一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统及该系统的控制方法技术方案

一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统及该系统的控制方法，涉及3D打印头控制领域。解决了当前3D打印机控制器与多自由度机器人控制系统的整合难度大和集成度低的问题。本发明专利技术控制系统包括多自由度机器人中央控制器和3D打印头控制系统两部分。前者根据作业任务，主要完成多自由度3D打印机器人的笛卡儿空间运动轨迹规划，并同步完成对3D打印头状态监控和送丝机构的运动规划；后者由控制处理模块、电源隔离变换模块、隔离差分信号变换模块、数字信号隔离模块、步进电机驱动模块、加热模块和温度采集模块构成，其根据前者下传的控制指令，完成3D打印头的出丝控制。有效提高3D打印头机构控制系统的抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及3D打印头控制领域。
技术介绍
传统熔融沉积(FDM)工艺3D打印机往往采用箱式或框式结构，灵活性受限，无法制造出大于自身结构尺寸的构件，且无法直接完成受损构件现场修复任务。为解决这些问题，多自由度机器人技术与3D打印技术融合势在必行，一方面可以充分利用多自由度机器人三维立体空间运动的灵活性实现构件的灵活制造，另一方面可以利用柔顺控制算法直接实现受损构件现场无损修复任务。目前，商业的关于FDM工艺的3D打印机控制电气系统都是自成一套独立的开发系统，底层程序开源不够彻底。因此与多自由度机器人控制系统存在整合难度大的问题，即使花费较大代价完成系统整合，也会导致电气集成度低等问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决当前商业化的关于FDM工艺的3D打印机控制器与多自由度机器人控制系统的整合难度大和集成度低的问题，提出了一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统及该系统的控制方法。一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统包括多自由度机器人中央控制器和3D打印头机构控制系统，所述多自由度机器人中央控制器与3D打印头机构控制系统之间通过查分总线实现数据信息交互。所述3D打印头机构控制系统包括：用于隔离差分信号变换的隔离差分信号变换模块；用于对多自由度机器人中央控制器发送的信号进行处理的控制处理模块；用于进行数字信号隔离的数字信号隔离模块；用于驱动外部电机的步进电机驱动模块；用于对3D打印头内部加热棒进行加热的加热模块；用于对3D打印机头内部的温度传感器进行温度采集的温度采集模块。所述控制处理模块包括：用于多自由度机器人中央控制器与软处理模块实现数据交互的串行通信控制接口模块；用于接收多自由度机器人中央控制器发送的数据并进行处理的软处理模块；用于根据软处理模块发送的控制指令向步进电机驱动模块发送控制信号的步进电机驱动控制接口模块；用于根据软处理模块发送的加热指令向加热模块发送加热信号的加热控制接口模块；用于根据软处理模块发送的温度采集指令向温度采集模块发送温度采集信号的温度采集控制接口模块；用于触发硬件终端的定时器。所述3D打印头机构控制系统还包括电源隔离变换模块，所述电源隔离变换模块包括第一DC/DC隔离模块、第二DC/DC隔离模块、第一DC/DC变换模块、第二DC/DC变换模块、第三DC/DC变换模块、第一线性稳压器、第二线性稳压器、第一熔断器和第二熔断器，所述第一DC/DC隔离模块的隔离信号输入端、第三DC/DC变换模块的变换信号输入端、第一熔断器的熔断信号输入端和第二熔断器的熔断信号输入端同时连接外部直流电源，第一DC/DC隔离模块的隔离信号输出端同时与第二DC/DC隔离模块的隔离信号输入端、第一线性稳压器的稳压信号输入端、第二线性稳压器的稳压信号输入端、第一DC/DC变换模块的变换信号输入端和第二DC/DC变换模块的变换信号输入端连接，所述第二DC/DC隔离模块的隔离信号输出端与隔离差分信号变换模块的隔离信号输入端连接，第一线性稳压器的稳压信号输出端与温度采集模块的稳压信号输入端连接，第二线性稳压器的稳压信号输出端与控制处理模块的稳压信号输入端连接，第一DC/DC变换模块的变换信号输出端与控制处理模块的第一变换信号输入端连接，第二DC/DC变换模块的变换信号输出端同时与控制处理模块的第二变换信号输入端和数字信号隔离模块的第一变换信号输入端连接，第三DC/DC变换模块的变换信号输出端同时与数字信号隔离模块的第二变换信号输入端连接和步进电机驱动模块的变换信号输入端连接，第一熔断器的熔断信号输出端与步进电机驱动模块的熔断信号输入端连接，第二熔断器的熔断信号输出端与加热模块的熔断信号输入端连接。基于上述控制系统的控制方法为：步骤一、由多自由度机器人中央控制器根据作业任务，完成对3D打印头状态监控和送丝机构的运动规划；步骤二、多自由度机器人中央控制器根据步骤一中完成的运动规划下传控制指令；步骤三、由3D打印头机构控制系统根据接收到的控制指令完成出丝控制，并回传状态数据。有益效果：本专利技术提出一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统及基于该系统的控制方法，采用虚拟关节法，即将3D打印头机构等效成多自由度机器人的末端虚拟关节方式，构建多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，实现资源优化配置，并提高系统集成度。该控制系统包括：多自由度机器人中央控制器和3D打印头控制系统两部分。前者根据作业任务，主要完成多自由度3D打印机器人的笛卡儿空间运动轨迹规划，并同步完成对3D打印头状态监控和送丝机构的运动规划；后者由控制处理模块、电源隔离变换模块、隔离差分信号变换模块、数字信号隔离模块、步进电机驱动模块、加热模块和温度采集模块构成，其根据前者下传的控制指令，完成3D打印头的出丝控制。其中控制处理模块是基于FPGA构建而成，通过灵活修改串行通信控制接口模块，可适应具有不同串行通信协议的多自由度机器人系统。隔离差分信号变换模块和电源隔离变换模块的采用，可有效提高3D打印头机构控制系统的抗干扰能力。附图说明图1为本专利技术所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的原理示意图；图2为电源隔离变换模块的原理示意图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统包括多自由度机器人中央控制器1和3D打印头机构控制系统2，所述多自由度机器人中央控制器1与3D打印头机构控制系统2之间通过查分总线实现数据信息交互，所述3D打印头机构控制系统2包括：用于隔离差分信号变换的隔离差分信号变换模块3；用于对多自由度机器人中央控制器1发送的信号进行处理的控制处理模块4；用于进行数字信号隔离的数字信号隔离模块5；用于驱动外部电机的步进电机驱动模块6；用于对3D打印头内部加热棒进行加热的加热模块7；用于对3D打印机头内部的温度传感器进行温度采集的温度采集模块8。本实施方式所述的控制系统采用虚拟关节法，即将3D打印头机构等效成多自由度机器人的末端虚拟关节方式，构建多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，实现资源优化配置，并提高系统集成度。具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式二所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统的区别在于，所述步进电机驱动模块6由两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，其特征在于，它包括多自由度机器人中央控制器(1)和3D打印头机构控制系统(2)，所述多自由度机器人中央控制器(1)与3D打印头机构控制系统(2)之间通过查分总线实现数据信息交互，所述3D打印头机构控制系统(2)包括：用于隔离差分信号变换的隔离差分信号变换模块(3)；用于对多自由度机器人中央控制器(1)发送的信号进行处理的控制处理模块(4)；用于进行数字信号隔离的数字信号隔离模块(5)；用于驱动外部电机的步进电机驱动模块(6)；用于对3D打印头内部加热棒进行加热的加热模块(7)；用于对3D打印机头内部的温度传感器进行温度采集的温度采集模块(8)。

