基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统的制作方法

本实用新型涉及生物打印技术领域，尤其涉及一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统及方法。

背景技术：

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)即以太网控制自动化技术，是基于以太网的开放式现场总线系统。EtherCAT能够直达控制系统的I/O层，涵盖所有设备，无任何下层子总线和网关延迟。

TwinCAT(The Windows Control and Automation Technology)是BECKHOFF公司的运动控制软件的名称，即基于Windows操作系统的自动化控制技术，其中，TwinCAT PLC是为PLC编程设计的一个完整的开发环境，TwinCAT NC是基于PC的纯软件的运动控制方式。

随着我国人口老年化和人民生活水平的提高，人们迫切需要一个更健康的生活，血管作为运输营养物质和排放废物的组织，具有重要的作用，3D血管打印技术可以直接进行血管的打印，其在医学康复领域上的应用已经被人们普遍看好。

3D血管打印的控制系统是一种对打印轨迹控制精度和打印环境要求很高的三维多任务智能自动控制系统。目前3D血管打印存在着诸多问题，如成形质量差，打印时血管活性较低，对血管的存活有着极大的影响，因此需要对3D血管打印的控制系统进行研究，解决目前遇到的问题。

技术实现要素：

针对上述的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统及方法，其可以高效的实现对血管的3D打印。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，包括分析控制模块、轨迹驱动模块及环境调节模块，其中：

所述分析控制模块包括主控器、输入装置及电源装置，所述输入装置通过EtherCAT总线Ⅰ与所述主控器连接；

所述轨迹驱动模块包括驱动器及连接于驱动器的直线电机、旋转电机、霍尔传感器和编码器；

所述环境调节模块包括环境检测单元和环境调节单元；

所述轨迹驱动模块通过EtherCAT总线Ⅱ与分析控制模块连接。

所述输入装置为触摸式输入装置。

根据本实用新型的基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，所述环境调节单元包括液体循环恒温槽控制器、湿度调节装置、气压调节装置、含氧量调节装置和pH调节装置。

本实用新型通过设置一分析控制模块，实现数据的分析与控制，通过该分析控制模块，可以预置打印参数，并分别通过轨迹驱动模块及环境调节模块实现打印轨迹及环境因素的控制。具体的，轨迹驱动模块在运行过程中实时的将轨迹数据，如打印头的位置与速度返回给分析控制模块对比分析，如有差错则可及时修正或中止处理。环境调节模块实时检测打印的环境参数，如温度、湿度、压力、含氧量和pH值，并将这些参数实时回传给分析控制模块，分析控制模块根据参数变化调整打印环境，使其保持相对恒定。借此，本实用新型能够同时实现对打印喷头和打印成形的三维运动轨迹的精确控制和对打印过程中所需满足的温度、湿度、压力、含氧量和pH的实时监测与反馈控制，确保打印血管的成形质量和组织活性。本实用新型具有控制要素复杂、控制精度高、动态性能好、响应快、兼容性好和远程控制等优点，满足于3D血管打印的工业应用。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构示意图；

图2是本实用新型一实施例的系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1和图2，本实用新型提供了一种基于EtherCAT总线的3D生物打印控制系统，其包括分析控制模块10、轨迹驱动模块20及环境调节模块30，其中：

所述分析控制模块10包括主控器11、输入装置12及电源装置13，所述输入装置12通过EtherCAT总线Ⅰ与所述主控器11连接；

所述轨迹驱动模块20包括驱动器21及连接于驱动器的直线电机22、旋转电机23、霍尔传感器24和编码器25；

所述环境调节模块30包括环境检测单元31和环境调节单元32；

所述轨迹驱动模块20通过EtherCAT总线Ⅱ与分析控制模块10连接。

其中，主控器11是核心分析处理部件，其由硬件、软件或软硬件的结合实现。输入装置12包括至少一显示装置，其即可以是传统的键盘式输入设备，也可以为触摸式输入设备。本实用新型优选采用触摸式设备，其兼具输入及显示功能。电源装置13则用于为系统的各模块提供电源。分析控制模块10内输入装置12与主控器11之间通过EtherCAT总线Ⅰ进行双向通信。

所述霍尔传感器24和编码器25用于向驱动器21进行实时位置与速度反馈。驱动器21用于将实时位置与速度数据传送到所述主控器11，并根据主控器11的命令进一步控制所述直线电机22和旋转电机23。

