[发明专利]可打印高温材料的3D打印机控制系统

摘要

本发明公开了一种可打印高温材料的3D打印机控制系统，包括硬件系统和软件系统，软件系统包括控制程序，硬件系统包括辅助机构、3D打印执行机构和控制电路；X轴运动机构架设在Y轴运动机构上；Z轴运动机构设置在机箱内部；挤料机构设置在X轴滑块上方；3D打印头设置在X轴滑块下方；打印预热组件设置在机箱内部，用于在密封的机箱产生恒定的高温环境打印温度。其优点是：结构紧凑、科学；对打印高温材料进行预热，打印工作温度大幅提高至450摄氏度，解决了打印高温材料的技术问题。打印材料兼容性好；X轴滑块仅受X轴方向的力，磨损小，使用寿命长，维护工作量小，3D打印头运动流畅，打印出丝均匀顺畅准确，打印效果更佳。

主权项

1.一种可打印高温材料的3D打印机控制系统，其特征是，包括硬件系统和软件系统，软件系统包括控制程序，硬件系统包括辅助机构、3D打印执行机构和控制电路；其中，辅助机构包括：机箱，具有封闭的箱体，箱体内壁设有保温隔热材料；箱体正面设有可开闭的对开门，对开门的门扇上设有透明观察窗；箱体顶部设有天窗和旋转开闭的窗盖，窗盖也设有透明观察窗，机箱侧面设置有隔热控制室；隔热控制室内设有电控室、温控室和料仓，温控室设有隔热控制室的下部；电控室外设有盖板，盖板上设有通风散热条孔；料仓内设有安装打印材料卷筒的挂料轴，料仓外设有仓门；控制器，包括前述硬件系统的控制电路，设置在电控室内部，用于可打印高温材料的3D打印机控制系统的工作控制；电控室顶部设有触摸屏，触摸屏两侧设有操作旋钮和SD卡插槽，箱体顶部前侧设有倾斜过渡面；触摸屏、操作旋钮和SD卡插槽从倾斜过渡面露出；打印预热组件，设置在温控室内，用于在封闭的机箱产生恒定的高温环境打印温度，打印预热组件包括防护罩、横流风扇、内部环境加热器和内部环境测温装置；内部环境测温装置设置在机箱内部，内部环境加热器设置在机箱底部右侧，横流风扇设置在防护罩上；内部环境加热器为PTC陶瓷加热器；机箱底部设有进风排孔；其中，3D打印执行机构包括：XY平面运动机构，横跨设置在机箱内部的顶部，用于驱动3D打印头组件产生水平任意方向的移动；XY平面运动机构包括平面安装框架、X轴运动机构和Y轴运动机构，X轴运动机构架设在Y轴运动机构上、并受Y轴运动机构驱动其作Y轴方向的直线运动；其中，平面安装框架的上部四角处均设有轴承座；Y轴运动机构包括Y轴驱动装置、2组Y轴滑轨组件、主动传动杆、从动传动杆、以及左右对称设置的2组Y轴同步带组件，每组Y轴同步带组件包括Y轴同步带、Y轴主动同步轮和Y轴从动同步轮，Y轴主动同步轮和Y轴从动同步轮通过Y轴同步带联动；2组同步带组件的Y轴主动同步轮设于Y轴主动传动杆的两端，2组同步带组件的从动同步轮设于从动传动杆的两端；Y轴驱动装置包括Y轴步进电机、Y轴驱动同步带和Y轴驱动同步轮，Y轴步进电机和Y轴驱动同步轮之间Y轴驱动同步带传动联接，Y轴步进电机设置在平面安装框架内侧，Y轴驱动同步轮套设在主动传动杆上；主动传动杆和从动传动杆的两头均可转动地设在轴承座上；2组Y轴滑轨组件对称地设置在平面安装框架2条相对的边框上，1组Y轴滑轨组件分别对应1组Y轴同步带组件，每组Y轴滑轨组件包括Y轴导轨和Y轴滑块，Y轴导轨固定在Y轴同步带下方的平面安装框架的边框上，Y轴滑块下部可滑动地设在Y轴导轨上，Y轴滑块上部固定在Y轴同步带；平面安装框