WO2015014290A1

WO2015014290A1 - 闭环控制熔融沉积成型高速3d打印机及闭环控制方法

Info

Publication number: WO2015014290A1
Application number: PCT/CN2014/083358
Authority: WO
Inventors: 刘海川; 袁振国; 林进发
Original assignee: 磐纹科技（上海）有限公司
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US20160167309A1

Abstract

本发明涉及一种闭环控制熔融沉积成型高速3D打印机及闭环控制方法，属于3D打印技术领域。由于该3D打印机具有光栅模块，其中的光栅尺固定在机框上，光栅读取器随着行走机构运动，则可得到挤出喷头的精确机械位移信息。在十字形打印行走机构中，通过闭环控制的补偿，实现对于行走机构的精确运动补偿，提高挤出喷头位置的精确度，从而大幅提高3D打印精度，能够满足高精度打印的技术要求，且本发明的闭环控制熔融沉积成型高速3D打印机，其结构相对简单，成本低廉，本发明的控制方法，实现方式简单，应用范围也相当广泛。

Description

闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机及闭环控制方法

技术领域

本发明涉及 3D打印技术领域，特别涉及 3D打印机结构及 3D打印控制方法技术领域，具体是指一种闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机及闭环控制方法。背景技术

熔融沉积成型法 (FDM, Fused Deposition Modeling)是一种 3D打印常用的工艺。这种方法是通过 XY行走机构控制的加热头，按照零件三维模型每一预设厚度切片层数据的轮廓及填充轨迹，挤出熔化的丝状材料，如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝于基板或已固化的材料上，从而使熔化的材料沉积固化，这样逐层生成出所需要的零件。

现有的釆用熔融沉积成型法的 3D打印机，其缺点在于，带动喷头的运动机构由于结构或控制等关系，会产生一定的误差，在应用于高精度要求的产品打印时，就难以满足相关的技术要求。

光栅电子细分技术的实现机构包括光栅尺和光栅读取器，其工作原理是基于物理学的莫尔条紋原理，如图 1所示。当光栅读取器上的线紋与光栅尺上的线紋成某个很小的角度 Θ时，两个光栅上的线紋会互相交叉。在平行光的照射下，可以看到与光栅线紋垂直、明暗相间的条紋就是莫尔条紋。

图 1中， W为莫尔条紋的宽度， d为光栅的栅距，则有以下几何关系： sin^

当 Θ很小时，取 sine « Θ, 上式可近似写成：

d

W =—

Θ

若取 d=0.01mm, 9=0.01rad, 则由上式可得 W=lmm, 可见，利用莫尔条紋原理，能把细小的光栅距转换成为放大了 100倍的莫尔条纹的宽度。

当两个光栅连续发生相对移动时，莫尔条紋会沿着与光栅垂直的方向移动。两光栅相对移动一个栅距 d, 莫尔条紋便相应移动一个莫尔条紋宽度 W。当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条紋移动的方向也随之改变。

根据莫尔条紋原理，当光源为平行光时，通过莫尔条紋的光强度为余弦函数。若在光栅读取器的莫尔条紋移动方向上，选择两个通光窗口 A和 B , 则可以得到如图 2所示的两个相位相差 90度的余弦函数变化波形。

在光栅读取器中，釆用光敏元件将光强度信号转化为电信号，并将余弦信号转换为脉冲信号，则可以得到如图 2所示的两组相位差为 90度的脉冲信号。运动控制系统可以通过检测 A、 B相的脉冲信号，来得到两光栅的真实相对位移和方向。发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种利用光栅技术，有效补偿运动机构的运动误差，从而大幅提高打印精度，能够满足高精度打印的技术要求，且结构相对筒单，成本低廉，实现方式筒单，应用范围相当广泛的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机及闭环控制方法。

为了实现上述的目的，本发明的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机具有如下构成：机框；

打印行走机构 , 连接于所述的机框；

打印平台，连接于所述的打印行走机构；

挤出喷头，连接于所述的打印行走机构；

驱动模块，连接并驱动所述的打印行走机构；

光栅模块，固定于所述的机框和打印行走机构，用于检测挤出喷头的实际位移；以及控制模块，用于根据设定的打印数据控制所述的驱动模块，并根据所述的挤出喷头的实际位移与所述的打印数据之间的误差进行补偿控制。

该闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机中，所述的打印行走机构为具有相互垂直的 X 轴与 Y轴的十字形打印行走机构，所述的挤出喷头固定于所述的 X轴与 Y轴相交的位置并可在所述的驱动模块的控制下沿所述的 X轴和 Y轴移动。

该闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机中，所述的光栅模块包括：

X轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的 X轴；

Y轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的 Y轴；

X轴光栅读取器，固定于所述 Y轴上靠近所述的 X轴光栅尺的一端，并可随所述 Y轴的移动沿所述的 X轴光栅尺运动，且该 X轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的 X轴光栅尺读取挤出喷头沿 X轴的位移数据；

Y轴光栅读取器，固定于所述 X轴上靠近所述的 Y轴光栅尺的一端，并可随所述 X轴的移动沿所述的 Y轴光栅尺运动，且该 Y轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的 Y轴光栅尺读取挤出喷头沿 Υ轴的位移数据。

该闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机中，所述的驱动模块包括：

X轴电机，连接所述的控制模块，并在控制模块的控制下驱动所述的挤出喷头沿所述的

X轴运动；

Υ轴电机，连接所述的控制模块，并在控制模块的控制下驱动所述的挤出喷头沿所述的 Υ轴运动。

该闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机中，所述 X和 /或 Υ轴光栅尺的至少一端通过一光栅微调器固定至所述机框 , 所述光栅 4敫调器包括一固定块和一调节块：

所述固定块固定设置于所述机框上；

所述调节块与所述固定块可动连接，所述调节块进一步具有一用于容纳所述光栅尺的插槽。

该闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机中，所述的控制模块包括补偿控制单元，所述的 X轴电机和 Υ轴电机均为步进电机，所述的补偿控制单元根据下式确定所述的 X轴步进电机和 Υ轴步进电机补偿后的步数 Ν '：

, S (M - m)d , , , S (m- M )d , 、

Ν ' =— + - ―, (Μ > m) 或 N ' =— + ―, (m > M ) ;

P P P P

其中， S为挤出喷头需要移动的距离， p为步进电机每一步驱动挤出喷头移动的距离； d 为所述的光栅模块的栅距； M为根据打印数据挤出喷头移动距离 S所需走过的栅数， m为挤出喷头实际所需移动的栅数。

该闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机中，所述的打印行走机构为双十字形打印行走机构，该双十字形打印行走机构包括两根平行的 X轴和两根平行的 Y轴，所述的 X轴与 Y 轴垂直，所述的挤出喷头固定于所述的两根 X轴与两根 Y轴相交的位置。

该闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机中，所述的打印行走机构还包括 Z轴，所述的 Z 轴固定于所述的机框并垂直于所述的 X轴和 Y轴，所述的打印平台连接于所述的 Z轴，并可沿所述的 Z轴垂直运动。

本发明还提供一种利用所述的熔融沉积成型高速 3D打印机实现对于打印行走机构的闭环控制方法，该方法包括以下步骤：

( 1 )所述的驱动模块根据打印数据控制所述的打印行走机构移动；

( 2 )所述的光栅模块检测所述的挤出喷头的实际位移；

( 3 )所述的控制模块将所述的实际位移和打印数据比较，确定误差； ( 4 )所述的控制模块根据所述的误差控制所述的驱动模块进行补偿。

该利用熔融沉积成型高速 3D打印机实现对于打印行走机构的闭环控制方法中，所述的打印行走机构为具有相互垂直的 X轴与 Y轴的十字形打印行走机构，所述的驱动模块包括 X 轴步进电机和 Y轴步进电机，所述的控制模块包括补偿控制单元，所述的步骤（4 )具体包括以下步骤：

( 41 )所述的补偿控制单元根据下式确定所述的 X轴步进电机或 Y轴步进电机补偿后的步数 N '：

T , S (M _ m)d _{Λ (Γ} 、 ,- _τ , S (m- M )d , _{Λ ΐ}

Ν =— + - ―, (Μ > m) 或 Ν =— + - ―, (m > M ) ;

