CN114801182A - 基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，运动控制器将空间曲线轨迹数据分解为打印头移动系统的运动数据、Stewart并联机构平台的运动数据和打印材料挤出系统的运动数据，并将打印头移动系统的运动数据、Stewart并联机构平台的运动数据和打印材料挤出系统的运动数据发送至对应的打印头移动系统、Stewart并联机构平台和打印材料挤出系统；打印头移动系统、Stewart并联机构平台和打印材料挤出系统按照对应的打印头移动系统的运动数据、Stewart并联机构平台的运动数据和打印材料挤出系统的运动数据进行运动。本发明将Stewart并联机构平台、打印头移动系统以及打印材料挤出系统进行更高精度的控制。
Description
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体涉及基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法。
背景技术
3D打印技术通过逐层堆积的方式成型，克服了零件制造的几何限制，然而这种定向构建方式会导致零件存在阶梯效应，强度不足以及需要添加支撑结构等一系列问题。为了解决传统层式打印存在的问题，需要开发多轴3D打印技术。多轴带来的多自由度的打印模式允许更灵活的打印轨迹设计和更丰富的机构设计，可以对零件进行动态构建，提高了零件制造灵活性，同时克服了传统层式打印的限制，对于零件力学性改善、去支撑化以及消除阶梯效应都有很好的应用前景。目前部分3D打印设备上已配备串联机器人，且取得了不错的效果，但串联机器人的结构带来了一些缺点，如负载能力低、有累计的位置误差以及刚性低等，所以在3D打印上有一定的局限性。
Stewart并联机构平台属于并行机器人平台的一种，拥有六个灵活运动的自由度，两两成对与平台基板连接形成三个支点，通过六个电缸的协调控制可以实现平台基板六个自由度的运动，Stewart并联机构平台具有刚度大、承载能力强和位置误差不累计等特点。
在传统的设备中，机器人的控制往往由专用的控制器完成，外部的打印头移动以及打印材料的挤出控制由另一个控制器来控制，这中控制模式使得机器人的控制与打印头及打印成材料挤出的控制之间存在着周期性的误差，无法形成高精度的位置耦合，从而影响了打印物的打印精度。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，将Stewart并联机构平台、打印头移动系统以及打印材料挤出系统进行更高精度的控制，通过打印头和Stewart并联机构平台进行位置及位姿变换的配合，使打印头始终处于打印曲面的法线方向，按照打印数据进行空间曲线的运动，完成3D打印工作。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，应用于基于Stewart并联机构平台的3D打印系统，所述基于Stewart并联机构平台的3D打印系统包括运动控制器以及分别与所述运动控制器连接的Stewart并联机构平台、打印头移动系统和打印材料挤出系统，控制方法包括：
所述运动控制器获取3D打印参数，所述3D打印参数包括空间曲线轨迹数据；
所述运动控制器将所述空间曲线轨迹数据分解为所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据，并将所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据发送至对应的所述打印头移动系统、所述Stewart并联机构平台和所述打印材料挤出系统；
所述打印头移动系统、所述Stewart并联机构平台和所述打印材料挤出系统按照对应的所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据进行运动。
进一步地，所述运动控制器将所述空间曲线轨迹数据分解为所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据，具体为：
所述运动控制器按照打印头与Stewart并联机构平台空间位置的耦合关系，将所述空间曲线轨迹数据分解为所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据。
进一步地，所述运动控制器通过工业以太网分别与所述运动控制器连接的Stewart并联机构平台、打印头移动系统和打印材料挤出系统连接。
进一步地，所述打印头移动系统包括一台电机驱动器和一台电机，所述打印头移动系统的电机驱动器接收所述打印头移动系统的运动数据指令，并发送给所述打印头移动系统的电机，所述打印头移动系统的电机按照所述打印头移动系统的运动数据指令进行旋转。