环境检测单元31，用于检测当前环境参数。该环境检测单元31包括至少一环境传感器，以以检测各环境参数。本实用新型的环境参数至少包括温度、湿度、压力、含氧量和pH的参数。

环境调节单元32，用于根据分析控制模块10的指令，调节环境参数。该环境调节单元32包括液体循环恒温槽控制器、湿度调节装置、气压调节装置、含氧量调节装置和pH调节装置，借此分别实现温度、湿度、压力含氧量及PH值。其中，液体循环恒温槽控制器用于向打印区域循环输送恒温液体，满足打印区域的温度要求。其打印区域的温度包括打印喷头、打印成形和打印环境的温度。

本实用新型的实施例中，主控器11采用嵌入TwinCAT NC软件的BECKHOFF平台，通过EtherCAT总线分别与输入装置12和驱动器21进行上下实时双向通信，再通过驱动器21协同控制直线电机22和旋转电机23的空间运动轨迹，霍尔传感器24和编码器25向驱动器4进行实时位置与速度反馈；环境检测单元31将打印环境的各种参数通过I/O模块向主控器11实时传输，主控器11调用函数模块通过EtherCAT总线Ⅱ实时调控环境调节单元32以控制快速成形环境因素。

本实用新型基于EtherCAT总线的3D血管打印控制系统能够同时实现对打印喷头和打印成形的三维运动轨迹的精确控制和对打印过程中所需满足的温度、湿度、压力、含氧量和pH的实时监测与反馈控制，确保打印血管的成形质量和组织活性。本实用新型具有控制要素复杂、控制精度高、动态性能好、响应快、兼容性好和远程控制等优点，满足于3D血管打印的工业应用。

对于本实用新型的打印轨迹控制，可以在输入装置12上对各轴的打印轨迹预先进行参数设定，经过EtherCAT总线Ⅰ/Ⅱ的实时通信，主控器11控制驱动器21驱动直线电机22和旋转电机23的运动，控制打印喷头和打印成形的空间轨迹。直线电机22和旋转电机23的运动位置和速度通过霍尔传感器24和编码器25向驱动器21进行实时反馈，反馈信号经EtherCAT总线Ⅱ到达主控器11中的TwinCAT PLC，PLC通过分析实时打印轨迹与轨迹设定值是否一致，如果一致，系统正常进行，否则，PLC会执行错误报警，并更正错误，继续执行轨迹设定值参数。整个控制过程经EtherCAT总线Ⅰ在输入装置12上实时显示，同时，输入装置12还可以通过EtherCAT总线Ⅲ和互联网实现打印轨迹的远程控制，实现3D生物打印的云计算、物联网和智慧制造。

对于本实用新型的环境参数控制，环境检测单元31通过I/O模块的接口端子与主控器11连接，BECKHOFF平台调用TwinCAT PLC中的温度、湿度、压力、含氧量和pH的函数通过EtherCAT总线Ⅱ实时监测与反馈控制环境调节单元32的温度、湿度、压力、含氧量和pH的参数，使快速成形环境因素，使其符合3D血管打印的需求，即温度控制在0～40℃，湿度控制在90％以上，气压控制在0.2～1MPa，含氧量控制在40％左右，pH值控制在6～8。

综上所述，本实用新型通过设置一分析控制模块，实现数据的分析与控制，通过该分析控制模块，可以预置打印参数，并分别通过轨迹驱动模块及环境调节模块实现打印轨迹及环境因素的控制。具体的，轨迹驱动模块在运行过程中实时的将轨迹数据，如打印头的位置与速度返回给分析控制模块对比分析，如有差错则可及时修正或中止处理。环境调节模块实时检测打印的环境参数，如温度、湿度、压力、含氧量和pH值，并将这些参数实时回传给分析控制模块，分析控制模块根据参数变化调整打印环境，使其保持相对恒定。借此，本实用新型能够同时实现对打印喷头和打印成形的三维运动轨迹的精确控制和对打印过程中所需满足的温度、湿度、压力、含氧量和pH的实时监测与反馈控制，确保打印血管的成形质量和组织活性。本实用新型具有控制要素复杂、控制精度高、动态性能好、响应快、兼容性好和远程控制等优点，满足于3D血管打印的工业应用。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。