P P P P

其中， S为挤出喷头需要移动的距离， p为步进电机每一步驱动挤出喷头移动的距离； ^d 为所述的光栅模块的栅距； M为根据打印数据挤出喷头移动距离 S所需走过的栅数， m为挤出喷头实际所需移动的栅数；

( 42 )所述的补偿控制单元根据下式确定 X轴步进电机或 Y轴步进电机补偿步数 ΔΝ：

ΔΝ = N '- N ,

其中， N为根据打印数据挤出喷头移动距离 S时， X轴步进电机或 Y轴步进电机所需的步数。

该利用熔融沉积成型高速 3D打印机实现对于打印行走机构的闭环控制方法中，所述的打印行走机构为具有相互垂直的 X轴与 Y轴的十字形打印行走机构，所述的驱动模块包括 X 轴步进电机和 Y轴步进电机，所述的控制模块包括补偿控制单元，所述的步骤（3 )进一步包括在 X轴和 Y轴构成的十字轴与理想位置相差角度 δ的情况下，确定 X或 Υ轴的非垂直性误差步骤：

( 31 )仅控制 X轴移动位移 S_x, X轴的单轴运动通过中心滑块的耦合，会导致 Y轴产生相应的偏移量：

Ay = S_x in

( 32 )在 Y轴上检测此偏移量作为 Υ轴的非垂直性误差，用于步骤（ 4 ) 中对 Υ轴的位移进行修正；

以上步骤中 X和 Υ轴可互换。

利用了该发明的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机及闭环控制方法，由于该 3D打印机具有光栅模块，其中的光栅尺固定在机框上，光栅读取器随着行走机构运动，则可得到挤出喷头的精确机械位移信息。在 ΧΥ轴打印行走机构中，通过闭环控制的补偿，实现对于行走机构的精确运动补偿，提高挤出喷头位置的精确度，从而大幅提高 3D打印精度，能够满足高精度打印的技术要求，且本发明的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其结构相对筒单，成本低廉，本发明的控制方法，实现方式筒单，应用范围也相当广泛。附图说明

图 1为现有技术中光栅模块利用的莫尔条紋原理示意图。

图 2为附图 1所示 AB相位脉冲信号示意图。

图 3为本发明具体实施方式的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机的主视方向的结构示意图。

图 4为本发明具体实施方式的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机的侧视方向的结构示意图。

图 5为本发明具体实施方式的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机的十字形打印行走机构的结构示意图。

图 6为本发明具体实施方式的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机的打印行走机构的 Z 轴总成（包括打印平台）的结构示意图。

图 7为本发明具体实施方式的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机的打印行走机构中各轴通过铜套连接处结构示意图。

图 8为本发明具体实施方式的釆用的双十字形打印行走机构闭环补偿控制示意图。

图 9为本发明具体实施方式的 3D打印机的控制系统框图。

图 10为本发明具体实施方式中所釆用的双十字形打印行走机构的结构示意图。

附图 11为本发明具体实施方式中 X轴光栅尺和 Y轴光栅尺在理想状态和扭曲状态的坐标系对比。

附图 12为本发明具体实施方式中 X轴光栅尺的两端均设置光栅微调器的结构示意图。附图 13A为本发明具体实施方式中光栅 ^敫调器的结构示意图，附图 13B是附图 13A的仰视图。具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图 3及图 4所示，为本具体实施方式的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机的结构示意图。

在一种实施方式中，该闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机包括机框 1; 连接于所述的机框 1的打印行走机构 3; 连接于所述的打印行走机构 3的打印平台 2; 连接于所述的打印行走机构 3的挤出喷头 4; 连接并驱动所述的打印行走机构 3的驱动模块（未示出）；固定于所述的机框 1和打印行走机构 3 , 且用于检测挤出喷头 4的实际位移的光栅模块 5; 以及用于根据设定的打印数据控制所述的驱动模块，并根据所述的挤出喷头 4的实际位移与所述的打印数据之间的误差进行补偿控制的控制模块（未示出）。

