[发明专利]3D打印的CNC系统与打印文件的生成方法、打印方法

说明书

技术领域

本申请属3D打印领域，具体涉及一种用于3D打印的计算机数字控制系统(Computer Numerical Control system，CNC系统)与编程界面，以及打印文件的生成方法与三维实体的打印方法。

技术背景

在学术界，特别是在制造业，与传统的减材制造(subtractive manufacturing)相对应，以增材制造(additive manufacturing)来概括多种快速成型技术(Rapid Prototype)。

2009年，美国材料与试验协会的增材制造标准委员会(ASTM F-42)将增材制造定义为：基于3-D模型数据，采用与减材制造相反的逐层叠加的方式，通过连结材料来生产实体的过程。(F2792-10标准：The process of joining materials to make objects from3-D model data,usually layer upon layer,as opposed to subtractive manufacturing technologies。)

这是制造业的专业定义。

随着增材制造技术的发展，增材制造的理念超越了制造业，在许多领域里开拓了创造性的应用，3D打印这一术语迅速流行。

在网络等大众媒体上，术语“3D打印”已取代“增材制造”。

3D打印取代增材制造，并非是术语的简单更換，而是创新理念的改变。

3D打印机是一种新发明的工具。作为工具，3D打印机可以用于制造业，也可以用于其他产业。

3D打印的内涵远远大于增材制造。

在本申请中，用3D打印来概括增材制造及其外延。

3D打印的一个突出的优点是个人制造(personal manufacturing)，自己动手(Do It Yourself，DIY)设计、开发个性化产品。

随着价格低廉的桌面3D打印机的问世，就像智能手机那样，每个人都将拥有3D打印机，3D打印机必然像智能手机那样大众化。

新工具的发明及其大众化是革命的原动力。

3D打印机的大众化意味着，每个人都用得起3D打印机，每个人都会使用3D打印机，每个人都会编写打印程序，每个人都会改装3D打印机。

在先进制造业中，无论是传统的减材制造(subtractive manufacturing)，还是新兴的增材制造(additive manufacturing)，计算机数字控制(Computer Numerical Control，CNC)都是基础技术。现有3D打印技术采用基于IEEE定义的现有CNC系统，G代码程序成为打印程序的编程界面。

作为3D打印的基础技术，基于IEEE定义的现有CNC系统远远不能适应3D打印技术的大众化，主要表现在下述几个方面。

1、CNC系统的开放性与可重构性

现有CNC系统的基本原理是，在一个插补周期中，对于不同的刀路曲线，例如，直线或圆弧，实时操作系统调用直线插补模块或圆弧插补模块，根据进给速度，采用直线插补算法或圆弧插补算法实时插补相关坐标轴在插补周期中的进给量，发送给相关伺服驱动器，驱动相关坐标轴产生合成位移。跟随插补周期，如此周而复始，完成工件的加工。

本申请将这种控制方法称之为插补迭代控制。

插补周期固定不变，是现有CNC系统最重要的系统参数。中低速CNC系统的插补周期一般为8ms、4ms、2ms。插补周期小于0.1ms成为高端CNC系统的标志。

插补算法的运算时间和计算精度影晌CNC系统的整体性能，特别是加工精度与加工速度，是现有CNC技术的核心。

上世纪八十年代以来，CNC系统的开放性与可重构性始终是数控领域关注的热点。然而，由于基于IEEE定义的现有CNC系统存在许多内生的缺陷，至今成效不大。

在基于IEEE定义的现有CNC系统中，对于不同的曲线，例如，直线、圆弧、抛物线、渐开线、NURBS曲线等，必须研发相应的插补算法并在数控应用软件中配置相应的实时控制模块，其体系结构是面向对象的，而不是面向过程的，无法向用户开放。

对3D打印机进行改装通常意味着机械系统必须重构，例如，增加喷嘴与坐标轴。

在基于IEEE定义的现有CNC系统中，相应于机械系统的重构，实时控制过程的重构必然涉及实时控制模块的修改，或替换、增加实时控制模块。舍此之外，再无其他技术手段。