3D打印机、打印机成型平台的闭环控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术属于3D打印领域，具体涉及一种3D打印机、打印机成型平台的闭环控制系统及控制方法。控制系统包括主控制器、电机驱动器、闭环步进电机、滚珠丝杠传动机构、成型平台以及光栅尺；滚珠丝杠传动机构是由两个互相独立、互为垂直的滚珠丝杠直线模组搭建而成，通过滚珠丝杠副以及直线导轨副实现X‑Y方向传动；成型平台固定在螺母座上，螺母座与丝杠螺母相连；闭环步进电机通过电机驱动器与主控制器相连，由滚珠丝杠传动系统将闭环步进电机的旋转运动转变为成型平台的直线运动；光栅尺作为位置反馈元件，平行于X，Y方向的直线导轨，将成型平台的实际位移信息反馈给主控制器，从而实现闭环补偿，提高成型件的打印精度。

Closed loop control system and control method of 3D printer and printer forming platform

【技术实现步骤摘要】
3D打印机、打印机成型平台的闭环控制系统及控制方法
本专利技术属于3D打印领域，具体涉及一种3D打印机、打印机成型平台的闭环控制系统及控制方法。
技术介绍
3D打印，又称为增材制造，它以数字模型文件为基础，运用可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。它区别于传统的加工技术，在2009年，被定义为“一个与减材制造相反，利用3D模型数据，通常以逐层堆叠累积的方式将材料连接起来构造物体的过程”。3D打印最突出的优点是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。FDM，即熔融沉积成型技术，是3D打印技术的一种，其基于逐层堆积的加工原理，利用成型材料受热熔融、冷却凝固的特点来完成产品的制造。典型的熔融沉积成型系统包括:供料机构、喷头、成型平台、运动系统、控制系统等部分。在上位机的控制下，供料机构将成型材料送入喷头，安装于喷头上的加热器将成型材料加热融化，与此同时，喷头和成型平台在计算机的控制下按照相关层面信息作平面运动，熔融状态的成型材料被挤出后，便沉积在成型平台上形成原型的每一薄层，如此往复，逐层堆积直至制件加工完成。成型平台是3D打印重要的运动模块，其运动精度直接影响打印件的成型精度。目前成型平台多采用开环控制方式，驱动方式采用步进电机，导致我们无法知道步进电机在点位运动的匀速阶段和起动的升速阶段是否失步，在结束时是否超步,运动定位精度不高，无法保证打印质量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种3D打印机、打印机成型平台的闭环控制系统及控制方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于FDM的3D打印成型平台的闭环控制系统，包括成型平台；X/Y向移动组件：包括驱动机构和位置反馈元件，所述驱动机构采用闭环步进电机驱动，用于驱动成型平台在X/Y向移动，所述位置反馈元件用于反馈X/Y向的直线位移；主控制器：与X/Y向驱动机构的闭环步进电机的驱动器和位置反馈元件连接。进一步的，所述位置反馈元件为光栅尺。进一步的，所述控制系统还包括螺母座，所述驱动机构包括滚珠丝杠直线模组，所述螺母座内固定设有丝杠螺母，丝杠螺母和滚珠丝杠直线模组的丝杠螺纹连接，从而将丝杠的转动转化为螺母座的直线运动。进一步的，所述成型平台固定设置在X向移动组件的螺母座上，所述X向移动组件固定在Y向移动组件的螺母座上。进一步的，所述滚珠丝杠直线模组还包括直线导轨，所述螺母座在滚珠丝杆的驱动下，螺母座沿直线导轨运动。进一步的，所述光栅尺设置在直线导轨的侧面，所述光栅尺的读数头沿与光栅尺平行的方向移动并读取丝杠螺母的实际直线位移。进一步的，所述滚珠丝杠两端由轴承支撑，其中一端通过联轴器与闭环步进电机连接。进一步的，所述闭环步进电机包括增量式光电编码器；所述成型平台内设有加热电阻。一种具有上述控制系统的3D打印机，还包括挤出喷头模块，支撑立架，升降模块和基座；所述支撑立架和成型平台闭环控制系统设置在基座上；所述升降模块设置在支撑立架上，且与主控制器连接；所述升降模块端部设有挤出喷头模块；所述成型平台设置在挤出喷头模块的下部。一种上述的控制系统的控制方法，包括如下步骤：步骤(1)：所述主控制器接收上位机的指令向闭环步进电机的驱动器发送脉冲，使闭环步进电机开始转动；步骤(2)：闭环步进电机的转动经联轴器和丝杠转化为丝杠螺母的平移，经X和Y向滚珠丝杆直线模组的组合运动带动成型平台的层面运动；步骤(3)：光栅尺将成型平台移动的位置信息反馈给主控制器，主控制器计算出指令信号和反馈信号的偏差，并用这个差值来进行控制，不断进行补偿和校正。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本专利技术采用闭环步进电机和光栅尺相配合控制系统，其中闭环步进电机兼具步进技术和伺服技术的双重优点，具有不丢步、低发热、加速快、精准定位的特点；且采用光栅尺闭环传感元件，直接测量成型平台的直线位移，并将其转化为数字脉冲反馈给主控制器，实现精确的闭环控制。