利用该实施方式所述的熔融沉积成型高速 3D打印机实现对于打印行走机构的闭环控制方法包括以下步骤：

( 2 )所述的光栅模块检测固定于所述的打印行走机构的挤出喷头的实际位移；

( 3 )所述的控制模块根据所述的实际位移和打印数据比较结果，确定误差；

( 4 )所述的控制模块根据所述的误差控制所述的驱动模块进行补偿。

在一种较优选的实施方式中，所述的打印行走机构 3如图 5所示，为具有相互垂直的 X 轴 31与 Y轴 32的十字形打印行走机构，所述的挤出喷头 4固定于所述的 X轴 31与 Y相 32 交的位置并可在所述的驱动模块的控制下沿所述的 X轴 31和 Y轴 32移动。所述的驱动模块包括 X轴电机和 Y轴电机， X轴电机和 Y轴电机可以釆用步进电机，也可以釆用直流伺服电机或其它适用的电机。其中， X轴电机和 Y轴电机均连接所述的控制模块， X轴电机在控制模块的控制下驱动所述的挤出喷头 4沿所述的 X轴 31运动， Y轴电机则在控制模块的控制下驱动所述的挤出喷头 4沿所述的 Y轴 32运动。所述的光栅模块 5包括 X轴光栅尺 51、 Y 轴光栅尺 52、 X轴光栅读取器 53和 Y轴光栅读取器 54。其中， X轴光栅尺 51 固定于所述的机框 1 , 并平行于所述的 X轴 31 ; Y轴光栅尺 52固定于所述的机框 1 , 并平行于所述的 Y 轴 32; X轴光栅读取器 53固定于所述的 Y轴 32上靠近所述的 X轴光栅尺 51的一端，并可随所述 Y轴 32的移动沿所述的 X轴光栅尺 51运动，且该 X轴光栅读取器 53连接所述的控制模块，用以配合所述的 X轴光栅尺 51读取挤出喷头 4沿 X轴 31的位移数据； Y轴光栅读取器 54则固定于所述的 X轴 31上靠近所述的 Y轴光栅尺 52的一端，并可随所述 X轴 31 的移动沿所述的 Y轴光栅尺 52运动，且该 Y轴光栅读取器 54连接所述的控制模块，用以配合所述的 Y轴光栅尺 52读取挤出喷头 4沿 Y轴 32的位移数据。同时，所述的控制模块包括补偿控制单元，所述的 X轴电机和 Y轴电机在均釆用步进电机的情况下，所述的补偿控制单元根据下式确定所述的 X轴步进电机和 Y轴步进电机补偿后的步数 N '：

, S (M - m)d , , , S (m- M )d , 、

Ν ' =— + - ―, (Μ > m) 或 N ' =— + ―, (m > M ) ;

P P P P 其中， S为挤出喷头 4需要移动的距离， p为步进电机每一步驱动挤出喷头 4移动的距离； d为所述的光栅模块 5的栅距； M为根据打印数据挤出喷头 4移动距离 S所需走过的栅数， m为挤出喷头 4实际所需移动的栅数。

在上述实施方式中，当 X轴光栅尺 51、 Y轴光栅尺 52严格垂直时，将在 X、 Y所在平面构建理想的直角坐标系，坐标系的最小刻度为光栅尺的栅距。然而，由于机械误差的存在，安装于机框两个侧面的 X轴光栅尺 51、 Y轴光栅尺 52难以保证完全垂直，此时直角坐标系将产生菱形扭曲，从而影响打印模型的最终形状和精确度。请参考附图 11是 X轴光栅尺 51 和 Y轴光栅尺 52在理想状态和扭曲状态的坐标系对比。

为了避免上述情况发生，一种优选的实施方式是在所述 X和 /或 Y轴光栅尺的至少一端通过一光栅微调器固定至所述机框。以下以 X轴光栅尺 51为例进行叙述。附图 12所示是 X 轴光栅尺 51的两端均设置光栅微调器 121和 122的结构示意图。在其它的具体实施方式中，也可以仅在 X轴光栅尺 51的一端设置光栅微调器。

