[發明專利]閉環控制熔融沉積成型高速3D打印機及閉環控制方法

有效

• 申請號: 201410122566.1
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN103878981A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 劉海川;袁振國;林進發;季明;宋建勇
• 申請（專利權）人: 磐紋科技（上海）有限公司
• 主分類號: B29C67/00
• 分類號: B29C67/00
• 代理公司: 上海唯源專利代理有限公司 31229
• 代理人: 曾耀先

技術領域

本發明涉及3D打印技術領域，特別涉及3D打印機結構及3D打印控制方法技術領域，具體是指一種閉環控制熔融沉積成型高速3D打印機及閉環控制方法。

背景技術

熔融沉積成型法(FDM，Fused?Deposition?Modeling)是一種3D打印常用的工藝。這種方法是通過XY行走機構控制的加熱頭，按照零件三維模型每一預設厚度切片層數據的輪廓及填充軌跡，擠出熔化的絲狀材料，如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲于基板或已固化的材料上，從而使熔化的材料沉積固化，這樣逐層生成出所需要的零件。

現有的采用熔融沉積成型法的3D打印機，其缺點在于，帶動噴頭的運動機構由于結構或控制等關系，會產生一定的誤差，在應用于高精度要求的產品打印時，就難以滿足相關的技術要求。

光柵電子細分技術的實現機構包括光柵尺和光柵讀取器，其工作原理是基于物理學的莫爾條紋原理，如圖1所示。當光柵讀取器上的線紋與光柵尺上的線紋成某個很小的角度θ時，兩個光柵上的線紋會互相交叉。在平行光的照射下，可以看到與光柵線紋垂直、明暗相間的條紋就是莫爾條紋。

圖1中，W為莫爾條紋的寬度，d為光柵的柵距，則有以下幾何關系：

W=dsinθ]]>

當θ很小時，取sinθ≈θ，上式可近似寫成：

W=dθ]]>

若取d=0.01mm，θ=0.01rad，則由上式可得W=1mm，可見，利用莫爾條紋原理，能把細小的光柵距轉換成為放大了100倍的莫爾條紋的寬度。

當兩個光柵連續發生相對移動時，莫爾條紋會沿著與光柵垂直的方向移動。兩光柵相對移動一個柵距d，莫爾條紋便相應移動一個莫爾條紋寬度W。當兩光柵尺相對移動的方向改變時，莫爾條紋移動的方向也隨之改變。

根據莫爾條紋原理，當光源為平行光時，通過莫爾條紋的光強度為余弦函數。若在光柵讀取器的莫爾條紋移動方向上，選擇兩個通光窗口A和B，則可以得到如圖2所示的兩個相位相差90度的余弦函數變化波形。

在光柵讀取器中，采用光敏元件將光強度信號轉化為電信號，并將余弦信號轉換為脈沖信號，則可以得到如圖2所示的兩組相位差為90度的脈沖信號。運動控制系統可以通過檢測A、B相的脈沖信號，來得到兩光柵的真實相對位移和方向。

發明內容

本發明的目的是克服了上述現有技術中的缺點，提供一種利用光柵技術，有效補償運動機構的運動誤差，從而大幅提高打印精度，能夠滿足高精度打印的技術要求，且結構相對簡單，成本低廉，實現方式簡單，應用范圍相當廣泛的閉環控制熔融沉積成型高速3D打印機及閉環控制方法。

為了實現上述的目的，本發明的閉環控制熔融沉積成型高速3D打印機具有如下構成：

機框；

打印行走機構，連接于所述的機框；

打印平臺，連接于所述的打印行走機構；

擠出噴頭，連接于所述的打印行走機構；

驅動模塊，連接并驅動所述的打印行走機構；

光柵模塊，固定于所述的機框和打印行走機構，用于檢測擠出噴頭的實際位移；以及

控制模塊，用于根據設定的打印數據控制所述的驅動模塊，并根據所述的擠出噴頭的實際位移與所述的打印數據之間的誤差進行補償控制。

該閉環控制熔融沉積成型高速3D打印機中，所述的打印行走機構為具有相互垂直的X軸與Y軸的十字形打印行走機構，所述的擠出噴頭固定于所述的X軸與Y軸相交的位置并可在所述的驅動模塊的控制下沿所述的X軸和Y軸移動。

該閉環控制熔融沉積成型高速3D打印機中，所述的光柵模塊包括：

X軸光柵尺，固定于所述的機框，并平行于所述的X軸；

Y軸光柵尺，固定于所述的機框，并平行于所述的Y軸；

X軸光柵讀取器，固定于所述Y軸上靠近所述的X軸光柵尺的一端，并可隨所述Y軸的移動沿所述的X軸光柵尺運動，且該X軸光柵讀取器連接所述的控制模塊，用以配合所述的X軸光柵尺讀取擠出噴頭沿X軸的位移數據；