CN112238606A - 多喷头3d打印控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多喷头3D打印控制系统及控制方法，包括支架，喷头支架与支架活动连接，喷头支架与支架之间沿Y向相对往复运动，换行气缸一端与喷头支架连接，另一端与支架连接；喷头支架上设有多个沿着X轴运行的X向小车，在每个X向小车上设有喷头，喷头与X向小车之间沿Y向相对往复运动；还设有主控装置，主控装置设有主控芯片，主控芯片与多个控制芯片电连接，各个控制芯片分别用于控制各个X向小车和喷头的行走；主控芯片还与换行气缸的控制阀电连接，用于控制换行气缸的伸缩动作。在每个X向小车设置一个可沿Y向往复运动的喷头，配合可切换位置的喷头支架以及独立的控制芯片，能够实现在提高工作效率的同时，大幅降低控制难度。

Description

多喷头3D打印控制系统及方法

技术领域

本发明涉及辅助医疗器械的3D打印领域，特别是一种多喷头3D打印控制系统及方法。

背景技术

3D打印作为小批量零件的成型技术得到广泛的应用，它是利用喷头将料丝加热后喷出，层层堆叠实现3D零件成型。现有的3D打印存在耗时较长的问题。为克服该问题，现有技术中提出了多喷头打印以缩短打印时间的方案，例如中国专利文献CN111619113A记载的一种多喷头结构3D打印机及其打印方法。CN111376478A一种多喷头3D打印机出料口相对坐标标定装置。但是上述的多喷头方案，存在控制较为复杂的问题，例如同时控制多个喷头进行工作，需要独立对每个喷头的供料进行控制，随着喷头的增多，现有的通用控制芯片，例如STM32系列单片机存在输出通道不足的问题，而采用多芯片的方案，又涉及各个芯片之间互相协调的问题。而且在控制软件编程过程中，由于各个喷头之间工作范围必须存在互相重叠的问题，对各个部分的划分需要根据不同的零件重新设计，控制难度较高，尤其是存在针对每个不同零件重新编写控制软件或者需要较多的设定参数的问题，这影响了工作效率，且对操作人员也提出更高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多喷头3D打印控制系统及方法，能够在提高工作效率的同时，大幅降低控制难度，控制方法和通常的单喷头方案基本相同，能够降低对操作人员的要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多喷头3D打印控制系统，包括支架，喷头支架与支架活动连接，喷头支架与支架之间沿Y向相对往复运动，换行气缸一端与喷头支架连接，另一端与支架连接；

喷头支架上设有多个沿着X轴运行的X向小车，在每个X向小车上设有喷头，喷头与X向小车之间沿Y向相对往复运动；

还设有主控装置，主控装置设有主控芯片，主控芯片与多个控制芯片电连接，各个控制芯片分别用于控制各个X向小车和喷头的行走；

主控芯片还与换行气缸的控制阀电连接，用于控制换行气缸的伸缩动作。

优选的方案中，还设有工件平台，工件平台位于喷头支架下方，工件平台与升降驱动机构连接。

优选的方案中，所述的升降驱动机构的结构为，工件平台通过竖直导轨与支架滑动连接，工件平台上固设有螺母；

丝杆两端通过轴承支承在支架上，丝杆与螺母螺纹连接，Z向电机的输出轴与丝杆固定连接，Z向电机固定安装在支架上；

主控芯片与Z向电机电连接，用于控制Z向电机。

优选的方案中，所述的Z向电机为伺服电机；

在支架上设有上限位开关和下限位开关，上限位开关和下限位开关位于工件平台行程的两端，上限位开关和下限位开关与主控芯片电连接，用于限制工件平台的行程。

优选的方案中，换行气缸设有两个工作位置，即换行气缸沿Y向行程范围的两端；

喷头与X向小车之间的Y向行程范围大于换行气缸的行程范围。

优选的方案中，在喷头支架上设有多个X向导轨，多个X向小车分别与各个X向导轨滑动连接；

在喷头支架的设有多个主动轮，主动轮与X向电机连接，在与主动轮相对的另一端设有多个从动轮，主动轮与从动轮之间通过同步带连接，各个X向小车分别与各个同步带固定连接，以驱动X向小车沿着X向往复运动；

