一种3d打印机运动控制系统及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种3D打印机运动控制系统及基于该系统的控制方法，属于3D打印技术领域。
【背景技术】
[0002]快速成型技术是近年来发展起来的一种先进制造技术，3D打印是快速成型技术的一个分支。先由建模软件对打印实物进行三维建模，再由切片软件对三维模型进行识别和STL格式转换，最终将模型打印信息传递到主控制板，再由主控制板发送控制指令给各功能模块。由挤出头挤出的熔融耗材，逐层打印，层层叠加，从而将三维模型变成三维立体实物。3D打印技术作为一种高新技术，具体涉及CAD建模、测量、接口软件、数控、精密仪器、激光、材料等多学科的集成。
[0003]然而，现有的桌面级别的3D打印机运动控制系统存在着诸多缺点。打印机必须与PC机相连，既占用了 PC机资源，也需考虑打印过程中USB连接的不稳定问题。运动控制系统中各功能模块集成度不高。步进电机的控制以及温度控制不够精确。运动控制系统中的硬件部分内存不足、外设不够多，软件部分资源不够丰富，无法实时满足打印过程中的任务要求。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:使得3D打印机无须与PC机相连。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种3D打印机运动控制系统，包括3D打印机的微控制器，其特征在于，还包括至少集成有步进电机驱动模块及温度控制模块的扩展板，扩展板与集成有微控制器的核心控制板接插式连接，使得扩展板与核心控制板之间通过串口通信总线建立通信，步进电机驱动模块用于控制3D打印机的轴向电机和送料机的转动精度，温度控制模块用于实现精确的PID控制；
[0006]还包括LCD控制面板，扩展板与IXD控制面板之间通过串口通信总线建立通信，LCD控制面板至少包括液晶显示模块及数据存储模块，在数据存储模块中存储3D打印机上各电机的运动轨迹规划信息及运动轨迹控制信息。
[0007]优选地，在所述扩展板上还集成有限位开关模块、风扇控制模块及电源模块，其中，限位开关模块用于限定3D打印机的轴向步进电机最大和最小轴向移动范围。
[0008]优选地，所述IXD控制面板还包括旋钮控制模块及电平变换模块。
[0009]优选地，所述数据存储模块采用SD卡读取模块。
[0010]本发明的另一个技术方案是提供了一种基于上述系统的3D打印机运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0011]步骤1、在PC上位机将打印实物的三维模型通过切片软件处理并生成G代码指令，再将其存入数据存储模块中；
[0012]步骤2、预先由PC上位机对核心控制板通过固件内容进行初始化配置；
[0013]步骤3、微控制器读取存储在数据存储模块内的G代码指令，该G代码指令中包含有运动轨迹规划和运动控制的信息，再由微控制器输出控制指令给扩展板上电机驱动模块来具体控制相应的步进电机工作，其中:
[0014]X轴向步进电机及Y轴向步进电机带动挤出头在两个维度上运动，完成一个平面打印后，再驱动Z轴丝杆步进电机使平台上下移动，从而绘制新的平面，通过这样逐层打印，层层叠加，精确地控制整个打印过程。
[0015]本发明的目的在于针对现有3D打印机运动控制系统存在的技术上不足，提供了一种基3D打印机运动控制系统，其结构简单、设计合理、操作方便，可实现高精度的3D打印，工作可靠性和稳定性高，便于推广使用。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的运动控制系统的系统架构图；
[0017]图2为本发明的硬件系统功能模块框图；
[0018]图3为本发明的软件系统功能模块框图。
【具体实施方式】
[0019]为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0020]图1为本发明的运动控制系统的系统架构图。运动控制系统的实现是通过硬件平台和软件平台两方面来实现的，运动控制系统包括运动轨迹规划单元、运动控制单元、A/D转换器。其具体的运动控制过程如下:
[0021]步骤1、在PC上位机上将打印实物的三维模型通过切片软件处理并生成G代码指令，该G代码指令中包含有运动轨迹规划信息和运动轨迹控制信息，再将其存入SD卡。
[0022]步骤2、预先由PC上位机经USB串口对核心控制板通过固件内容进行初始化配置，包括主控板类型的设置、温度控制设置、机械位置设置以及可支持的LCD面板的类型设置。其机械设置又分为两个部分，一部分是对限位开关模块的设置，主要规定轴向步进电机最大和最小轴向移动范围；另一部分是对步进电机的设置，包括步进电机的运行方向、限位开关逻辑、行程长度以及步进单位的设置。
[0023]步骤3、将SD卡插入SD卡读取模块，由SD卡读取模块读取SD卡中的G代码指令。
[0024]步骤4、经分析将G代码指令中的运动轨迹规划信息和运动轨迹控制信息传送给微控制器，再由微控制器输出控制指令，最终发送给扩展板上的电机驱动模块来具体控制4个步进电机工作，分别为X轴向步进电机、Y轴向步进电机、Z轴丝杆步进电机及进料步进电机。
[0025]步骤5、根据电机驱动模块接收到的指令来驱动X轴向步进电机及Y轴向步进电机带动挤出头在两个维度上运动，完成一个平面打印后，再驱动Z轴丝杆步进电机使打印平台上下移动，从而绘制新的平面，通过这样逐层打印，层层叠加，精确的控制整个打印过程。