【技术特征摘要】
1.一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，其特征在于，它包括
多自由度机器人中央控制器(1)和3D打印头机构控制系统(2)，所述多自由度机器人中央
控制器(1)与3D打印头机构控制系统(2)之间通过查分总线实现数据信息交互，
所述3D打印头机构控制系统(2)包括：
用于隔离差分信号变换的隔离差分信号变换模块(3)；
用于对多自由度机器人中央控制器(1)发送的信号进行处理的控制处理模块(4)；
用于进行数字信号隔离的数字信号隔离模块(5)；
用于驱动外部电机的步进电机驱动模块(6)；
用于对3D打印头内部加热棒进行加热的加热模块(7)；
用于对3D打印机头内部的温度传感器进行温度采集的温度采集模块(8)。
2.根据权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，
其特征在于，所述步进电机驱动模块(6)由两相混合式步进电机集成驱动芯片及其外围电路
构成。
3.根据权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，
其特征在于，所述温度采集模块(8)由基准电阻与热敏电阻比较分压电路、模拟信号放大电
路和AD转换电路构成。
4.根据权利要求1所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，
其特征在于，所述控制处理模块(4)包括：
用于多自由度机器人中央控制器(1)与软处理模块(2)实现数据交互的串行通信控制
接口模块(9)；
用于接收多自由度机器人中央控制器(1)发送的数据并进行处理的软处理模块(2)；
用于根据软处理模块(2)发送的控制指令向步进电机驱动模块(6)发送控制信号的步
进电机驱动控制接口模块(11)；
用于根据软处理模块(2)发送的加热指令向加热模块(7)发送加热信号的加热控制接
口模块(12)；
用于根据软处理模块(2)发送的温度采集指令向温度采集模块(8)发送温度采集信号
的温度采集控制接口模块(13)；
用于触发硬件终端的定时器(22)。
5.根据权利要求4所述的一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统，
其特征在于，所述3D打印头机构控制系统(2)还包括电源隔离变换模块，所述电源隔离变

\t换模块包括第一DC/DC隔离模块(14)、第二DC/DC隔离模块(15)、第一DC/DC变换模
块(16)、第二DC/DC变换模块(17)、第三DC/DC变换模块(18)、第一线性稳压器(19)、
第二线性稳压器(20)、第一熔断器(21)和第二熔断器(23)，所述第一DC/DC隔离模块(14)
的隔离信号输入端、第三DC/DC变换模块(18)的变换信号输入端、第一熔断器(21)的熔
断信号输入端和第二熔断器(23)的熔断信号输入端同时连接外部直流电源，第一DC/DC隔
离模块(14)的隔离信号输出端同时与第二DC/DC隔离模块(15)的隔离信号输入端、第一
线性稳压器(19)的稳压信号输入端、第二线性稳压器(20)的稳压信号输入端、第一DC/DC
变换模块(16)的变换信号输入端和第二DC/DC变换模块(17)的变换信号输入端连接，所
述第二DC/DC隔离模块(15)的隔离信号输出端与隔离差分信号变换模块(3)的隔离信号
输入端连接，第一线性稳压器(19)的稳压信号输出端与温度采集模块(8)的稳压信号输入
端连接，第二线性稳压器(20)的稳压信号输出端与控制处理模块(4)的稳压信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：张元飞，刘宏，樊绍巍，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23