X向小车的结构为：X向小车上设有沿Y向的Y向导轨，喷头与Y向导轨滑动连接，在X向小车上固设有Y向电机，Y向电机通过传动机构与喷头连接，以驱动喷头沿Y向往复运动。

优选的方案中，在X向小车的车体上设有平行的第一Y向导轨和第二Y向导轨，喷头与Y向导轨滑动连接；

Y向电机通过同步带传动机构与齿轮固定连接；

在喷头上设有齿条，齿条与齿轮啮合连接。

优选的方案中，还设有料丝的供应装置，在支架上设有多个支承轮，线盘支承在支承轮上；

在支架上还设有送丝机构，料丝穿过送丝机构与喷头连接，在喷头设有加热机构；

所述的送丝机构设有送丝轮组，送丝轮组与送丝电机连接，送丝电机用于驱动送丝轮组转动，料丝从送丝轮组之间穿过；

送丝电机与分别与控制对应喷头的控制芯片电连接，以根据对应喷头的工作距离提供料丝。

一种采用上述的多喷头3D打印控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、主控芯片将工件分割成多层结构，并根据工件单层宽度和喷头数量N，将工件的单层图像分割成N×2列；

S2、主控芯片将初始列及其相隔列的单层图像发送至各个喷头对应的控制芯片；

S3、各个喷头对应的控制芯片控制对应的X向电机、Y向电机和送丝电机开始打印当前图像；

S4、当各个喷头完成当前图像的打印工作，主控芯片控制换行气缸切换到初始列的相邻列；

S5、主控芯片将初始列的相邻列及其相隔列的单层图像发送至各个喷头对应的控制芯片；

S6、各个喷头对应的控制芯片控制对应的X向电机、Y向电机和送丝电机开始打印当前图像；

S7、当各个喷头完成当前图像的打印工作，主控芯片控制Z向电机，驱动工件平台下降一层，开始打印工件的下一层图像；

由此步骤，完成整个工件的3D打印。

优选的方案中，送丝电机的运动转角与对应喷头的X向电机和Y向电机的运动转角相关联；

各个喷头根据优化路径打印当前图像，所述的优化路径是指喷头的运行路径尽量使料丝在喷出后具有足够的冷却时间，然后再喷相邻的料丝。

本发明提供的一种多喷头3D打印控制系统及控制方法，通过设置多个X向小车，并在每个X向小车设置一个可沿Y向往复运动的喷头，配合可切换位置的喷头支架以及独立的控制芯片，能够实现在提高工作效率的同时，大幅降低控制难度，控制方法和通常的单喷头方案基本相同，能够编程难度，降低对操作人员的要求。本发明的方案使每个喷头都具有独立的Y向驱动，与共用Y向驱动的多喷头方案相比，能够大幅提高加工效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构立体示意图。

图2为本发明的另一方向整体结构立体示意图。

图3为本发明的侧视图。

图4为本发明中X向小车的立体图。

图5为本发明中X向小车的主视图。

图6为本发明的每层工件加工时的区域分布图。

图7为本发明的控制结构框图。

图中：支架1，Z向电机2，丝杆21，竖直导轨22，螺母23，轴承24，工件平台3，X向小车4，车体41，Y向电机42，齿轮43，同步带传动机构44，第一Y向导轨45，第二Y向导轨46，齿条47，X向电机5，主动轮51，从动轮52，同步带53，X向导轨54，喷头6，加热机构61，上限位开关7，换行气缸8，支承轮9，线盘10，下限位开关11，料丝12，喷头支架13，送丝机构14，送丝轮组141，送丝电机142，工件15，主控芯片100，第一控制芯片101，二控制芯片102，第三控制芯片103，第四控制芯片104，第五控制芯片105，第六控制芯片106。

具体实施方式

实施例1：

如图1~3中，为便于观察，图1~3采用了爆炸视图的绘制方式，省略了部分机架结构，一种多喷头3D打印控制系统，包括支架1，喷头支架13与支架1活动连接，喷头支架13与支架1之间沿Y向相对往复运动，换行气缸8一端与喷头支架13连接，另一端与支架1连接；

喷头支架13上设有多个沿着X轴运行的X向小车4，在每个X向小车4上设有喷头6，喷头6与X向小车4之间沿Y向相对往复运动；

还设有主控装置，主控装置设有主控芯片100，主控芯片100与多个控制芯片电连接，例如图7中的第一控制芯片101，二控制芯片102，第三控制芯片103，第四控制芯片104，第五控制芯片105和第六控制芯片106。各个控制芯片分别用于控制对应的各个X向小车4和喷头6的行走；