进一步地，所述Stewart并联机构平台包括六台电机驱动器和六台电机，所述Stewart并联机构平台的每台电机驱动器接收所述Stewart并联机构平台的运动数据指令，并发送给所述Stewart并联机构平台的对应电机，所述Stewart并联机构平台的每台电机按照所述Stewart并联机构平台的运动数据指令进行旋转。
进一步地，所述打印材料挤出系统包括一台电机驱动器和一台电机，所述打印材料挤出系统的电机驱动器接收所述打印材料挤出系统的运动数据指令，并发送给所述打印材料挤出系统的电机，所述打印材料挤出系统的电机按照所述打印材料挤出系统的运动数据指令进行旋转。
进一步地，所述3D打印参数还包括打印材料温度控制数据。
进一步地，所述打印材料挤出系统的电机驱动器和电机按照所述运动控制器的控制周期将电机的力矩反馈给所述运动控制器，所述运动控制器将反馈的所述力矩作为温度控制参数，进行打印材料的温度控制。
进一步地，控制方法还包括：
将所述打印头移动系统、所述Stewart并联机构平台和所述打印材料挤出系统的运动状态数据反馈至所述运动控制器中进行比较并进行调整，形成闭环控制。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，将Stewart并联机构平台、打印头移动系统以及打印材料挤出系统进行更高精度的控制，通过打印头和Stewart并联机构平台进行位置及位姿变换的配合，使打印头始终处于打印曲面的法线方向，按照打印数据进行空间曲线的运动，完成3D打印工作。具体地说：①运动控制器同时控制Stewart并联机构平台的六台电机、打印头移动系统的一台电机和打印材料挤出系统一台电机，这种模式在一个运动控制器的运算周期对各个电机进行控制，各电机之间的耦合控制更加紧密，提高了控制精度；②运动控制器通过工业以太网发送运动数据至各个电机，同时各个电机将运动状态通过工业以太网反馈给运动控制器，按照运动控制器的运算周期形成对各个电机的闭环控制，提高控制精度；③以Stewart并联机构平台作为打印物的承放平台，打印头移动系统与Stewart并联机构平台的空间6自由度运动配合，使打印头始终处于打印曲面的法线方向，有效的提高了打印物的力学特性；④Stewart并联机构平台刚度大、承载能力强、位置误差不累计的特性使得可承受的打印物重量更大，打印物的精度更高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于Stewart并联机构平台的3D打印系统的控制系统结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
作为本发明的某一具体实施方式，如图1所示，基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，应用于基于Stewart并联机构平台的3D打印系统，基于Stewart并联机构平台的3D打印系统包括运动控制器以及分别与运动控制器连接的Stewart并联机构平台、打印头移动系统和打印材料挤出系统，优选的，运动控制器通过工业以太网分别与运动控制器连接的Stewart并联机构平台、打印头移动系统和打印材料挤出系统连接。
具体的说，控制方法包括：
运动控制器接收3D打印参数，3D打印参数包括空间曲线轨迹数据和打印材料温度控制数据等。
运动控制器将空间曲线轨迹数据分解为打印头移动系统的运动数据、Stewart并联机构平台的运动数据和打印材料挤出系统的运动数据，并按照运动控制器的运算周期，通过工业以太网将打印头移动系统的运动数据、Stewart并联机构平台的运动数据和打印材料挤出系统的运动数据发送至对应的打印头移动系统、Stewart并联机构平台和打印材料挤出系统。优选的，运动控制器按照打印头与Stewart并联机构平台空间位置的耦合关系，将空间曲线轨迹数据分解为打印头移动系统的运动数据、Stewart并联机构平台的六台电机的运动数据和打印材料挤出系统的运动数据。
打印头移动系统、Stewart并联机构平台和打印材料挤出系统按照对应的打印头移动系统的运动数据、Stewart并联机构平台的运动数据和打印材料挤出系统的运动数据进行运动。
更加优选的，通过工业以太网将打印头移动系统、Stewart并联机构平台和打印材料挤出系统的运动状态数据反馈至运动控制器中进行比较并进行调整，形成闭环控制。
其中，Stewart并联机构平台包括6台电机驱动器和6台电机，6台电机驱动器接收运动控制器的Stewart并联机构平台的运动数据指令并发送给对应的电机，6台电机按照驱动器指令进行旋转，电机的旋转由电缸转换为直线运动，直线运动通过机械机构的相互耦合形成了Stewart并联机构平台的空间位置及位姿的变化，形成六个自由度的运动。
其中，打印头移动系统包括1台电机驱动器和1台电机，驱动器接收运动控制器的打印头移动系统的运动数据指令发送给电机，电机按照驱动器指令进行旋转，电机的旋转由电缸转换为直线运动，实现打印头按照运动控制器的指令运动。
