基于虚拟仪器的3D打印系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于虚拟仪器的3D打印系统，包括初始运行步骤，采用层叠式顺序结构完成系统初始运行；参数设置步骤，采用循环内嵌条件结构，对加热部件的热敏电阻进行上下限控制，在等待分支设置事件结构，通过事件结构编辑修改加热部件的热敏电阻进行上下限参数；手动打印步骤，对设备进行预处理，包括对同时对系统进行预热和对喷头坐标进行调试与设定，采用并行结构同时运行电机、挤压电机工作和温度控制；3D打印步骤，对应的3D对象数据进行分层切片、轮廓优化和层片数据处理等处理，得到相应的坐标信息，最后通过坐标信息来控制三轴电机进行定点逐层打印、叠加得到3D对象。本发明专利技术通过LabVIEW实现3D扫描打印，程序运行速度快，可视化编程易于调试，打印精确度高。

3D printing system based on virtual instrument

The invention discloses a 3D printing system based on virtual instrument, which includes the initial operation steps and completes the initial operation of the system with cascade sequential structure; the parameter setting steps adopt the cyclic embedded conditional structure to control the upper and lower limits of the thermistor of the heating parts, and the event structure is set through the event while waiting for the branch. The structure editing modifies the thermistor of heating parts for upper and lower limit parameters; the manual printing step preprocesses the equipment, including preheating the system at the same time and debugging and setting the nozzle coordinates; the parallel structure is used to run the motor, the extrusion motor and the temperature control simultaneously; the 3D printing step corresponds to the 3D printing step. The object data is processed by slicing, contour optimization and slicing data processing, and the corresponding coordinate information is obtained. Finally, the coordinate information is used to control the three-axis motor to print and stack the 3D object layer by layer. The invention realizes 3D scanning and printing by LabVIEW, the program runs fast, the visual programming is easy to debug, and the printing accuracy is high.

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟仪器的3D打印系统