主控芯片100还与换行气缸8的控制阀电连接，控制阀在图中未示出，本例中的控制阀采用三位两通电磁阀，包括直通位、停止位和换向位，分别控制换行气缸8的活塞杆伸出、保持和缩回状态。即用于控制换行气缸8的伸缩动作。由此结构，使多喷头结构下的每个喷头6都具有独立的Y向驱动，与共用Y向驱动的方案相比，每个喷头6都能够如图6中所示的单独完成A1~A6的块状区域内的图形，而不像共用Y向驱动的方案需要沿着打印工作最多的那一列打印完成才能开始下一列。更进一步的在A1~A6的块状区域内，主控芯片能够自行优化路径，从而避免相邻两列的料丝12缺乏足够的冷却时间，即避免料丝因未固化完全而产生塌陷瑕疵。在完成A1~A6的块状区域后，主控芯片100通过控制换行气缸8的切换，即可切换至B1~B6的块状区域，从而快速完成整层的工件打印。

优选的方案如图1~3中，还设有工件平台3，工件平台3位于喷头支架13下方，工件平台3与升降驱动机构连接。由此结构，用于驱动工件平台3升降，从而实现Z轴的运动控制。

优选的方案如图1~3中，所述的升降驱动机构的结构为，工件平台3通过竖直导轨22与支架1滑动连接，工件平台3上固设有螺母23；

丝杆21两端通过轴承24支承在支架1上，丝杆21与螺母23螺纹连接，Z向电机2的输出轴与丝杆21固定连接，Z向电机2固定安装在支架1上；

主控芯片100与Z向电机2电连接，用于控制Z向电机2。工件平台3的升降由主控芯片100直接控制。主控芯片100采用例如STM32F系列芯片，通过精确控制Z向电机2的转角，实现Z轴的精确运动控制。

优选的方案如图3中，所述的Z向电机2为伺服电机；通过伺服电机对转角的反馈，以精确控制工件平台3的升降行程。

在支架1上设有上限位开关7和下限位开关11，上限位开关7和下限位开关11位于工件平台3行程的两端，上限位开关7和下限位开关11与主控芯片100电连接，用于限制工件平台3的行程。

优选的方案中，换行气缸8设有两个工作位置，即换行气缸8沿Y向行程范围的两端；

喷头6与X向小车4之间的Y向行程范围大于换行气缸8的行程范围。由此结构，换行气缸8切换后，也使喷头6能够覆盖每个分配的块状区域。

优选的方案如图1、2中，在喷头支架13上设有多个X向导轨54，多个X向小车4分别与各个X向导轨54滑动连接；

在喷头支架13的设有多个主动轮51，主动轮51与X向电机5连接，在与主动轮51相对的另一端设有多个从动轮52，主动轮51与从动轮52之间通过同步带53连接，各个X向小车4分别与各个同步带53固定连接，以驱动X向小车4沿着X向往复运动；

X向小车4的结构为：X向小车4上设有沿Y向的Y向导轨，喷头6与Y向导轨滑动连接，在X向小车4上固设有Y向电机42，Y向电机42通过传动机构与喷头6连接，以驱动喷头6沿Y向往复运动。

优选的方案如图4中，在X向小车4的车体41上设有平行的第一Y向导轨45和第二Y向导轨46，喷头6与Y向导轨滑动连接；

Y向电机42通过同步带传动机构44与齿轮43固定连接；

在喷头6上设有齿条47，齿条47与齿轮43啮合连接。由此结构，实现喷头6在X向小车4上沿着Y向导轨往复运动。

优选的方案如图1~3中，还设有料丝12的供应装置，在支架1上设有多个支承轮9，线盘10支承在支承轮9上，在支架1上还设有送丝机构14；由此结构，便于线盘10的安装，而且料丝12送丝的阻力很小。能够避免在送丝机构14中滑动，从而导致的料丝12供应不足。

