CN111993666A - 一种高性价比的光固化3d打印控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性价比的光固化3D打印控制系统，包括基于DLP 3D打印机的控制系统及与其连接的云端服务器、PC机和3D打印机，控制系统内设有一个驻留有控制程序的STM32 ARM主控芯片，并由该主控芯片实现3D打印主控制程序、多灰度控制程序和FPGA控制程序。对3D数字文件打印支持一层多切、表面灰度平滑处理进行抗锯齿补偿，提高DLP、LCD类光固化3D打印机的打印精度，可以媲美SLA类光固化3D打印机；可以直接应用于市面上大多数消费级DLP 3D打印机，市面上常见的DLP、LCD光固化3D打印机的控制系统可以使用本发明快速、方便地替换，降低了设备升级的难度和成本。
Description
技术领域
本发明属于3D打印领域，涉及一种使用高性价比方案达到理想打印效果的光固化3D打印机控制系统，该控制系统主要用于DLP 3D打印机。
背景技术
3D打印又称为增材制造，它是基于三维数字模型文件对合适的材料进行逐层打印堆积实现物体制造，与传统的基于减材技术、基于形变技术的制造方式相比，3D打印在设计模型到成品制造的流程中省去了开模试产、后期组装等的成本和时间。现代意义的3D打印技术最早于上世纪80年代提出，发展至今，根据成型材料的不同，已经有多种应用较成熟的3D成型技术，包括熔融沉积成形（FDM）、光固化立体成形（SLA）、数字光处理技术（DLP）、金属激光熔融沉积（LDMD）等。
光固化成型的基本原理都是利用光敏树脂在特定波长紫外线的照射下树脂中的光引发剂吸收光子能量发生聚合反应，从而实现光固化效果。目前，光固化成型的两种主要方案是光固化立体成型（SLA）3D打印技术和数字光处理技术（DLP）。SLA最早出现于上世纪80年代，是最早研发成功的增材制造技术之一；相对于SLA，较晚出现DLP技术打印速度更快。采用光敏树脂进行光固化3D打印，具有成本低、精度高、成型快的优点，广泛运用于对产品精度要求高的制造领域，再加上光敏树脂刺激性成分较低、成型后表面光滑，在医疗、动漫手办、首饰制作等领域应用广泛。
SLA 3D打印机通过激光器发射激光到反射系统，反射系统从快速移动的反射镜检测器偏转，再通过X和Y轴方向的移动，将光束照射到适当的点，定点对树脂单体聚合。将XY平面上的图像固化完成之后，成型平台会将激光器在Z轴方向上移动一层高度，从而继续下一层的固化，逐层实现三维打印成型。
与SLA的点状投射不同，DLP 3D打印机可投射并固化一整层，它一次性将单个XY平面上期望形状的光线投射到光敏树脂上，从而实现整层一次性打印成型，然后再在Z轴上平移实现逐层打印成型。单层投影期望形状的图像通过由数字微镜原件（DMD）实现的，它是一种动态掩膜，由一系列微米级尺寸旋转反射镜组成，这允许液态树脂在层内的不同位置处被差异照射和聚合。现代DLP投影仪通常具有数千个微米尺寸的LED作为光源，它们的。“开”和“关”状态是单独控制的，可以提高XY分辨率。近年也出现了一些DLP 3D打印机，使用LCD液晶屏代替DMD，显著降低了设备价格。
目前，DLP 3D打印机控制系统主要存在以下3点不足：
（1）3D打印控制器成本太高，制约了DLP 3D打印机的普及。一方面，由于技术壁垒，目前采用的光固化3D打印控制器多采用进口器件，使得整体成本较高；另外，由于整体设计缺陷，使得器件的性能发挥不够充分，为满足同样的打印效果必须使用更高价格的元器件。
（2）Z轴上的分辨率不高，消费级SLA可以实现25微米级的分辨率，而DLP 3D打印机的Z轴分辨率大多在50微米以上。
（3）DLP 3D打印成型的过程中存在伪影，具体表现为每一层的边缘处有像“阶梯台阶”一样的锯齿，特别是在弯曲的表面这一问题较为突出。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种高性价比的光固化3D打印控制系统，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高性价比的光固化3D打印控制系统，包括基于DLP 3D打印机的控制系统及与其连接的云端服务器、PC机和3D打印机，控制系统内设有一个驻留有控制程序的STM32 ARM主控芯片，并由该主控芯片实现3D打印主控制程序、多灰度控制程序和FPGA控制程序；