随着3D打印技术的快速发展，3D打印的应用领域和系统构成得到了长足的发展，在制造领域当中，虚拟仪器技术有着开发快、调试便利等优点，却鲜有3D打印系统的构建，针对这种不足设计了一种基于虚拟仪器的3D打印系统。本系统以矩形盒式结构为硬件基础，通过数据采集卡实现电机的控制完成打印任务，虚拟仪器技术采用LabVIEW构建控制终端完成3D文件的解读(分层切片、轮廓优化和层片数据处理)得到每层的坐标信息，通过软硬件的协同处理完成3D对象的打印。
技术介绍
3D打印技术是一种将机械、材料、软件和数控相结合的先进的多学科融合制造技术。作为一种快速成型技术，它以数字模型文件为数据基础通过材料(粉末、金属、光敏树脂等)的层层构建实现3D对象的打印输出。3D打印技术始于70末80年代初，随着计算机控制、材料和相应的控制技术的发展3D打印技术也得到了长足的进步。迄今，3D打印已成功的应用于多个领域，如工业设计、机械制造、航空航天、建筑、医疗等。作为制造领域中迅速崛起的虚拟仪器技术在3D打印中的设计与研究却非常少。虚拟仪器是一种使用软件和模块化测量硬件来创建用户定义的测量和控制系统的技术，其优点是有灵活性强、成本低、开发速度快、解决方案简单等，特别是开发和调试周期短，效率高这使得虚拟仪器有着诸多制造生长技术不可比拟有优点。因此，借助虚拟仪器的优点开发3D打印系统对智能制造的快速性和扩展性有着积极的推动的作用。为此，我们设计了一种基于虚拟仪器的3D打印系统。
技术实现思路
1、专利技术目的。本专利技术提出了一种基于虚拟仪器的3D打印系统，能够解决现有技术中相应速度慢、可编辑性弱的问题。2、本专利技术所采用的技术方案。本专利技术提出了一种基于虚拟仪器的3D打印系统，具体包括如下步骤：初始运行步骤，采用层叠式顺序结构完成系统初始运行,初始运行包括登录和前面板控件两个分支运行；参数设置步骤，采用循环内嵌条件结构，对加热部件的热敏电阻进行上下限控制，在等待分支设置事件结构，通过事件结构编辑修改加热部件的热敏电阻进行上下限参数；手动打印步骤，对设备进行预处理，包括对同时对系统进行预热和对喷头坐标进行调试与设定，采用并行结构同时运行电机、挤压电机工作和温度控制；3D打印步骤，对应的3D对象数据进行分层切片、轮廓优化和层片数据处理等处理，得到相应的的坐标信息，最后通过坐标信息来控制三轴电机进行定点打印，通过逐层打印、叠加得到3D对象，具体步骤如下：步骤1、通过文件路径输入控件读取STL文件；步骤2、获取三角形坐标信息；通过三角形坐标获取子VI，获得此STL文件包含的所有三角形面片信息，根据STL文件一行含有一个顶点坐标信息的特点，选择以二维数组的形式打包成簇传递数据；步骤3、二维数组的形式传递数据至三角形轮廓子VI，同时通过数据输入控件设定层高信息，筛选与此层面有交集的三角形；步骤4、使用排序子VI对三角形按一定方向进行排序；步骤5、最后利用切点子V计算出切面与三角形所有交点，即得到此切层包括的所有轮廓坐标信息；步骤6、轮廓优化步骤，上述轮廓坐标信息经过去重、去共线点、曲率优化处理后利用数组插入函数生成一个优化后的坐标数组，通过输出数组实时监测；步骤7、最后通过填充子VI计算出最佳打印路径并打印。更进一步具体实施方式中，所述的手动打印步骤，采用并行结构同时运行电机、挤压电机工作和温度控制，运行电机和挤压电机工作通过脉冲信号开启打印步骤，脉冲信号产生时开启喷嘴，挤压电机开始工作，可实现正反两种状态运行；由计数器产生挤压电机的脉冲信号，通过脉冲的占空比和频率设定相应的值调整挤压电机按照所需要的速度运行；由数字量控制挤压电机正反两种状态；在温度控制方式中包括了电压采集和数字输出两个部分，通过预设预热时间进行判断，超过预热时间则跳转到超时分支与预设值比较判断是否需要对加热部件加热，维持温度在一定范围内。更进一步具体实施方式中，所述的步骤2中三角形面片信息即3D模型的切片选用STL格式的文件，STL文件读取后，对其切片进行定层厚拓扑处理，即求设定的等Z平面与切片三角形之间的交点所构成的切片轮廓，具体步骤：步骤2.1提取三角形面片的顶点坐标信息；步骤2.2通过设定的层高移除无关三角形，即保留当前切层下相交三角形；步骤2.3对保留的三角形索引排序并求其与Z平面界面的交点；步骤2.4顺序连接交点，构成当前层切片轮廓。