料丝12穿过送丝机构14与喷头6连接，在喷头6设有加热机构61；

所述的送丝机构14设有送丝轮组141，送丝轮组141与送丝电机142连接，送丝电机142用于驱动送丝轮组141转动，料丝12从送丝轮组141之间穿过；

送丝电机142与分别与控制对应喷头6的控制芯片电连接，送丝电机142的运动转角与对应喷头6的X向电机5和Y向电机42的运动转角相关联，以根据对应喷头6的工作距离提供料丝12。例如，第一控制芯片101输出的X向电机5和Y向电机42的转角参数，即转化为相对应的送丝电机142的转角，其中X向电机5和Y向电机42均设有独立的转换系数。该系数由每台设备根据X向电机5和Y向电机42的传动比进行标定。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图6、7中，一种采用上述的多喷头3D打印控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、主控芯片100将工件15分割成多层结构，并根据工件15单层宽度和喷头6数量N，将工件15的单层图像分割成N×2列；如图6中所示，以6组喷头6为例，将单层图像分割成12列分别为交错布置的A1~A6和B1~B6。

S2、主控芯片100将初始列及其相隔列的单层图像发送至各个喷头6对应的控制芯片；以图6中为例，初始列及其相隔列就是指A1~A6列。本例中所述的主控芯片100和控制芯片是指整个控制总成，它包括芯片、储存系统以及外围辅助电路，例如总线控制器等。

S3、各个喷头6对应的控制芯片控制对应的X向电机5、Y向电机42和送丝电机142开始打印当前图像；

S4、当各个喷头6完成当前图像的打印工作，主控芯片100控制换行气缸8切换到初始列的相邻列；以图6中为例，初始列的相邻列为B1列。

S5、主控芯片100将初始列的相邻列及其相隔列的单层图像发送至各个喷头6对应的控制芯片；以图6中为例，初始列的相邻列及其相隔列为B1~B6列。

S6、各个喷头6对应的控制芯片控制对应的X向电机5、Y向电机42和送丝电机142开始打印当前图像；

S7、当各个喷头6完成当前图像的打印工作，主控芯片100控制Z向电机2，驱动工件平台3下降一层，开始打印工件15的下一层图像；

由此步骤，直至完成整个工件的3D打印。

优选的方案中，送丝电机142的运动转角与对应喷头6的X向电机5和Y向电机42的运动转角相关联；以第一控制芯片101为例，当第一控制芯片101输出的X向电机5和Y向电机42的转角参数，即转化为相对应的送丝电机142的转角，其中X向电机5和Y向电机42均设有独立的转换系数。该系数由每台设备根据X向电机5和Y向电机42的传动比进行标定。即确保喷头6运动一段距离，则送丝电机142则相应精确供应适当的料丝12。

各个喷头6根据优化路径打印当前图像，所述的优化路径是指喷头6的运行路径尽量使料丝12在喷出后具有足够的冷却时间，然后再喷相邻的料丝12。例如，规划的路径为先交错喷相隔位置的料丝12，然后再在两根料丝之间填入料丝。

经测试，采用本发明的方案制作骨科外科敷料，与单喷头的方案相比，在质量保持相同的前提下，效率提高3~5倍，具体提高效率与敷料的尺寸相关。与共用Y轴的多喷头方案相比，效率提高1.5~2倍。尤其是对于不同规格的敷料，能够大幅节省前期预处理时间，包括图像处理和编程时间。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多喷头3D打印控制系统，包括支架（1），其特征是：喷头支架（13）与支架（1）活动连接，喷头支架（13）与支架（1）之间沿Y向相对往复运动，换行气缸（8）一端与喷头支架（13）连接，另一端与支架（1）连接；

喷头支架（13）上设有多个沿着X轴运行的X向小车（4），在每个X向小车（4）上设有喷头（6），喷头（6）与X向小车（4）之间沿Y向相对往复运动；

还设有主控装置，主控装置设有主控芯片（100），主控芯片（100）与多个控制芯片电连接，各个控制芯片分别用于控制各个X向小车（4）和喷头（6）的行走；

主控芯片（100）还与换行气缸（8）的控制阀电连接，用于控制换行气缸（8）的伸缩动作。

2.根据权利要求1所述的一种多喷头3D打印控制系统，其特征是：还设有工件平台（3），工件平台（3）位于喷头支架（13）下方，工件平台（3）与升降驱动机构连接。

3.根据权利要求2所述的一种多喷头3D打印控制系统，其特征是：所述的升降驱动机构的结构为，工件平台（3）通过竖直导轨（22）与支架（1）滑动连接，工件平台（3）上固设有螺母（23）；

丝杆（21）两端通过轴承（24）支承在支架（1）上，丝杆（21）与螺母（23）螺纹连接，Z向电机（2）的输出轴与丝杆（21）固定连接，Z向电机（2）固定安装在支架（1）上；