架的边框上设有2个Y轴限位开关，2个Y轴限位开关分布在其中1组Y轴滑轨组件的Y轴导轨的两端外侧，2个Y轴限位开关受Y轴滑块到达极限位置触发；X轴运动机构包括X轴步进电机、X轴工字形方轨、X轴滑块和X轴同步带组件，X轴同步带组件包括X轴同步带、X轴主动同步轮和X轴从动同步轮，X轴主动同步轮和X轴从动同步轮通过X轴同步带联动；X轴工字形方轨两端跨接固定在Y轴滑轨组件的Y轴滑块上，X轴滑块下部可滑动地卡套在X轴工字形方轨上，X轴滑块上部固定在X轴同步带上，X轴主动同步轮设置在X轴步进电机设置的输出轴上，X轴步进电机设置在其中一组Y轴滑轨组件的Y轴滑块上，X轴从动同步轮设置在另一组Y轴滑轨组件的Y轴滑块上；Y轴滑块上设有X轴限位开关， X轴限位开关设置在在X轴工字形方轨的两端， X轴限位开关受X轴滑块到达极限位置触发；Z轴运动机构，纵向设置在机箱内部，用于驱动3D打印载体产生垂直方向的移动，Z轴运动机构包括作为3D打印载体的打印平台、托架和2组联动的升降机构，2组升降机构对称设置在机箱内部；升降机构包括丝杆、丝杆螺母、Z轴步进电机、导轴、上梁、升降梁和下梁；导轴两端分别固定在上梁和下梁上，丝杆螺母设于升降梁上，丝杆两端设有轴承，丝杆两端通过轴承与导轴平行地设置在上梁和下梁上；升降梁设有套在导轴上的Z轴升降直线轴承；托架水平地架设有在2组升降机构的升降梁上，打印平台设在托架上；Z轴步进电机设于下梁下方，Z轴步进电机的驱动轴从下梁处向上伸出并通过连轴器与丝杆连接；上梁底部设有Z轴限位开关，Z轴限位开关受升降梁到达极限位置触发；打印平台背部设有平台加热板和打印平台测温装置；挤料机构，设置在X轴滑块的顶部，用于将打印线材输送到3D打印头内，挤料机构包括挤料座、挤料步进电机和挤料头、挤料盖；挤料盖可拆卸地设在挤料头前侧，挤料步进电机设于挤料座一侧，挤料头竖直设置在挤料座前侧；挤料头内部设有供打印线材穿过的纵向送料通道，挤料头内部设有挤料腔，纵向送料通道从挤料腔中向下穿过，挤料腔内设有压紧装置、以及可相对滚动的送料轮和轴承滚轮，送料轮和轴承滚轮相对分布在纵向送料通道的左右两侧，挤料步进电机的输出轴伸进送料轮所在的挤料腔，送料轮套在挤料步进电机的输出轴上，轴承滚轮设置在压紧装置上，送料轮和轴承滚轮之间形成一个与纵向送料通道相通的送料过道；压紧装置包括压紧拐臂、调节臂和调节螺丝；压紧拐臂的拐弯处通过一转轴可转动地固定在右下侧，轴承滚轮可转动地设置在压紧拐臂上翘的上拐臂侧面，调节臂压在压紧拐臂平放的下拐臂上；挤料头内部左侧设有供调节臂上下升降活动的调节槽，在调节槽上方设有限定调节螺丝活动空间的T形槽，调节螺丝通过螺纹设置调节臂的上部，T形槽上方设有供调整工具介入的调节孔；调节槽上部侧面设有观察窗，调节臂的上部侧面设有伸进到观察窗的位置指标臂；3D打印头，衔接在X轴滑块底部，用于将打印线材融熔后进行增材打印在3D打印载体上，打印头包括喉管，将打印材料融熔并挤出的融熔喷头，以及对融熔喷头进行加热的铝块；喉管上端固定在X轴滑块底部，融熔喷头设置在喉管下端，融熔喷头通过喉管与挤料机构的出料口连通；铝块套在喉管和融熔喷头上，将喉管和融熔喷头连接在一起；融熔喷头固定在导料管下端，导料管上端固定在X轴滑块上并与挤料机构的出料口相通；铝块内埋设有喷头加热器和热电偶；融熔喷头上部为安装部，融熔喷头下部设有圆锥结构的喷嘴，喷嘴内部设有一个倒