更进一步具体实施方式中，所述的步骤2中三角形面片信息即3D模型的切片选用STL格式的文件,利用STL文件ASCII码格式，将无用信息剔除，获取坐标信息并打包，具体为：使用循环方式完成对每行的索引，循环的次数是固定的，只允许设定循环次数；首先导入STL文件，然后将此文本专利技术件转换为一维数组并传递到两个循环中，两个循环同时运行执行并行操作。此步骤的STL文件的读取和层内坐标信息的获取是利用LabVIEW实现的未借助第三方工具，相比较现有技术中，大部分采用第三方将STL文件里的坐标信息提出来后再导入打印机开始打印，现有技术的导入方式会导致数据传输较慢，不易修改。更进一步具体实施方式中，第一个循环：首先利用数组大小函数和初始化数组函数建立一个存放三角形坐标信息的二维数组，使用循环自动索引出一个字符串元素，利用搜索替换字符串函数搜索关键字，若此字符串元素中包含有关键字，则运行条件结构中标签1对应分支：利用截取字符串函数截取此字符串元素中有效坐标信息，然后使用三个拆分字符串函数和字符串至数值转换函数将此坐标信息转换为数值，将得到的三个数值利用创建数组函数打包成一维数组，最后使用替换数组子集函数将此一维数组替换到预先建立的二维数组中，至此，一个三角形顶点坐标信息采集完毕；若此字符串元素中不包含关键字，则运行条件结构中标签0对应分支：进行下一次循环；所有坐标信息采集完毕后使用删除数组元素函数将无效数组元素删除，然后对数组元素通过扩大十倍取整然后缩小十倍的方式取近似值，最终得到包含所有三角形坐标信息的二维数组；第二个循环：首先自动索引出一个字符串元素，然后与字符串比较，若相等，则运行条件结构中真分支：数值加1；若不等，则运行假分支：对数值不进行改变，循环结束后将会得到此STL文件中包含的所有三角形面片的个数。更进一步具体实施方式中，所述的步骤3，筛选与此层面有交集的三角形面片，按照如下步骤进行：步骤3.1确定层高上下限，排除那些与此层面没有交集的三角形，保留剩下的三角形；步骤3.2把与之有交集的三角形保留下来，把每个三角形的点打包成簇数组。更进一步具体实施方式中，所述的步骤4、使用排序子VI对三角形按一定方向进行排序，按照如下方法进行：排除第一个三角形中与层高没有交点的一条边，选择另外两条边中的一条，以此找出和它有两个重合点的第二个三角形，按此方式依次找出第三第四...第n个三角形；更进一步具体实施方式中，所述步骤5、最后利用切点子V计算出切面与三角形所有交点，即得到此切层包括的所有轮廓坐标信息，其特征在于按照如下步骤进行：切平面与三角形共存在五种关系，切平面与三角形一边重合、与三角形一顶点一边相交，与三角形两边相交，与三角形一顶点重合，使用五个条件结构嵌套的结构；每个条件结构处理一种相交关系；首先使用索引数组函数将一个簇元素取出，解除捆绑后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟仪器的3D打印系统，其特征在于：初始运行步骤，采用层叠式顺序结构完成系统初始运行,初始运行包括登录和前面板控件两个分支运行；参数设置步骤，采用循环内嵌条件结构，对加热部件的热敏电阻进行上下限控制，在等待分支设置事件结构，通过事件结构编辑修改加热部件的热敏电阻进行上下限参数；手动打印步骤，对设备进行预处理，包括对同时对系统进行预热和对喷头坐标进行调试与设定，采用并行结构同时运行电机、挤压电机工作和温度控制；3D打印步骤，对应的3D对象数据进行分层切片、轮廓优化和层片数据处理等处理，得到相应的的坐标信息，最后通过坐标信息来控制三轴电机进行定点打印，通过逐层打印、叠加得到3D对象，具体步骤如下：步骤1、通过文件路径输入控件读取STL文件；步骤2、获取三角形坐标信息；通过三角形坐标获取子VI，获得此STL文件包含的所有三角形面片信息，根据STL文件一行含有一个顶点坐标信息的特点，选择以二维数组的形式打包成簇传递数据；步骤3、二维数组的形式传递数据至三角形轮廓子VI，同时通过数据输入控件设定层高信息，筛选与此层面有交集的三角形；步骤4、使用排序子VI对三角形按一定方向进行排序；步骤5、最后利用切点子V计算出切面与三角形所有交点，即得到此切层包括的所有轮廓坐标信息；步骤6、轮廓优化步骤，上述轮廓坐标信息经过去重、去共线点、曲率优化处理后利用数组插入函数生成一个优化后的坐标数组，通过输出数组实时监测；步骤7、最后通过填充子VI计算出最佳打印路径并打印。...

