闭环控制熔融沉积成型高速3d打印机及闭环控制方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]现有的采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。
[0004]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纹原理，如图1所示。当光栅读取器上的线纹与光栅尺上的线纹成某个很小的角度Θ时，两个光栅上的线纹会互相交叉。在平行光的照射下，可以看到与光栅线纹垂直、明暗相间的条纹就是莫尔条纹。
[0005]图1中，W为莫尔条纹的宽度，d为光栅的栅距，则有以下几何关系:
[0006]
【权利要求】
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Y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Y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Y轴步进电机补偿后的步数N’: ΛΤΙ S (Μ -m)d ," 、S (m-M)d , N = —1--, (M > in)或 N — —1--, {in > λ4); P P一 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。
6.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。
7.根据权利要求2至6中任一项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。
8.一种利用权利要求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: (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。
9.根据权利要求8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: (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’:
【文档编号】B29C67/00GK103878981SQ201410122566
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2013年7月31日
【发明者】刘海川, 袁振国, 林进发, 季明, 宋建勇 申请人:磐纹科技（上海）有限公司