(2)本专利技术采用十字式结构，搭建简单，成本低廉，实现起来也比较方便。附图说明图1为本专利技术的闭环控制系统的结构示意图。图2为本专利技术的闭环控制系统的控制原理示意图。图3为本专利技术基于成型平台闭环控制的3D打印机总体结构的示意图。附图标记说明：1-X向闭环步进电机，2-X向滚珠丝杠直线模组，3-X向光栅尺，4-Y向闭环步进电机，5-Y向滚珠丝杠直线模组，6-Y向光栅尺，7-成型平台，21-滚珠丝杠，22-轴承A，23-轴承B，24-联轴器，25-直线导轨，71-螺母座，8-挤出喷头模块，9-成型平台运动模块，10-支撑立架，11-升降模块，12-基座。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的
技术实现思路
，特举以下实施例详细说明。下面将结合实施例中的附图，作进一步详细的叙述。如图1所示，本专利技术提供一种FDM3D打印成型平台闭环控制系统，包括X向闭环步进电机1、X向滚珠丝杠直线模组2、X向光栅尺3、Y向闭环步进电机4、Y向滚珠丝杠直线模组5、Y向光栅尺6、成型平台7以及主控制器和X，Y向电机驱动器，所述闭环步进电机通过电机驱动器与主控制器相连，所述X向滚珠丝杠直线模组2，Y向滚珠丝杠直线模组5均是由滚珠丝杠副、直线导轨副实现传动，X向光栅尺、Y向光栅尺作为位置反馈元件，反馈直线位移，以X向滚珠丝杠直线模组2为例，滚珠丝杠21两端由轴承A22、轴承B23支撑，一端通过联轴器24与X向闭环步进电机1连接，成型平台7固定安装在螺母座71上，螺母座71与丝杠螺母相连，从而实现将X向闭环步进电机1的旋转运动转变为成型平台7的直线运动，X向光栅尺固定安装在直线导轨25的侧面，其上的读数头沿与光栅尺平行的方向移动并读取丝杠螺母的实际直线位移。X向滚珠丝杠直线模组2、Y向滚珠丝杠直线模组5互相独立、互为垂直，通过转接板连接搭建成十字式结构。成型平台通过螺母座71安装于X向滚珠丝杠直线模组2的丝杠螺母上随其沿X轴方向往复运动，X向滚珠丝杠直线模组2垂直于Y向直线模组5上并随其沿Y轴方向往复运动，从而实现成型平台在X轴和Y轴两方向上的复合运动配合挤出轴的Z向运动，从而实现3D打印的逐层堆积。闭环步进电机作为执行元件，自带增量式光电编码器，解决了传统步进电机丢步的问题，定位精度高；同时价格比伺服电机低廉，使用简单，适合工程应用。X向光栅尺3、Y向光栅尺6是直线位移检测装置，其上的读数头沿光栅尺平行的的直线移动并读出光栅尺上的读数，并将读数信息反馈给主控制器，主控制器根据读数头的反馈信息实时调整发出的脉冲的数量和频率，保证成型平台的运动精度和定位精度，提高成型件的打印精度。如图2，成型平台闭环控制系统包含控制模块和机械模块两个部分，主控制器与X、Y向电机驱动器相连，而X、Y向电机驱动器又与相应的X向闭环步进电机、Y向闭环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FDM的3D打印成型平台的闭环控制系统，其特征在于，包括/n成型平台；/nX/Y向移动组件：包括驱动机构和位置反馈元件，所述驱动机构采用闭环步进电机驱动，用于驱动成型平台在X/Y向移动，所述位置反馈元件用于反馈X/Y向的直线位移；/n主控制器：与X/Y向驱动机构的闭环步进电机的驱动器和位置反馈元件连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于FDM的3D打印成型平台的闭环控制系统，其特征在于，包括
成型平台；
X/Y向移动组件：包括驱动机构和位置反馈元件，所述驱动机构采用闭环步进电机驱动，用于驱动成型平台在X/Y向移动，所述位置反馈元件用于反馈X/Y向的直线位移；
主控制器：与X/Y向驱动机构的闭环步进电机的驱动器和位置反馈元件连接。


2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述位置反馈元件为光栅尺。


3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括螺母座，所述驱动机构包括滚珠丝杠直线模组，所述螺母座内固定设有丝杠螺母，丝杠螺母和滚珠丝杠直线模组的丝杠螺纹连接，从而将丝杠的转动转化为螺母座的直线运动。


4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述成型平台固定设置在X向移动组件的螺母座上，所述X向移动组件固定在Y向移动组件的螺母座上。


5.根据权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述滚珠丝杠直线模组还包括直线导轨，所述螺母座在滚珠丝杆的驱动下，螺母座沿直线导轨运动。


6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述光栅尺设置在直线导轨的侧面，所述光栅尺的读数头沿与光栅尺平行的方向移动...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲，万重重，唐瑞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32