参考附图 13A所示是光栅微调器 121的结构示意图，附图 13B是附图 13A的仰视图。所述光栅 4敫调器 121包括一固定块 131和一调节块 132。所述固定块 131可以通过螺接或者卡接的方式固定设置于所述机框 1上，两者之间为固接。而所述调节块 132与所述固定块 131 之间为可动连接。附图 13A和附图 13AB所示的方式是所述调节块 132设置在所述固定块 131 的一螺孔内，并通过一个一字槽 133来调节彼此之间的相对位置。所述调节块 132进一步具有一用于容纳所述 X轴光栅尺 51的插槽 134。通过所述一字槽 133旋转所述调节块 132 , 可以改变插槽 134和所述固定块 131之间的相对位置，从而调节所述 X轴光栅尺 51的位置，使其和 Y轴光栅尺 52严格垂直。调节块 132也可以釆用类似的结构。

在 Y轴光栅尺 52的两端也可以包括上述的光栅 ^敫调器，从而对 Y轴光栅尺 52的位置做出调整，使其和 X轴光栅尺 51严格垂直。

利用该较优选的实施方式所述的熔融沉积成型高速 3D打印机实现对于打印行走机构的闭环控制方法中，所述的步骤（4 )具体包括以下步骤：

T , S (M _ m)d ₍、 _λ ,. _τ , S (m - M )d _{( Λ Γ λ}

Ν =— + - ―, (Μ > m) 或 Ν =— + - ―, (m > M ) ;

P P P P

其中， S为挤出喷头 4需要移动的距离， p为步进电机每一步驱动挤出喷头移动的距离； d为所述的光栅模块 5的栅距； M为根据打印数据挤出喷头移动距离 S所需走过的栅数， m 为挤出喷头实际所需移动的栅数；

ΔΝ = N '- N ,

其中， N为根据打印数据挤出喷头 4移动距离 S时， X轴步进电机或 Y轴步进电机所需的步数。

在一种进一步优选的实施方式中，所述的打印行走机构 3为如图 10所示的双十字形打印行走机构，该双十字形打印行走机构 3包括两根平行的 X轴 31和两根平行的 Y轴 32, 所述的 X轴 31与 Y轴 32垂直，所述的挤出喷头 4固定于所述的两根 X轴 31与两根 Y轴 32相交的位置。

在一种更优选的实施方式中，如图 6所示，所述的打印行走机构还包括 Z轴 33 , 所述的 Z轴 33固定于所述的机框 1并垂直于所述的 X轴 31和 Y轴 32,所述的打印平台 2连接于所述的 Z轴 33 , 并可沿所述的 Z轴 33垂直运动。

在本发明的应用中，本发明涉及的高速熔融沉积成型 3D打印机包括由一个流线型 C形框架、背板、前面板焊接成型的整体钢框架结构组成的打印机成型室主体，框架结构上安装 X、 Y双 "十" 字打印行走机构以及 Z轴总成。打印机面板上固定安装有 LCD液晶屏幕，旋转编码开关， SD读卡器等。成型室下部为整体焊接电器箱，与成形室紧密结合，通过沉头螺丝固定成为一个整体刚性框架结构。挤出喷头安装在双 "十" 字轴中心滑块上，滑块上安装有直线运动的滚珠轴承或衬套作为滑动轴承与滑动轴结合，有效地减小了配合间隙。 "十" 字轴中心滑块下部安装有阻热套、环形隔热块、加热喷嘴等组成挤出喷头。

打印行走机构釆用独特的 XY轴双十字轴设计，也可以进一步由八根光轴组成如图 5所示的 "田" 字形架构，打印喷嘴安装在双十字轴中心滑块上，负载均匀分布在 X和 Y轴上。这样的设计使得驱动电机负载较平衡且负载很轻 , 打印速度得以提升。其中四根光轴组成外围的 "口" 字形结构，分别为 X动力 - Y滑行轴、 X随动 - Y滑行轴、 Y动力 -X滑行轴、 Y随动 -X滑行轴。另外四根光轴组成双 "十" 字形结构，分别为 X滑行轴和 Y滑行轴。

XY打印行走机构的运行原理为： X轴步进电机通过同步带带动 "X动力 -Y滑行轴" 旋转运动， "X动力 -Y滑行轴" 通过同步带带动 "X随动 -Y滑行轴" 旋转运动，滑块与两侧同步带固定。这样，滑块就可以做直线运动。 Y滑行轴通过两侧滑块固定，与滑块同步运动。这样十字轴中心滑块就可以沿着 "X滑行轴" 做直线运动。形成 X方向运动。

