[发明专利]采用闭环控制的熔融沉积成型高速3D打印机及控制方法

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，具体是指一种采用闭环控制的熔融沉积成型高速3D打印机及控制方法。

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=dsinθ]]>

当θ很小时，取sinθ≈θ，上式可近似写成：

W=dθ]]>

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采用闭环控制的熔融沉积成型高速3D打印机及控制方法。

为了实现上述的目的，本发明的采用闭环控制的熔融沉积成型高速3D打印机具有如下构成：

机框；

打印平台，连接于所述的机框；

打印行走机构，连接于所述的机框；

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挤出喷头，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。

该采用闭环控制的熔融沉积成型高速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。

该采用闭环控制的熔融沉积成型高速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，固定于所述的挤出喷头并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；