主控芯片（100）与Z向电机（2）电连接，用于控制Z向电机（2）。

4.根据权利要求3所述的一种多喷头3D打印控制系统，其特征是：所述的Z向电机（2）为伺服电机；

在支架（1）上设有上限位开关（7）和下限位开关（11），上限位开关（7）和下限位开关（11）位于工件平台（3）行程的两端，上限位开关（7）和下限位开关（11）与主控芯片（100）电连接，用于限制工件平台（3）的行程。

5.根据权利要求1所述的一种多喷头3D打印控制系统，其特征是：换行气缸（8）设有两个工作位置，即换行气缸（8）沿Y向行程范围的两端；

喷头（6）与X向小车（4）之间的Y向行程范围大于换行气缸（8）的行程范围。

6.根据权利要求1所述的一种多喷头3D打印控制系统，其特征是：在喷头支架（13）上设有多个X向导轨（54），多个X向小车（4）分别与各个X向导轨（54）滑动连接；

在喷头支架（13）的设有多个主动轮（51），主动轮（51）与X向电机（5）连接，在与主动轮（51）相对的另一端设有多个从动轮（52），主动轮（51）与从动轮（52）之间通过同步带（53）连接，各个X向小车（4）分别与各个同步带（53）固定连接，以驱动X向小车（4）沿着X向往复运动；

X向小车（4）的结构为：X向小车（4）上设有沿Y向的Y向导轨，喷头（6）与Y向导轨滑动连接，在X向小车（4）上固设有Y向电机（42），Y向电机（42）通过传动机构与喷头（6）连接，以驱动喷头（6）沿Y向往复运动。

7.根据权利要求1或6任一项所述的一种多喷头3D打印控制系统，其特征是：在X向小车（4）的车体（41）上设有平行的第一Y向导轨（45）和第二Y向导轨（46），喷头（6）与Y向导轨滑动连接；

Y向电机（42）通过同步带传动机构（44）与齿轮（43）固定连接；

在喷头（6）上设有齿条（47），齿条（47）与齿轮（43）啮合连接。

8.根据权利要求1所述的一种多喷头3D打印控制系统，其特征是：还设有料丝（12）的供应装置，在支架（1）上设有多个支承轮（9），线盘（10）支承在支承轮（9）上；

在支架（1）上还设有送丝机构（14），料丝（12）穿过送丝机构（14）与喷头（6）连接，在喷头（6）设有加热机构（61）；

所述的送丝机构（14）设有送丝轮组（141），送丝轮组（141）与送丝电机（142）连接，送丝电机（142）用于驱动送丝轮组（141）转动，料丝（12）从送丝轮组（141）之间穿过；

送丝电机（142）与分别与控制对应喷头（6）的控制芯片电连接，以根据对应喷头（6）的工作距离提供料丝（12）。

9.一种采用权利要求1~8任一项所述的多喷头3D打印控制系统的控制方法，其特征是包括以下步骤：

S1、主控芯片（100）将工件（15）分割成多层结构，并根据工件（15）单层宽度和喷头（6）数量N，将工件（15）的单层图像分割成N×2列；

S2、主控芯片（100）将初始列及其相隔列的单层图像发送至各个喷头（6）对应的控制芯片；

S3、各个喷头（6）对应的控制芯片控制对应的X向电机（5）、Y向电机（42）和送丝电机（142）开始打印当前图像；

S4、当各个喷头（6）完成当前图像的打印工作，主控芯片（100）控制换行气缸（8）切换到初始列的相邻列；

S5、主控芯片（100）将初始列的相邻列及其相隔列的单层图像发送至各个喷头（6）对应的控制芯片；

S6、各个喷头（6）对应的控制芯片控制对应的X向电机（5）、Y向电机（42）和送丝电机（142）开始打印当前图像；

S7、当各个喷头（6）完成当前图像的打印工作，主控芯片（100）控制Z向电机（2），驱动工件平台（3）下降一层，开始打印工件（15）的下一层图像；

由此步骤，完成整个工件的3D打印。

10.根据权利要求9所述的一种多喷头3D打印控制系统的控制方法，其特征是：送丝电机（142）的运动转角与对应喷头（6）的X向电机（5）和Y向电机（42）的运动转角相关联；

各个喷头（6）根据优化路径打印当前图像，所述的优化路径是指喷头（6）的运行路径尽量使料丝（12）在喷出后具有足够的冷却时间，然后再喷相邻的料丝（12）。

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