[发明专利]一种3D打印机挤出头梯形速度曲线控制系统

说明书

本发明公开了一种3D打印机挤出头梯形速度曲线控制系统，包含一种全新的梯形速度曲线控制机制。与传统的由固件程序来实现梯形速度曲线控制不同，本发明是基于硬件实现速度控制。摒弃了原解决方案需要定时器中断程序驱动挤出头运行的缺陷，所有计算过程用硬件IP核(知识产权核)实现，其划分为几个功能子模块，各自负责不同的功能。硬件化的设计在输出3D打印机挤出头梯形速度曲线时简化了计算过程，释放了CPU的负荷，增强了计算的稳定性，减少了计算时间，为提高3D打印机打印速度做出贡献。

技术领域

本发明涉及3D打印技术，更具体地说，是一种3D打印机挤出头梯形速度曲线控制系统。

背景技术

近几年来，3D打印机技术的研究与应用越来越受到学术界和商业界的重视，它被称为第三次工业革命的重要标志之一。3D打印是一种快速成型的制造技术，不同于传统的“减法”制造，它是利用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料进行分层叠加的“加法”制造。它的工作机理是利用电脑端的切面软件(如skeinforge)处理设计好的三维模型，生成G代码传送至3D打印机，3D打印机在接收到G代码后产生相应的控制指令，控制挤出头做出正确的打印动作。总体而言，3D打印机的运动实际上就是打印头的运动，在打印3D模型时，打印机是一层一层的打印，而挤出头在打印某一层时，是按照特定的运动轨迹(直线或曲线)逐点打印的。但在传统的解决方案中，挤出头的运动及速度控制是在固件程序中来完成的，且运用了定时器中断程序，3D打印机的实际打印速度取决于定时器的中断频率，这就使得打印速度有一定的局限性，通过对原固件进行的试验也证实了以上结论。

3D打印机挤出头的运动驱动控制其实质就是挤出头的速度控制，3D打印机挤出头采用梯形速度曲线来实现速度控制，标准的梯形速度曲线包含加速、匀速、减速三个阶段。对于控制挤出头运动的步进电机而言，速度控制曲线一般有三种形式，如图1所示，100是按阶梯规律运行的速度曲线，即步进电机每加速一次到达一个阶梯，维持当前的速度不变，这个速度曲线形式的缺点在于没有恒定的加速阶段，没有充分利用步进电机的加速特性；101是直线型的标准梯形速度曲线，有恒定的加速减速阶段，也是最适合应用于步进电机速度控制的一种形式；102是指数型速度曲线，其缺点在于在高速阶段，加速度太大，这就可能导致步进电机的力矩太小容易发生失步等现象。综上，直线型标准梯形速度曲线有恒定的加速度，无疑是控制步进电机速度的最好选择。

传统的挤出头速度控制解决方案中，是由固件来实现的，如图2所示是固件的整体框图，挤出头运动驱动在其中处于非常重要的位置。固件从setup()初始化函数200开始，许多用于计算速度参数的宏定义参数，以及温度计算的参数，包括定时器的初始化都在这里完成。而后在loop()循环201中，将从上面传来G代码向下传递，进行G代码的解析202，若无G代码输入，则一直循环等待，若有G代码输入，则将G代码数据输入至挤出头运动驱动模块203进行数据处理，最终完成挤出头运动控制，且完成热端和打印床的温度控制204，执行完整的3D打印过程。

挤出头运动驱动在固件中处于重要的位置，其可以描述为一个前后台系统。后台为速度参数计算函数，挤出头运动驱动接受G代码解析传输过来的X、Y、Z、E轴的终点坐标、进给速度等参数，后台的速度参数计算函数205将这些数据加以计算，把计算出来的和运动相关的一系列参数以块结构体的形式存入到buffer块缓存206中。而前台为中断服务程序207，中断程序受控于定时器，它从buffer块缓存中取出块并执行，最终转化为挤出头的运动。

速度参数计算函数生成了梯形速度曲线，但在实际的打印过程中的速度取决于中断服务程序中的定时器，它以取出的块中的速度参数为计算基值，根据这个速度参数经过复杂的计算，来设置定时器的值，速度参数值越大，定时器的值就越小，所以实际的打印速度取决于定时器的中断频率。但这恰恰也成为了制约其打印速度的一个很重要的原因，当定时器的中断频率达到一定程度时，固件的处理速度会跟不上中断频率，这样会导致打印速度总会有一个相对的极限值。