3D打印主控制程序主要由依次连接的系统初始化子程序、启动人机交互中断响应子程序、打印任务处理子程序和任务队列处理子程序组成；系统初始化子程序用于设置任务优先级、堆栈、控制块等；启动人机交互中断响应子程序通过触碰触摸屏互相传递完成；打印任务处理子程序用于扫描每层数据打印；任务队列处理子程序用于处理打印过程中出现的其它任务；
多灰度控制程序内还引入了边缘抗锯齿补偿算法，该抗锯齿补偿算法获取单层切片图像后，对图像边缘提取并计算边缘素点，快速切换曝光实现边缘抗锯齿，达到控制LCD显示不同灰度改变透光率的效果；
打印任务处理子程序，经过FPGA控制程序后，系统根据DMD或者LCD方式的固化打印方式，给出相应的打印控制指令，完成一层打印后实现Z轴的平移，直至最后完成3D模型的固化成型。
进一步地，控制系统由运动控制模块、光源控制模块和其它控制模块组成；
运动控制模块具体包括步进电机、挡光装置、限位开关和其它模组；
光源控制模块具体包括光机、耗材和FPGA控制；
其它控制模块具体包括电源、触屏和存储通信。
进一步地，云端服务器具体包括用户、模型管控和云端切片，主要用于实现支持WIFI通信、USB通信等PC机通信方式，实现切片软件通信、3D数字文件及其切片文件的交互；
PC机具体包括切片软件和Web APP，主要用于通过触摸屏实现与用户交互；
3D打印机具体包括打印机执行部件、打印平台、调平装置和光敏树脂料槽，主要用于控制3D打印机执行部件，包括光敏树脂槽、Z轴运动部件、LCD发光部件控制、限位开关的数据采集等。
进一步地，控制系统内还设有电源控制模块、FPGA控制、检测接口、USB接口、WIFI接口；
主控芯片通过WIFI与无线路由相连，在局域网与同一网段的PC机或者手机APP相连；或者通过路由接入万维网通过https方式和云平台连接，获取云平台的模型共享、云端切片等服务；
FPGA控制由FPGA芯片通过SPI协议与主控芯片进行通讯。
进一步地，在3D打印主控制程序中，启动人机交互中断响应子程序与系统初始化子程序之间完成检测网络连接和同步服务器数据；任务队列处理子程序完成后返回至启动人机交互中断响应子程序。
进一步地，在打印任务处理子程序中，系统接收到打印指令后，获取切片后的文件，检验打印前置条件是否满足，在不满足的情况下中止打印并提示用户。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）构件化设计，方便实现国产FPGA的替代，在保证打印质量的前提下降低总的光固化3D打印整体方案的实现成本，同时提高整体方案的自主性、降低进口依赖。
（2）本发明对3D数字文件打印支持一层多切、表面灰度平滑处理进行抗锯齿补偿，提高DLP、LCD类光固化3D打印机的打印精度，可以媲美SLA类光固化3D打印机。
（3）本发明可以直接应用于市面上大多数消费级DLP 3D打印机，市面上常见的DLP、LCD光固化3D打印机的控制系统可以使用本发明快速、方便地替换，降低了设备升级的难度和成本。
附图说明
图1为本发明系统整体框架图；
图2为本发明硬件原理图；
图3为本发明主程序流程图；
图4为本发明3D模型打印流程图；
图5为本发明抗锯齿补偿算法流程图。
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。
如图1~图5所示，本发明提供了一种高性价比的光固化3D打印控制系统，包括基于DLP 3D打印机的控制系统及与其连接的云端服务器、PC机和3D打印机，控制系统内设有一个驻留有控制程序的STM32 ARM主控芯片，并由该主控芯片实现3D打印主控制程序、多灰度控制程序和FPGA控制程序；
3D打印主控制程序主要由依次连接的系统初始化子程序、启动人机交互中断响应子程序、打印任务处理子程序和任务队列处理子程序组成；系统初始化子程序用于设置任务优先级、堆栈、控制块等；启动人机交互中断响应子程序通过触碰触摸屏互相传递完成；打印任务处理子程序用于扫描每层数据打印；任务队列处理子程序用于处理打印过程中出现的其它任务；