圆台形结构的熔腔，熔腔下方设有延伸到喷嘴外的喷孔；X轴滑块内部设有供打印线材穿过的纵向穿线孔，纵向穿线孔上部和纵向送料通道下部之间设有导料管；X轴滑块的侧面设有模型散热蜗扇，模型散热蜗扇下方衔接有风口对着喷嘴的导风配件；挤料座侧面设有挤料散热风扇；其中，控制电路包括以下电路：主控单元电路，用于装载控制程序，接收各种传感器的信号和参数，以及输出控制各执行单元动作的控制信号；主控单元电路包括主控MCU、以及与主控MCU连接的主控运行外围电路；主控运行电路包括时钟电路和复位电路；电源模块电路，用于为整体系统提供电源，包括5V电源和24V电源；控制信号输入电路，用于获取限位开关的位置信号和控制信号，包括均与主控MCU的输入端连接的旋钮检测电路、以及前述的X轴限位开关、Y轴限位开关、以及Z轴限位开关；喷头加热控制电路，用于控制3D打印头的融熔喷头的温度控制，包括与主控MCU的输出端连接的喷头加热驱动电路，以及与主控MCU的输入端连接的喷头测温电路；喷头测温电路与前述的热电偶连接，将融熔喷头的温度参数反馈回主控MCU；喷头加热驱动电路与前述的喷头加热器连接；打印平台加热控制电路，用于打印平台的独立温度控制，包括包括与主控MCU的输出端连接的打印平台加热板电路，以及与主控MCU的输入端连接的打印平台测温电路，打印平台测温电路将打印平台的温度参数反馈回主控MCU；内部环境温控电路，用于机箱内部环境温度的控制，包括均与主控MCU的输出端连接的固态继电器，固态继电器作为驱动器与前述的内部环境加热器连接；前述的内部环境测温装置与主控MCU的输入端连接，将机箱内部环境温度参数反馈回主控MCU；通讯电路，用于3D打印数据的和远程控制信号的连接，包括均与主控MCU的相应通讯功能接口连接的USB通讯、以及wifi模块电路；储存电路，用于3D打印数据和打印状态数据的储存，包括均与主控MCU的连接的FLASH存储器模块、SD卡读卡模块；报警电路，用于异常时发出报警信号，包括均与主控MCU的输出端连接的蜂鸣器或LED；LCD显示驱动电路，用于信息显示，分别与触摸屏主控MCU的输出端和连接；X轴步进电机驱动单元电路，由主控MCU控制，用于驱动X轴步进电机工作，分别与主控MCU的输出端和X轴步进电机连接；Y轴步进电机驱动单元电路，由主控MCU控制，用于驱动Y轴步进电机工作，分别与主控MCU的输出端和Y轴步进电机连接；Z轴步进电机驱动单元电路，由主控MCU控制，用于驱动Z轴步进电机工作，分别与主控MCU的输出端和Z轴步进电机连接；挤料步进电机驱动单元电路，由主控MCU控制，用于驱动挤料轴步进电机工作，分别与主控MCU的输出端和挤料步进电机连接；风扇驱动单元电路，由主控MCU控制，用于驱动模型散热蜗扇和挤料散热风扇工作，分别与主控MCU的输出端和模型散热蜗扇、挤料散热风扇连接；其中，控制程序包括以下步骤：步骤S101，系统初始化：系统上电后，对系统中的各个单元进行初始化；步骤S102，主循环：系统上电初始化后，程序从此处开始运行；步骤S103，指令队列是否有空间：指令队列是否有空间进行检查，如果有空间则进入步骤S104，若没有空间则进入步骤S105；步骤S104，注入指令：指令队列有空间，则在该空间注入指令；步骤S105，处理指令：注入指令后接着处理指令；步骤S106，修整指令数据：对读取到的指令数据进行格式修正，删除无效数据；步骤S107