同样的， Y轴步进电机通过同步带带动 "Y动力 -X滑行轴" 旋转运动， "Y动力 -X滑行轴" 通过同步带带动 "Y随动 -X滑行轴" 旋转运动，滑块与两侧同步带固定。这样，滑块就可以做直线运动。 X滑行轴通过两侧滑块固定，与滑块同步运动。这样 "X滑行轴" 带动十字轴中心滑块就可以沿着 "Y滑行轴" 做直线运动。形成 Y方向运动。

为了保证了 X向与 Y向的平行和垂直使安装在十字轴中心滑块上的喷嘴运动顺滑，提高运行精度，需要确定各个传动轴之间的相对关系。

X轴和 Y轴均釆用 42步进电机驱动，电机轴和动力轴上均安装有同步带轮，各个同步轮齿数比为 1: 1 , 釆用 S2M弧形齿同步带，齿距为 2mm。同步轮齿数为 .20。步进电机的步距角为 1.8度，釆用最大 1/128细分控制电路驱动。当设置为 1/32细分时，可计算出 X轴与 Y轴运动的最小分辨率为：

(2x20)/(360/1.8x32) =0.00625 mm

即 6.25微米，此分辨率已满足对 XY运动机构进行精确定位控制的要求。

本发明结构筒单可靠，有效保证了 X动力 -Y滑行轴， X随动 -Y滑行轴， Y动力 -X滑行轴和 Y随动 -X滑行轴与 X滑行轴和 Y滑行轴之间的平行度和垂直度。

为了达到上述目的，如图 7所示，在 Y动力 -X滑行轴和 Y随动 -X滑行轴上分别套上一根铜套，此铜套与该轴滑动配合，再将 Y滑行轴压在该两铜套上，这样 Y动力 -X滑行轴和 Y 随动 -X滑行轴与 Y滑行轴之间的轴心平行度得到保证，另一端的 X动力 -Y滑行轴和 X随动 -Y轴与 X滑行轴也是如此安装。双 "十" 字轴与 "口" 字轴的连接方式釆用光轴相切接触的方式，这样可以保证轴间距的一致性，从而使 XY轴十字行走机构的平面度得以很好保证。

本发明的 3D打印机的行走机构的 Z轴部分，如图 6所示，由两根 12mm直径光轴、一根 12mm直径 4mm螺距滚珠丝杆、支撑座以及打印平台组成机构总成。两根光轴及丝杆均由支撑座安装在一块独立的 Z轴背板上，这样很好地解决了 Z轴三根轴装配时（两根光轴一根丝杆）的平行度问题，保证了 Z轴运动精度。 Z轴总成通过螺栓固定在机框背板上。

控制系统通过检测光栅模块 A、 B相的脉冲信号，来得到两光栅的真实相对位移和方向。当光栅尺固定在机框上，光栅头随着位移滑块而运动，则可得到滑块的精确机械位移信息。在 XY运动机构中，通过闭环控制的补偿，可以实现滑块的精确同步运动，提供运动流畅性和精确度。

( 1 )运动方向的检测

假设 A、 B相脉冲的相位分别为 φ_Α, φ_Β, 以 Α相脉冲为参考，取向左为正方向，则若 φ_Α〉φ_Β, 则滑块向左运动；

若 φ_Α < φ_Β, 则滑块向右运动，以此来检测滑块的运动方向。

( 2 )运动位移的修正以 X轴运动为例，设 X轴运动最小分辨率为 p mm,即步进电机每走一步，滑块移动 p mm。假设某次运动控制过程需要滑块移动距离为 S , 则若釆用开环控制，可直接计算所需的步进电机运动步数为：

