。

另外，本发明还提供一种3D打印机，包括上述的工业级3D打印机控制系统。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种工业级3D打印机控制系统，其特征在于，所述控制系统采用Cortex-M3内核主控板，包括丝材管理模块、堵丝检测模块、人机交互模块；

挤丝轮上安装有丝材检测编码器，用于检测丝材用量和丝材运动位置；

所述丝材管理模块中存储有丝材档案信息，用于实现丝材管理，获取编码器检测到的丝材用量，基于丝材用量得到丝材未使用量，当丝材未使用量低于设定值时，发出报警信息，并在人机交互模块进行显示提醒；

所述堵丝检测模块通过设置检测时间阈值，对比前后两次编码器检测到的丝材用量，如果用量没有变化，说明丝材运动停止，发生堵丝，随即主控板发出故障报警信息，上位机检测识别故障报警信息后，暂停当前打印；待用户修理喷头之后，点击人机交互模块继续打印按钮，从暂停位置继续打印。

2.根据权利要求1所述的工业级3D打印机控制系统，其特征在于，还包括固件参数修改模块，通过人机交互模块对固件配置参数进行修改输入，用户修改的固件配置参数信息存储在主控板连接的EEPROM中。

3.根据权利要求1所述的工业级3D打印机控制系统，其特征在于，所述丝材档案信息包括各种丝材的线径、颜色、重量、已使用量及未使用量。

4.根据权利要求1所述的工业级3D打印机控制系统，其特征在于，还包括开关量实时监控模块，用于实时获取烘箱门锁、照明灯、喷头、烘箱加热状态信息，并发送给人机交互模块进行显示。

5.根据权利要求1所述的工业级3D打印机控制系统，其特征在于，所述人机交互模块，与主控板信号连接，用于实现参数输入，接收主控板的信息并进行显示，手动控制输入。

6.根据权利要求1所述的工业级3D打印机控制系统，其特征在于，还包括烘箱温度控制模块，所述烘箱温度控制模块通过人机交互模块输入设定烘箱目标温度，并采用数字PID控制温度。

7.根据权利要求1所述的工业级3D打印机控制系统，其特征在于，还包括通信模块、喷头移动控制模块、送丝控制模块、编码器检测模块、存储器模块、工控机控制模块、限位检测模块、喷头加热控制模块。

8.一种工业级3D打印机控制方法，其特征在于，包括：

通过编码器对挤丝轮上的丝材进行识别，识别到丝材后控制挤丝装置开始挤丝实现自动上料；

获取编码器检测到的丝材用量，基于丝材用量得到丝材未使用量，当丝材未使用量低于设定值时，发出报警信息，并在人机交互模块进行显示提醒；

获取检测时间阈值前后两次编码器检测到的丝材用量，对比前后两次编码器检测到的丝材用量，如果丝材用量没有变化，说明丝材运动停止，发生堵丝，发出故障报警信息，上位机检测识别故障报警信息后，发出指令控制暂停当前打印。

9.根据权利要求8所述的工业级3D打印机控制方法，其特征在于，还包括：通过人机交互模块对固件配置参数进行修改输入，用户修改的固件配置参数信息存储在主控板连接的EEPROM中。

10.一种3D打印机，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的工业级3D打印机控制系统。