闭环控制熔融沉积成型高速3D打印机及闭环控制方法

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。

说明书

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。

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。

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：

$W=\frac{d}{\sin \theta }$

当θ很小时，取sinθ≈θ，上式可近似写成：

$W=\frac{d}{\theta }$

若取d=0.01mm，θ=0.01rad，则由上式可得W=1mm，可见，利用莫尔条纹原理，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，莫尔条纹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，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W。当两光栅尺相对移动的方向改 变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。

根据莫尔条纹原理，当光源为平行光时，通过莫尔条纹的光强度为余弦函数。若在光栅 读取器的莫尔条纹移动方向上，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，采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，且结构相对简 单，成本低廉，实现方式简单，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Y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；

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。

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'：

$N^{\prime }=\frac{S}{p}+\frac{(M-m)d}{p},(M>m)$或$N^{\prime }=\frac{S}{p}+\frac{(m-M)d}{p},(m>M);$

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'：

$N^{\prime }=\frac{S}{p}+\frac{(M-m)d}{p},(M>m)$或$N^{\prime }=\frac{S}{p}+\frac{(m-M)d}{p},(m>M);$

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ΔN：

ΔN=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。

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XY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 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。

附图说明

图1为光栅模块利用的莫尔条纹原理示意图。

图2为AB相位脉冲信号示意图。

图3为本发明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为本发明的采用的双十字形打印行走机构闭环补偿控制示意图。

图9为本发明的3D打印机的控制系统框图。

图10为本发明采用的双十字形打印行走机构的结构示意图。

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，为本发明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：

（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轴电机可以采用步进电机，也可以采用直流伺服电 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轴电机在均采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'：

$N^{\prime }=\frac{S}{p}+\frac{(M-m)d}{p},(M>m)$或$N^{\prime }=\frac{S}{p}+\frac{(m-M)d}{p},(m>M);$

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。

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：

（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'：

$N^{\prime }=\frac{S}{p}+\frac{(M-m)d}{p},(M>m)$或$N^{\prime }=\frac{S}{p}+\frac{(m-M)d}{p},(m>M);$

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；

（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ΔN：

ΔN=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。

打印行走机构采用独特的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轴均采用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，采用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，采用最大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：

(2×20)/(360/1.8×32)=0.00625mm

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。

本发明结构简单可靠，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”字轴的连接方式采用光轴相切接触的 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以A相脉冲为参考，取向左为正方向，则

若则滑块向左运动；

若则滑块向右运动，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，则若采用开环控制，可直接计算所需的步进 电机运动步数为：

$N=\frac{S}{p}$

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：

$M=\frac{S}{d}$

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：

$\left(\begin{array}{c}{N}^{\prime }=N+\mathrm{\Delta N}\\ =\frac{S}{p}+\frac{(M-m)d}{p}\end{array}\right)$

当m＞M时，需要减小步进电机运动步数，修正公式为：

$\left(\begin{array}{c}{N}^{\prime }=N-\mathrm{\Delta N}\\ =\frac{S}{p}+\frac{(M-M)d}{p}\end{array}\right)$

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。

假设双“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Y轴产生相 应的偏移量：

Δy=S_xgsinδ

当采用开环控制方式时，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修正。

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、Y、Z电机控制三坐标机构的运动，E1、E2电机分别 控制第一和第二个送丝机构。X、Y、Z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K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，控制信号采用脉冲宽度调 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XY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 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。

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。