P

设光栅尺的栅距为 d, 则滑块移动距离 S所需走过的栅数为： d

当控制步进电机走过步数 N后，通过对脉冲计数可以得到滑块实际走过的栅数 m, 每走过一个栅距，脉冲数加 1。

理想情况下， m = M, 但由于开环控制的误差存在，实际 m≠M。

当 m < M时，需要增大步进电机运动步数，修正公式为：

Ν ' = Ν +ΔΝ

_ S _| (M -m)d

P P

当 m > M时，需要减小步进电机运动步数，修正公式为：

Ν ' = Ν -ΔΝ

_ S _| (m- M )d

P P

修正后，可以测得滑块实际走过的栅数 m' = M, 从而精确控制滑块移动距离 S。

( 3 ) XY运动机构闭环控制

如图 8所示，本发明的 XY运动机构中，要求四根光轴构成的 "口" 字型结构与双 "十" 字中心轴结构相互垂直，以保证运动系统的 X、 Y方向为理想的垂直关系。但由于机械误差、电机失步、皮带伸缩等因素的存在，这两个结构可能会出现不完全垂直的情况。

i设双 "十" 字轴与理想位置相差角度 δ , 某次运动中，仅控制 X轴移动位移 S_x, 如下图所示。由于误差角度 δ的存在， X轴的单轴运动，通过中心滑块的耦合，会导致 Υ轴产生相应的偏移量：

Ay = S_x in

当釆用开环控制方式时，此偏移量无法检测，也无法消除。闭环控制的引入，使得此偏移量可被 Y轴的光栅检测到，从而通过闭环控制算法进行实时修正。当 Y轴进行单轴运动造成 X轴偏移时，亦可通过 X轴的光栅进行检测和正。

这样，就可以对由于皮带伸缩、电机机械步距不均等原因造成的位移误差进行补偿，从而实现 XY运动机构的精确控制，极大地提高打印的精细度、均匀性和可靠性。本发明的 3D打印机的控制系统框图如图 9所示。需要进行打印的三维模型数据通过分层切片软件转换为 G代码，然后经过打印控制程序由 USB端口传输或直接由 SD卡读取。主控制器主要进行通讯协议处理、命令解释、编码器解码、运动控制算法实现、电机控制、温度控制以及人机交互控制等。其中 X、 Υ、 Ζ电机控制三坐标机构的运动， El、 Ε2电机分别控制第一和第二个送丝机构。 X、 Υ、 Ζ的实际位置信息通过光栅编码器读取，并反馈给主控制器，经由运动控制算法和闭环控制算法实现全闭环的三维坐标精确定位。

喷嘴的温度由一个 Κ型热电偶读取，经过放大器转换为主控器读取的电压信号。喷嘴的温度控制由主控器内部的 PID模糊控制算法精确控制。打印平台由安装在平台下方的加热板进行加热，以提高模型在打印平台上的附着力。打印平台的温度同样由温度传感器读取到主控制器，然后由 PID算法进行温控。

制冷装置通过对风扇或气泵的供电进行调节来实现强度变化，控制信号釆用脉冲宽度调制（PWM )方式，由主控制器产生控制信号连接到驱动电路。主控制器内部的温度控制算法通过读取温度传感器的反馈 , 同样对制冷装置的控制信号进行调节，从而实现温度的完全闭环控制。

利用了该发明的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机及闭环控制方法，由于该 3D打印机具有光栅模块，其中的光栅尺固定在机框上，光栅读取器随着行走机构运动，则可得到挤出喷头的精确机械位移信息。在 ΧΥ轴打印行走机构中，通过闭环控制的补偿，实现对于行走机构的精确运动补偿，提高挤出喷头位置的精确度，从而大幅提高 3D打印精度，能够满足高精度打印的技术要求，且本发明的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其结构相对筒单，成本低廉，本发明的控制方法，实现方式筒单，应用范围也相当广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

权利要求书

1、一种闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其包括：

机框；

打印行走机构 , 连接于所述的机框；

打印平台，连接于所述的打印行走机构；

挤出喷头，连接于所述的打印行走机构；

驱动模块，连接并驱动所述的打印行走机构；

其特征在于，还包括：

光栅模块，固定于所述的机框和打印行走机构，用于检测所述挤出喷头的实际位移；以及

控制模块，用于根据设定的打印数据控制所述的驱动模块，并根据所述的挤出喷头的实际位移与所述的打印数据之间的误差进行补偿控制。

2、根据权利要求 1所述的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其特征在于，所述的打印行走机构为具有相互垂直的 X轴与 Y轴的十字形打印行走机构，所述的挤出喷头固定于所述的 X轴与 Y轴相交的位置并可在所述的驱动模块的控制下沿所述的 X轴和 Y轴移动。