多灰度控制程序内还引入了边缘抗锯齿补偿算法，该抗锯齿补偿算法获取单层切片图像后，对图像边缘提取并计算边缘素点，快速切换曝光实现边缘抗锯齿，达到控制LCD显示不同灰度改变透光率的效果；
打印任务处理子程序，经过FPGA控制程序后，系统根据DMD或者LCD方式的固化打印方式，给出相应的打印控制指令，完成一层打印后实现Z轴的平移，直至最后完成3D模型的固化成型。
进一步说明的是，控制系统由运动控制模块、光源控制模块和其它控制模块组成；
运动控制模块具体包括步进电机、挡光装置、限位开关和其它模组；
光源控制模块具体包括光机、耗材和FPGA控制；
其它控制模块具体包括电源、触屏和存储通信。
进一步说明的是，云端服务器具体包括用户、模型管控和云端切片，主要用于实现支持WIFI通信、USB通信等PC机通信方式，实现切片软件通信、3D数字文件及其切片文件的交互；
PC机具体包括切片软件和Web APP，主要用于通过触摸屏实现与用户交互；
3D打印机具体包括打印机执行部件、打印平台、调平装置和光敏树脂料槽，主要用于控制3D打印机执行部件，包括光敏树脂槽、Z轴运动部件、LCD发光部件控制、限位开关的数据采集等。
进一步说明的是，控制系统内还设有电源控制模块、FPGA控制、检测接口、USB接口、WIFI接口；
主控芯片通过WIFI与无线路由相连，在局域网与同一网段的PC机或者手机APP相连；或者通过路由接入万维网通过https方式和云平台连接，获取云平台的模型共享、云端切片等服务；
FPGA控制由FPGA芯片通过SPI协议与主控芯片进行通讯，此处支持国产FPGA芯片，降低器件成本、减少对进口器件的依赖。由于传输文件的速度要求高，结合ESP8266的CPU的主频及通讯稳定性考虑，SPI主频可以设置为40M，最高文件写入速度可达5MB/s,为保证信号传输质量，减少误码率，PCB布线时应确保SPI数据传输线HSPI_MOSI,HSPI_MISO,HSPI_CLK,HSPI_CS小于1cm；
控制系统通过SPI协议与STM32主控芯片进行通讯，主板接口和3D打印机间的控制信号通过串口+供电线连接，串口波特率可以设置为115200，系统通过3D打印主板供电，之间配有电压转换电路。标准3D打印主板的控制系统电流1安，一般都有500毫安以上的余量，而本系统所需电流低于100毫安，完全可以通过3D打印主板供电而无需外接电源，使系统更加简化而且易于安装。
进一步说明的是，在3D打印主控制程序中，启动人机交互中断响应子程序与系统初始化子程序之间完成检测网络连接和同步服务器数据；任务队列处理子程序完成后返回至启动人机交互中断响应子程序。
进一步说明的是，在打印任务处理子程序中，系统接收到打印指令后，获取切片后的文件，检验打印前置条件是否满足，在不满足的情况下中止打印并提示用户。
具体工作原理：在整个控制系统中，STM32主控芯片可通过WIFI与无线路由相连，可以在局域网与同一网段的PC机或手机APP相连；或者通过路由接入万维网通过https方式和云平台连接，获取云平台的模型共享、云端切片等服务。
控制系统通过SPI协议与STM32主控芯片进行通讯，主板接口和3D打印机间的控制信号通过串口+供电线连接，系统通过3D打印主板供电，之间配有电压转换电路。
STM32主控芯片通过两个GPIO口连接检测接口，获取外部断电信号及缺料信号，当有断电信号或缺料信号输入时，信号会通过GPIO由检测接口传送给STM32主控芯片,并由STM32主控芯片内驻留的服务程序处理。可以使用位置检测器件(PSD)作为敏感元件检测光敏树脂液位，确定是否需要补充耗材，材料耗尽时会发送断料信号到检测接口，通过GPIO发送给STM32主控芯片，STM32主控芯片收到断料信号暂停打印工作，并自动进入换料程序。使用断电检测装置检测３Ｄ打印机的电源供电信号，由于３Ｄ打印机使用的直流开关电源的电容有储电能力，外部断电后，开关电源仍能供电２秒以上，当外部断电时断电检测装置会发送断电信号到检测接口，通过GPIO发送给主控芯片，然后自动进入断电保护程序，保存当前打印状态信息后关机，确保恢复供电后可以实现断电续打。