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟仪器的3D打印系统，其特征在于：初始运行步骤，采用层叠式顺序结构完成系统初始运行,初始运行包括登录和前面板控件两个分支运行；参数设置步骤，采用循环内嵌条件结构，对加热部件的热敏电阻进行上下限控制，在等待分支设置事件结构，通过事件结构编辑修改加热部件的热敏电阻进行上下限参数；手动打印步骤，对设备进行预处理，包括对同时对系统进行预热和对喷头坐标进行调试与设定，采用并行结构同时运行电机、挤压电机工作和温度控制；3D打印步骤，对应的3D对象数据进行分层切片、轮廓优化和层片数据处理等处理，得到相应的的坐标信息，最后通过坐标信息来控制三轴电机进行定点打印，通过逐层打印、叠加得到3D对象，具体步骤如下：步骤1、通过文件路径输入控件读取STL文件；步骤2、获取三角形坐标信息；通过三角形坐标获取子VI，获得此STL文件包含的所有三角形面片信息，根据STL文件一行含有一个顶点坐标信息的特点，选择以二维数组的形式打包成簇传递数据；步骤3、二维数组的形式传递数据至三角形轮廓子VI，同时通过数据输入控件设定层高信息，筛选与此层面有交集的三角形；步骤4、使用排序子VI对三角形按一定方向进行排序；步骤5、最后利用切点子V计算出切面与三角形所有交点，即得到此切层包括的所有轮廓坐标信息；步骤6、轮廓优化步骤，上述轮廓坐标信息经过去重、去共线点、曲率优化处理后利用数组插入函数生成一个优化后的坐标数组，通过输出数组实时监测；步骤7、最后通过填充子VI计算出最佳打印路径并打印。2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的3D打印系统，所述的手动打印步骤，采用并行结构同时运行电机、挤压电机工作和温度控制，其特征在于：运行电机和挤压电机工作通过脉冲信号开启打印步骤，脉冲信号产生时开启喷嘴，挤压电机开始工作，可实现正反两种状态运行；由计数器产生挤压电机的脉冲信号，通过脉冲的占空比和频率设定相应的值调整挤压电机按照所需要的速度运行；由数字量控制挤压电机正反两种状态；在温度控制方式中包括了电压采集和数字输出两个部分，通过预设预热时间进行判断，超过预热时间则跳转到超时分支与预设值比较判断是否需要对加热部件加热，维持温度在一定范围内。3.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的3D打印系统，其特征在于：所述的步骤2中三角形面片信息即3D模型的切片选用STL格式的文件，STL文件读取后，对其切片进行定层厚拓扑处理，即求设定的等Z平面与切片三角形之间的交点所构成的切片轮廓，具体步骤：步骤2.1提取三角形面片的顶点坐标信息；步骤2.2通过设定的层高移除无关三角形，即保留当前切层下相交三角形；步骤2.3对保留的三角形索引排序并求其与Z平面界面的交点；步骤2.4顺序连接交点，构成当前层切片轮廓。4.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的3D打印系统，其特征在于：所述的步骤2中三角形面片信息即3D模型的切片选用STL格式的文件,利用STL文件ASCII码格式，将无用信息剔除，获取坐标信息并打包，具体为：使用循环方式完成对每行的索引，循环的次数是固定的，只允许设定循环次数；首先导入STL文件，然后将此文本发明件转换为一维数组并传递到两个循环中，两个循环同时运行执行并行操作。5.根据权利要求4所述的基于虚拟仪器的3D打印系统，其特征在于：第一个循环：首先利用数组大小函数和初始化数组函数建立一个存放三角形坐标信息的二维数组，使用循环自动索引出一个字符串元素，利用搜索替换字符串函数搜索关键字，若此字符串元素中包含有关键字，则运行条件结构中标签1对应分支：利用截取字符串函数截取此字符串元素中有效坐标信息，然后使用三个拆分字符串函数和字符串至数值转换函数将此坐标信息转换为数值，将得到的三个数值利用创建数组函数打包成一维数组，最后使用替换数组子集函数将此一维数组替换到预先建立的二维数组中，至此，一个三角形顶点坐标信息采集完毕；若此字符串元素中不包含关键字，则运行条件结构中标签0对应分支：进行下一次循环；所有坐标信息采集完毕后使用删除数组元素函数将无效数组元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞，龚志平，冯振楠，谢启，陈飞，徐伟，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32