，将指令存入队列：将修正完成的最新指令加入指令队列；步骤S108，指令队列有否G\M代码：判断指令队列有G代码或M代码，如果有G代码或M代码则进入步骤S109，如果没有G代码或M代码则进入步骤S111；步骤S109，解析G\M代码创建动态指针列表并指向代码：若指令队列有G代码或M代码，则对G代码或M代码进行解析，并创建动态指针队列并指向相应的代码；步骤S110，G\M代码执行根据指针索引执行指令：G代码或M代码执行根据指针索引执行指令所对应的功能；步骤S111，主指令队列有指令否：判断主指令队列是否有指令，如果主指令队列中有主指令队列有指令则进入步骤S112，如果主指令队列中没有指令则进入步骤S113；步骤S112，总指令计数器‑1读指针+1：若主指令队列中有主指令队列有指令，则总指令计数器‑1、读指针位置+1；步骤S113，温度管理程序：然后进入温度管理程序，对各温度指标进行调度；步骤S114，限位触发检测：对X轴限位开关、Y轴限位开关、以及Z轴限位开关的状态进行检测，根据检测结果则进入相应的处理程序；步骤S115，触摸屏按键检测：对触摸屏进行按键检测，根据检测结果则进入相应的处理程序；步骤S116，屏幕显示更新：对触摸屏的屏幕显示进行显示数据更新，然后返回到步骤S102中，进行下一次的程序循环；在步骤S113，进入温度管理程序后，温度管理程序包括以下步骤：步骤S201，温度管理模块入口：进入温度管理模式；步骤S202，温度管理模块：对内部环境加热器、喷头加热器、平台加热板进行温度监控；步骤S203，是否完成温度传感器值读取：如果完成温度传感器数值的读取则进入步骤S204，若没有完成温度传感器数值的读取则返回步骤S201；步骤S204，温度传感器值转换：完成温度传感器数值的读取后，发出数值转换指令；步骤S205，模拟电压转为数字温度：将温度传感器数值进行A/D转换，即将温度传感器产生的模拟电压信号转为逻辑数字温度；步骤S206，温控PID参数调整：根据获得的温度传感器数字温度，对控制目标内部环境加热器、喷头加热器、平台加热板进行PID参数调整；步骤S207，LCD显示刷新：刷新各数字温度在LCD的显示；然后返回到步骤S201中，进行下一次的程序循环；在步骤S202中，进入温度管理模块后，温度管理模块包括以下步骤：步骤S301，温度控制中断服务程序：通过中断服务来进入温度管理；步骤S302，清除中断标志：进入温度控制中断服务程序后，清除中断标志；步骤S303，PWM加热控制：分别输出相应的脉宽调制信号，根据温控PID参数以PWM方式实时调整，加热功率0%~~100%，对内部环境加热器、喷头加热器、平台加热板进行加热控制，从而控制机箱内部环境温度的加热温度，控制融熔喷头的加热温度，控制打印平台的加热温度；步骤S304，读取温度传感器数值：读取温度传感器数值；步骤S305，检测读数是否异常：如果检测温度传感器数值无异常则进入步骤S306，若检测温度传感器数值有异常则进入步骤S307；步骤S306，等待下一次中断产生：如果检测温度传感器数值无异常则等待下一次中断产生；步骤S307，异常处理：若检测温度传感器数值有异常，则进入异常处理程序；步骤S308，关闭所有加热部件：关闭内部环境加热器、喷头加热器、平台加热板；步骤S309，显示警告信息：在触摸屏上循环显示警告信息；排除问题后需重启系统后方可使用。