其中，打印材料挤出系统包括1台电机驱动器和1台电机，驱动器接收运动控制器的打印材料挤出系统的运动数据指令发送给电机，电机按照驱动器指令进行旋转，电机的旋转将打印材料挤出。同时，电机及电机驱动器按照运动控制器的控制周期将电机的力矩反馈给运动控制器，运动控制器将反馈的力矩作为温度控制参数，进行打印材料的温度控制。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，应用于基于Stewart并联机构平台的3D打印系统，所述基于Stewart并联机构平台的3D打印系统包括运动控制器以及分别与所述运动控制器连接的Stewart并联机构平台、打印头移动系统和打印材料挤出系统，其特征在于，控制方法包括：
所述运动控制器获取3D打印参数，所述3D打印参数包括空间曲线轨迹数据；
所述运动控制器将所述空间曲线轨迹数据分解为所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据，并将所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据发送至对应的所述打印头移动系统、所述Stewart并联机构平台和所述打印材料挤出系统；
所述打印头移动系统、所述Stewart并联机构平台和所述打印材料挤出系统按照对应的所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据进行运动。
2.根据权利要求1所述的基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，其特征在于，所述运动控制器将所述空间曲线轨迹数据分解为所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据，具体为：
所述运动控制器按照打印头与Stewart并联机构平台空间位置的耦合关系，将所述空间曲线轨迹数据分解为所述打印头移动系统的运动数据、所述Stewart并联机构平台的运动数据和所述打印材料挤出系统的运动数据。
3.根据权利要求1所述的基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，其特征在于，所述运动控制器通过工业以太网分别与所述运动控制器连接的Stewart并联机构平台、打印头移动系统和打印材料挤出系统连接。
4.根据权利要求1所述的基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，其特征在于，所述打印头移动系统包括一台电机驱动器和一台电机，所述打印头移动系统的电机驱动器接收所述打印头移动系统的运动数据指令，并发送给所述打印头移动系统的电机，所述打印头移动系统的电机按照所述打印头移动系统的运动数据指令进行旋转。
5.根据权利要求1所述的基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，其特征在于，所述Stewart并联机构平台包括六台电机驱动器和六台电机，所述Stewart并联机构平台的每台电机驱动器接收所述Stewart并联机构平台的运动数据指令，并发送给所述Stewart并联机构平台的对应电机，所述Stewart并联机构平台的每台电机按照所述Stewart并联机构平台的运动数据指令进行旋转。
6.根据权利要求1所述的基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，其特征在于，所述打印材料挤出系统包括一台电机驱动器和一台电机，所述打印材料挤出系统的电机驱动器接收所述打印材料挤出系统的运动数据指令，并发送给所述打印材料挤出系统的电机，所述打印材料挤出系统的电机按照所述打印材料挤出系统的运动数据指令进行旋转。
7.根据权利要求6所述的基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，其特征在于，所述3D打印参数还包括打印材料温度控制数据。
8.根据权利要求7所述的基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，其特征在于，所述打印材料挤出系统的电机驱动器和电机按照所述运动控制器的控制周期将电机的力矩反馈给所述运动控制器，所述运动控制器将反馈的所述力矩作为温度控制参数，进行打印材料的温度控制。
9.根据权利要求1所述的基于Stewart并联机构平台的3D打印系统控制方法，其特征在于，控制方法还包括：
将所述打印头移动系统、所述Stewart并联机构平台和所述打印材料挤出系统的运动状态数据反馈至所述运动控制器中进行比较并进行调整，形成闭环控制。
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