一种基于工业PC与嵌入式CPU的FDM三维打印系统的制作方法

本实用新型属于3D打印技术，具体是一种基于工业PC与嵌入式控制器的FDM 3D打印设备。

背景技术：

现有技术中，3D打印通过激光烧结、喷丝熔凝等方法实现零件或原型层面的连续叠加，得到三维空间实体。现有的3D打印仅喷丝头(也称为打印喷头)仅有在xyz坐标系X\Y\Z的3个直线方向动作及挤出动作，存在喷丝不匀、挂丝、喷丝滞后以及打印喷头运动控制较为复杂等问题，进而引发其它问题等。

另外，常用实际工件的结构具有一定复杂程度，运动轨迹复杂，零件的精度要求也会进一步使控制程序量加大，如果采用现有打印控制系统，存在处理速度慢、实时性差、可靠性不高、数据处理和打印加工不能在线三维动态实时显示等问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本方案的思路是，对打印机的3维空间实现，不仅依靠打印头的3向运动，而引入新的喷丝头(打印喷头)旋转运动动作机构，使打印丝在喷丝头内熔融、同时被未熔喷丝推挤、旋转挤出。采用工业PC作为上位机实现高速数据处理、三维真实感的实时显示，同时，通过高性能嵌入式处理器与研发的专用电路实现打印实时控制，利用高速数据通信实现上下位机间的高速加工数据传输。本实用新型是一种低成本、高集成度、高可靠、高速高效，具备在线实时三维加工显示，具备真正意义上的“所见即所得”功能的FDM(“Fused Deposition Modeling”即为熔融沉积成型)嵌入式3D打印工业系统。具体如下：

一种基于工业PC与嵌入式控制器的FDM三维打印系统，包括打印机本体、打印喷头、扫描运动执行单元和供丝单元；

所述打印机本体设有3D打印工作空间；打印喷头通过喷头连接件连接于扫描运动执行单元；供丝单元包括喷丝电机，喷丝电机带动打印丝沿喷丝路径(即加工路径)前进，同时通过涡轮-蜗杆机构带动打印喷头旋转(即围绕喷丝嘴的轴向转动)，打印丝连接打印喷头的进丝端；

还包括上位工业PC、嵌入式控制单元和3D打印工作台；3D打印工作台在3D打印工作空间内；

所述扫描运动执行单元包括X向和Y向直线运动机构；X向和Y向与三维坐标系xyz的X和Y轴方向分别对应；

所述3D打印工作台包括工件支撑平台和Z向直线运动机构；Z向与三维坐标系xyz的Z轴方向对应；工件支撑平台连接Z向直线运动机构，并随Z向直线运动机构进行Z向直线(即升降)动作；

在3D打印工作空间内，所述扫描运动执行单元在Z向直线运动机构的上方。

上位工业PC与嵌入式控制单元进行高速串行数据通信；嵌入式控制单元通过驱动控制电路控制X向、Y向和Z向直线运动机构的动作，以及控制喷丝电机的动作。

打印喷头开口朝下。

所述X向、Y向和Z向直线动作机构中的任一机构都是由交流伺服电机驱动滚珠丝杠-螺母机构构成，设三个直线动作机构的交流伺服电机分别是X电机、Y电机和Z电机。

X向直线动作机构连接在打印机本体上；Y向直线动作机构连接于X向直线动作机构，并随X向直线动作机构进行X向直线动作；喷丝电机及打印喷头连接于Y向直线动作机构，并随Y向直线动作机构进行Y向直线动作；

所述供丝单元还包括供丝盘和供丝软管；喷丝电机的输出轴连接有辊轮，与辊轮位置相对处连接有压丝板；供丝软管连接在供丝盘与辊轮所在位置之间；喷丝电机和压丝板连接在喷头连接件上；供丝盘连接在打印机本体上。

所述喷丝电机还通过传动机构驱动供丝盘动作。

所述喷丝电机轴还装有蜗轮蜗杆传动机构驱动打印喷头旋转。

所述喷丝电机通过涡轮蜗杆机构驱动打印喷头旋转(即围绕喷丝嘴的轴向转动)，同时喷丝电机还通过传动机构驱动供丝盘动作。

所述打印喷头上装有丝温加热电路以及温度传感器；嵌入式控制单元输出温度控制信号送至驱动控制电路，驱动控制电路连接丝温加热电路；嵌入式控制单元的温度(反馈)信号输入端连接温度传感器的信号输出端。

所述嵌入式控制单元连接TFT真彩显示/触摸控制单元。

本实用新型中，上位工业PC以及嵌入式控制单元的各个电机的动作控制程序均可采用现有技术实现。本案采用新的系统控制电路结构可对加工运动控制、通信速度、通信可靠度、系统可靠度等进行优化，这一优化不涉及程序的创新。