3、根据权利要求 2所述的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其特征在于，所述的光栅模块包括：

X轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的 X轴；

Y轴光栅尺，固定于所述的机框，并平行于所述的 Y轴；

X轴光栅读取器，固定于所述的 Y轴上靠近所述的 X轴光栅尺的一端，并可随所述 Y轴的移动沿所述的 X轴光栅尺运动，且该 X轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的 X轴光栅尺读取挤出喷头沿 X轴的位移数据；以及

Y轴光栅读取器，固定于所述的 X轴上靠近所述的 Y轴光栅尺的一端，并可随所述 X轴的移动沿所述的 Y轴光栅尺运动，且该 Y轴光栅读取器连接所述的控制模块，用以配合所述的 Y轴光栅尺读取挤出喷头沿 Y轴的位移数据。

4、根据权利要求 3所述的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其特征在于，所述的驱动模块包括：

X轴电机，连接所述的控制模块，并在控制模块的控制下驱动所述的挤出喷头沿所述的 X轴运动；以及 Y轴电机，连接所述的控制模块，并在控制模块的控制下驱动所述的挤出喷头沿所述的 Υ轴运动。

5、根据权利要求 4所述的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其特征在于，所述的控制模块包括补偿控制单元，所述的 X轴电机和 Υ轴电机均为步进电机，所述的补偿控制单元根据下式确定所述的 X轴步进电机和 Υ轴步进电机补偿后的步数 Ν '：

, S (M - m)d , , , S (m- M )d ,

Ν ' =— + - ―, (Μ > m) 或 N ' =— + ―, (m > M、) ;

P P P P

6、根据权利要求 3所述的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其特征在于，所述 X 和 /或 Y轴光栅尺的至少一端通过一光栅 ^敫调器固定至所述机框 ,所述光栅 ^敫调器包括一固定块和一调节块：

所述固定块固定设置于所述机框上；

所述调节块与所述固定块可动连接 , 所述调节块进一步具有一用于容纳所述光栅尺的插槽。

7、根据权利要求 2所述的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其特征在于，所述的打印行走机构为双十字形打印行走机构，该双十字形打印行走机构包括两根平行的 X轴和两根平行的 Y轴，所述的 X轴与 Y轴垂直，所述的挤出喷头固定于所述的两根 X轴与两根 Y 轴相交的位置。

8、根据权利要求 2所述的闭环控制熔融沉积成型高速 3D打印机，其特征在于，所述的打印行走机构还包括 Z轴，所述的 Z轴固定于所述的机框并垂直于所述的 X轴和 Y轴，所述的打印平台连接于所述的 Z轴，并可沿所述的 Z轴垂直运动。

9、一种利用权利要求 1所述的熔融沉积成型高速 3D打印机实现对于打印行走机构的闭环控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

( 2 )所述的光栅模块检测所述的挤出喷头的实际位移；

( 3 )所述的控制模块将所述的实际位移和打印数据比较，确定误差；

10、根据权利要求 9所述的利用熔融沉积成型高速 3D打印机实现对于打印行走机构的闭环控制方法，其特征在于，所述的打印行走机构为具有相互垂直的 X轴与 Y轴的十字形打印行走机构，所述的驱动模块包括 X轴步进电机和 Y轴步进电机，所述的控制模块包括补偿控制单元，所述的步骤（4 )具体包括以下步骤：

, S (M - m)d , , , S (m- M )d , 、

Ν ' =— + - ―, (Μ > m) 或 N ' =— + ―, (m > M ) ;

P P P P

ΔΝ = N '- N ,

11、根据权利要求 9所述的利用熔融沉积成型高速 3D打印机实现对于打印行走机构的闭环控制方法，其特征在于，所述的打印行走机构为具有相互垂直的 X轴与 Y轴的十字形打印行走机构，所述的驱动模块包括 X轴步进电机和 Y轴步进电机，所述的控制模块包括补偿控制单元，所述的步骤（3 )进一步包括在 X轴和 Y轴构成的十字轴与理想位置相差角度 δ 的情况下，确定 X或 Υ轴的非垂直性误差步骤：

Ay = S_x in

以上步骤中 X和 Υ轴可互换。