在运行程序内，系统上电启动并完成初始化后，首先读取本地的wifi配置数据并尝试网络连接；网络连接不成功则提醒用户进行网络配置或直接跳过网络连接使用本地打印；如果连接网络成功，从网络后台读取网络服务数据并同步到本地；程序启动触屏中断等待用户操作，当获取用户输出命令后，程序进入相应的中断响应程序；如果是模型打印任务，则优先处理；在模型打印过程中若有其它任务进入，需要根据任务优先级进行排队处理或优先处理。
接收到3D打印指令后，从PC机或网络服务器获取切片后的文件，检验打印前置条件是否完全满足，如果不满足中止本次打印并提示用户；如果满足，根据系统连接的3D打印机主板固件类型分别处理，市场主流的根据DMD或LCD方式的光固化打印方式，给出相应的打印控制指令，同时在完成一层打印后控制运动部件实现Z轴的平移；根据传感检测器件的信号监控整个打印过程是否正常运行；直至最后完成3D模型的固化成型。
程序对每一层切片图像进行边缘检测；根据边缘像素点数选择不同的单层多切算法实现抗锯齿补偿；控制LCD显示不同灰度配合抗锯齿补偿算法改变LCD透光率或DMD照度实现最终的抗锯齿平滑打印成型。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (6)
1.一种高性价比的光固化3D打印控制系统，其特征在于：包括基于DLP 3D打印机的控制系统及与其连接的云端服务器、PC机和3D打印机，控制系统内设有一个驻留有控制程序的STM32 ARM主控芯片，并由该主控芯片实现3D打印主控制程序、多灰度控制程序和FPGA控制程序；
3D打印主控制程序主要由依次连接的系统初始化子程序、启动人机交互中断响应子程序、打印任务处理子程序和任务队列处理子程序组成；系统初始化子程序用于设置任务优先级、堆栈、控制块等；启动人机交互中断响应子程序通过触碰触摸屏互相传递完成；打印任务处理子程序用于扫描每层数据打印；任务队列处理子程序用于处理打印过程中出现的其它任务；
多灰度控制程序内还引入了边缘抗锯齿补偿算法，该抗锯齿补偿算法获取单层切片图像后，对图像边缘提取并计算边缘素点，快速切换曝光实现边缘抗锯齿，达到控制LCD显示不同灰度改变透光率的效果；
打印任务处理子程序，经过FPGA控制程序后，系统根据DMD或者LCD方式的固化打印方式，给出相应的打印控制指令，完成一层打印后实现Z轴的平移，直至最后完成3D模型的固化成型。
2.根据权利要求1所述的一种高性价比的光固化3D打印控制系统，其特征在于：控制系统由运动控制模块、光源控制模块和其它控制模块组成；
运动控制模块具体包括步进电机、挡光装置、限位开关和其它模组；
光源控制模块具体包括光机、耗材和FPGA控制；
其它控制模块具体包括电源、触屏和存储通信。
3.根据权利要求1所述的一种高性价比的光固化3D打印控制系统，其特征在于：云端服务器具体包括用户、模型管控和云端切片，主要用于实现支持WIFI通信、USB通信等PC机通信方式，实现切片软件通信、3D数字文件及其切片文件的交互；
PC机具体包括切片软件和Web APP，主要用于通过触摸屏实现与用户交互；
3D打印机具体包括打印机执行部件、打印平台、调平装置和光敏树脂料槽，主要用于控制3D打印机执行部件，包括光敏树脂槽、Z轴运动部件、LCD发光部件控制、限位开关的数据采集等。
4.根据权利要求1所述的一种高性价比的光固化3D打印控制系统，其特征在于：控制系统内还设有电源控制模块、FPGA控制、检测接口、USB接口、WIFI接口；
主控芯片通过WIFI与无线路由相连，在局域网与同一网段的PC机或者手机APP相连；或者通过路由接入万维网通过https方式和云平台连接，获取云平台的模型共享、云端切片等服务；
FPGA控制由FPGA芯片通过SPI协议与主控芯片进行通讯。
5.根据权利要求1所述的一种高性价比的光固化3D打印控制系统，其特征在于：在3D打印主控制程序中，启动人机交互中断响应子程序与系统初始化子程序之间完成检测网络连接和同步服务器数据；任务队列处理子程序完成后返回至启动人机交互中断响应子程序。
6.根据权利要求1所述的一种高性价比的光固化3D打印控制系统，其特征在于：在打印任务处理子程序中，系统接收到打印指令后，获取切片后的文件，检验打印前置条件是否满足，在不满足的情况下中止打印并提示用户。
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