[0026]图2为本发明的硬件系统功能模块框图。3D打印机运动控制系统的硬件部分包括核心控制板、扩展板、LCD控制面板以及串口通信总线。核心控制板上集成有微控制器。扩展板采用堆叠的设计，上面集成有步进电机驱动模块、电源模块、限位开关模块、温度控制模块、风扇控制模块。LCD控制面板包括液晶显示模块、SD卡读取模块、旋钮控制模块及电平变换模块。采用LCD控制面板，一方面支持SD卡，可实现脱机打印；另一方面，操作便捷，便于人机交互协作。串口通信模块主要是用于建立核心控制板和扩展板之间以及扩展板和LCD控制面板之间的通信。当核心控制板连到RS-232端口的时，其间需接一个缓冲或电平转换电路，即电平变换模块，使O?5V的AVR单片机(即微控制器)信号和普通PC串口的标准(RS-232) 对接得上。温度控制模块通过固件软件设置来实现精确的 PID 控制。
[0027]步进电机驱动模块用于微控制器发送指令来驱动控制4个步进电机如何工作。步进电机驱动模块采用的是完全微步电动机驱动器，可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达35V及±2A。微控制器向步进电机驱动模块的d i rP i η 口分别输入高电位、低电位来控制电机的正反转，最终来控制挤出头和打印平台的运动。微控制器向步进电机驱动模块的StepperPin 口输入脉冲，通过设置步进脉冲信号的频率，实现对电机精确调速，通过控制步进脉冲的个数，实现对电机精确定位。步进电机驱动模块中的MS1、MS2、MS3三位控制电机轴的步距角的细分，通过硬件电路中短路片的接入与否来控制。限位开关模块限制着挤出头轴向运动最大值和最小值范围。温度控制模块包括热敏电阻与加热电阻丝。打印平台上方热床和挤出头内部均设置有加热电阻丝，且均有热敏电阻与之连接，再连接于所述的加热模块。热敏电阻用于对温度的实时检测，若低于设定温度，借助软件设置实现PID温度调节控制，控制电阻丝加热温度。
[0028]图3为本发明的软件系统功能模块框图。软件系统包括PC上位机应用软件、底层控制软件和接口驱动单元;上位机应用软件主要包括建模软件和切片软件;底层控制软件主要由固件来进行配置，包括初始化模块、电机驱动控制模块、温度控制模块、液晶显示模块、串口通信模块、主逻辑模块;接口驱动单元主要应用于电机驱动模块、温度控制模块以及IXD控制面板的接口部分。
[0029]将配置好的固件烧录进核心控制板后，就可以通过LCD控制面板实时控制打印过程，配置的参数有波特率、控制板类型、挤出头喷嘴个数、打印机各轴的运行行程、运动速度、运动单位距离所需要的脉冲数。上位机生成的G代码中包含的运动轨迹规划和运动控制信息，通过IXD控制面板将这些信息发送给主控制板，经分析处理再将控制指令发送给各功能模块，来实现对打印过程的精确控制。
【主权项】
1.一种3D打印机运动控制系统，包括3D打印机的微控制器，其特征在于，还包括至少集成有步进电机驱动模块及温度控制模块的扩展板，扩展板与集成有微控制器的核心控制板接插式连接，使得扩展板与核心控制板之间通过串口通信总线建立通信，步进电机驱动模块用于控制3D打印机的轴向电机和送料机的转动精度，温度控制模块用于实现精确的PID控制； 还包括IXD控制面板，扩展板与LCD控制面板之间通过串口通信总线建立通信，IXD控制面板至少包括液晶显示模块及数据存储模块，在数据存储模块中存储3D打印机上各电机的运动轨迹规划信息及运动轨迹控制信息。2.如权利要求1所述的一种3D打印机运动控制系统，其特征在，在所述扩展板上还集成有限位开关模块、风扇控制模块及电源模块，其中，限位开关模块用于限定3D打印机的轴向步进电机最大和最小轴向移动范围。3.如权利要求1所述的一种3D打印机运动控制系统，其特征在，所述LCD控制面板还包括旋钮控制模块及电平变换模块。4.如权利要求1所述的一种3D打印机运动控制系统，其特征在，所述数据存储模块采用SD卡读取模块。5.—种基于如权利要求1所述系统的3D打印机运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、在PC上位机将打印实物的三维模型通过切片软件处理并生成G代码指令，再将其存入数据存储模块中； 步骤2、预先由PC上位机对核心控制板通过固件内容进行初始化配置； 步骤3、微控制器读取存储在数据存储模块内的G代码指令，该G代码指令中包含有运动轨迹规划和运动控制的信息，再由微控制器输出控制指令给扩展板上电机驱动模块来具体控制相应的步进电机工作，其中: X轴向步进电机及Y轴向步进电机带动挤出头在两个维度上运动，完成一个平面打印后，再驱动Z轴丝杆步进电机使平台上下移动，从而绘制新的平面，通过这样逐层打印，层层叠加，精确地控制整个打印过程。
【专利摘要】本发明提供了一种3D打印机运动控制系统，包括3D打印机的微控制器，其特征在于，还包括至少集成有步进电机驱动模块及温度控制模块的扩展板；还包括LCD控制面板，扩展板与LCD控制面板之间通过串口通信总线建立通信，LCD控制面板至少包括液晶显示模块及数据存储模块，在数据存储模块中存储3D打印机上各电机的运动轨迹规划信息及运动轨迹控制信息。本发明的另一个技术方案是提供了一种基于上述系统的3D打印机运动控制方法。本发明的目的在于针对现有3D打印机运动控制系统存在的技术上不足，提供了一种基3D打印机运动控制系统，其结构简单、设计合理、操作方便，可实现高精度的3D打印，工作可靠性和稳定性高，便于推广使用。
【IPC分类】B29C67/00, B33Y50/02
【公开号】CN105619822
【申请号】CN201610146574
【发明人】黄勇, 陈果, 刘华山, 张珏, 张亚军, 唐健, 蔡煜野
【申请人】东华大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月15日