本实用新型的原理是，通过打印加工运动机构单元提供的打印喷头旋转并喷丝、供丝盘供丝及送丝动作，配合打印喷头的两维加工扫描运动以及层面叠加运动(3D打印工作台提供Z向直线动作)，能够将复杂三维空间结构的成型转化为二维层面的加工，可实现任一复杂程度、薄壁、复杂空间曲面、甚至具有内部结构零件的加工。更重要的是，通过把复杂三维成型动作分解成两维层面实现，不仅极大减小了加工难度，也使加工控制单元集成度提高，控制结构简化。

本方案利用现有的3D打印控制技术，采用工业PC作为上位机实现高速数据处理、三维真实感的实时显示，通过高性能嵌入式处理器(下位机)等实现打印实时控制，利用高速数据通信实现上下位机间的高速加工数据传输。由于控制方法可以由现有技术实现，同时，该控制方法不是实用新型的保护范畴，所以，在此不进一步进行说明。

附图说明

图1是本3D打印系统的结构原理示意图；

图2是本3D打印系统的电路原理示意图；

图3是打印喷头部分的结构及控制原理示意图；

图中：打印机本体1、3D打印工作台2、Y向交流伺服电机3、Y向丝杆螺母导轨4、X向交流伺服电机5、X向丝杆螺母导轨6、Z向交流伺服电机7、Z向丝杆螺母导轨8、喷丝(步进)电机9、供丝盘10、打印丝11、打印喷头12、辊轮13、压丝板14、蜗轮-蜗杆机构15、齿轮副16。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型进一步说明：

如图1～3，一种基于工业PC与嵌入式控制器的FDM三维打印系统，包括打印机本体、打印喷头、扫描运动执行单元和供丝单元；

所述打印机本体设有3D打印工作空间；打印喷头通过喷头连接件连接于扫描运动执行单元；供丝单元包括喷丝电机，喷丝电机带动打印丝沿其喷丝路径前进，同时通过涡轮-蜗杆机构带动打印喷头旋转，打印丝连接打印喷头的进丝端；

还包括上位工业PC、嵌入式控制单元和3D打印工作台；3D打印工作台在3D打印工作空间内；

所述扫描运动执行单元包括X向和Y向直线运动机构；X向和Y向与三维坐标系xyz的X和Y轴方向分别对应；

所述3D打印工作台包括工件支撑平台和Z向直线运动机构；Z向与三维坐标系xyz的Z轴方向对应；工件支撑平台连接Z向直线运动机构，并随Z向直线运动机构进行Z向直线动作；

在3D打印工作空间内，所述扫描运动执行单元在Z向直线运动机构的上方。

上位工业PC与嵌入式控制单元进行高速串行数据通信；嵌入式控制单元通过驱动控制电路控制X向、Y向和Z向直线运动机构的动作，以及控制喷丝电机的动作。

打印喷头开口朝下。

所述X向、Y向和Z向直线动作机构中的任一机构都是由交流伺服电机驱动滚珠丝杠-螺母机构构成，设三个直线动作机构的交流伺服电机分别是X电机、Y电机和Z电机。

X向直线动作机构连接在打印机本体上；Y向直线动作机构连接于X向直线动作机构，并随X向直线动作机构进行X向直线动作；喷丝电机及打印喷头连接于Y向直线动作机构，并随Y向直线动作机构进行Y向直线动作；

所述供丝单元还包括供丝盘和供丝软管；喷丝电机的输出轴连接有辊轮，与辊轮位置相对处连接有压丝板；供丝软管连接在供丝盘与辊轮所在位置之间；喷丝电机和压丝板连接在喷头连接件上；供丝盘连接在打印机本体上。

所述喷丝电机还通过传动机构驱动供丝盘动作。

所述喷丝电机的轴还连接蜗轮蜗杆传动机构来驱动打印喷头旋转。所述打印喷头上装有丝温加热电路以及温度传感器；嵌入式控制单元输出温度控制信号送至驱动控制电路，驱动控制电路连接丝温加热电路；嵌入式控制单元的温度信号输入端连接温度传感器的信号输出端。

所述嵌入式控制单元连接TFT真彩显示/触摸控制单元。

本实用新型在实现时候：

上位工业PC与嵌入式控制单元执行高速串行数据通信，实现加工数据及状态的高速、实时交换；嵌入式控制单元通过驱动电路驱动扫描运动执行单元、3D打印工作台以及驱动喷丝单元中的电机。3D打印扫描运动执行单元固定在打印机本体顶部。

打印工作台固定在Z向直线动作机构上，且工作台的运动方向是竖直方向，随Z向直线动作机构上下运动。

Z向直线动作机构包括丝杠-螺母机构(含导轨)，Z向交流伺服电机在驱动控制电路的控制下动作。X向、Y向直线动作机构的实现方式也是这样。Z向运动电机可以通过齿轮副及丝杠螺母结构带动3D打印工作台，实现Z轴方向上的上升与下降动作。