一种粘结剂喷射金属3D打印自动化产线控制系统及方法

技术领域

本发明属于3D打印领域，具体涉及一种粘结剂喷射金属3D打印自动化产线控制系统及方法。

背景技术

目前，粘结剂喷射3D打印设备因其低成本、高效率的特点，被广泛应用于铸造金属产品的生产，粘结剂喷射技术是一种能够实现批量制造的金属3D打印工艺。其采用高精度打印头将粘结剂有选择的喷射在金属粉末表面，通过层层打印制造形成生坯，对打印后的生坯进行脱脂和烧结，最终生产出高性能零件。与传统铸造以及其他金属3D打印技术相比，该工艺尤其适合中小批量、甚至大批量的零件低成本、高效无模制造，尤其适合于民用市场。

目前粘结剂喷射3D金属打印机运动控制一般只有X轴通过光栅尺来控制精度，而Y轴和Z轴通过步进电机或者伺服电机来进行控制，设备整体运动控制精度不高，无法满足大批量生产对产品一致性的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种粘结剂喷射金属3D打印自动化产线控制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种粘结剂喷射金属3D打印自动化产线控制系统，包括打印单元、上料单元、搬运单元、固化单元和清粉单元，打印单元包括：数据采集模块、PC端、MCU微控制单元、数据处理模块以及运动模块；PC端对三维数据模型进行切片数据处理，将处理后的信息通过通信方式传输给MCU，数据处理模块对传输的信息进行数据处理，转换为控制板所识别的机器语言对相应的运动模块及喷头进行控制，数据采集模块将相应的传感器、编码器、限位开关等信息反馈给PC端，通过PC端的相应处理对整个机器进行反馈控制；

所述MCU包括STM32控制板、FPGA运动控制板及FPGA喷头控制板；STM32控制板和FPGA运动控制板均与PC端电性连接，FPGA喷头控制板与FPGA运动控制板电性连接；

所述数据采集模块包括：测距传感器、光栅尺和限位开关；限位开关包括：X轴限位开关、Y轴限位开关、Z轴限位开关和二级料仓限位开关；光栅尺包括：X轴光栅尺、Y轴光栅尺和Z轴光栅尺；X轴限位开关、Y轴限位开关、X轴光栅尺、Y轴光栅尺与FPGA喷头控制板相连接；Z轴限位开关、Z轴光栅尺、测距传感器与STM32控制板相连接。

进一步地，所述数据处理模块与FPGA运动控制板相连接，数据处理模块对模型图像信息进行分析处理，并将处理信息传输给FPGA喷头控制板。

进一步地，所述运动模块包括：X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、铺粉电机、二级料仓下料电机、喷头升降电机、清洗喷头电机、二级搅拌电机、墨泵以及驱动器；X轴伺服电机、Y轴伺服电机、墨泵、喷头升降电机、清洗喷头电机通过驱动器与FPGA运动控制板相连接；Z轴伺服电机、铺粉电机、二级料仓下料电机、二级搅拌电机通过驱动器与STM32控制板相连接。

进一步地，打印时，计算机软件将模型的信息转换为运动控制的信息，并发送至MCU；其中，Z轴、铺粉电机以及二级料仓下料电机的运动信息通过串口发送至STM32控制板，X轴、Y轴以及喷头升降电机的运动信息通过以太网口发送至FPGA运动控制板；

STM32运动控制板接收到运动信息后，将其转换为电机控制信号，通过步进电机驱动器来控制电机运动；同时，STM32控制板采集二级料仓料位、Z轴限位开关的信号，检测是否缺料、是否运动到极限位置，并将状态返回给计算机软件；

FPGA控制板接收到运动信息后，将运动信号转换为电机控制信号，进而通过驱动器控制步进电机运动；同时采集X轴、Y轴和喷头升降的限位开关状态，判断运动位置；FPGA运动控制板会将接收到的计算机发送的打印图像信息发送至喷头控制板，喷头控制板控制喷头进行喷墨，配合X、Y轴的移动完成图像的打印。

进一步地，所述上料单元包括PLC，PLC上连接有料位计、上料电机以及下料阀，并且PLC与PC端电性连接。

进一步地，当STM32运动控制板检测到二级料仓缺料时，会将信号发送至计算机，计算机软件会控制PLC来启动二级料仓加料，同时检测一级料仓料量进行上料。

进一步地，所述搬运单元包括：MCU1控制板和WIFI1模块，MCU1控制板通过WIFI1模块与PC端进行远程通信。

进一步地，所述固化单元包括：MCU2控制板和WIFI2模块，MCU2控制板通过WIFI2模块与PC端进行远程通信。

进一步地，所述清粉单元包括：MCU3控制板和WIFI3模块，MCU3控制板通过WIFI3模块与PC端进行远程通信。

一种粘结剂喷射金属3D打印自动化产线控制方法，包括以下步骤：

S1，在PC端的软件中选择模型并设置相关参数；

S2，开始打印，根据设置的参数来控制打印单元的运动模块进行铺粉；

S3，逐层打印，每打印完一层粉缸活塞会下降一层的距离并进行下一层铺粉和打印，以此逐层堆叠完成整体的打印；打印过程中，当二级料仓料位传感器检测到缺粉时，控制加料单元进行自动加粉；

S4，打印完成后，PC端将控制信号发送至搬运单元，搬运单元将粉缸取出并运送至固化单元进行加热；

S5，加热完成后，搬运单元将粉缸取出并运送至清粉单元进行清粉和粉末回收。

本发明的有益效果：

1、通过在打印单元的数据采集模块中设置X轴光栅尺、Y轴光栅尺和Z轴光栅尺，相比于现有技术中在Y轴和Z轴通过步进电机或者伺服电机来进行控制而言，提高了控制精度，从而满足大批量生产对产品一致性的要求。

2、采用自动化产线，解决了工人劳动强度高、自动化程度低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的3D打印自动化产线控制系统结构图；

图2是本发明的3D打印自动化产线控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种粘结剂喷射金属3D打印自动化产线控制系统，包括打印单元、上料单元、搬运单元、固化单元和清粉单元。打印单元负责生坯件的打印，在打印过程中出现缺料状态后，会通过上料单元进行补料，打印结束后搬运单元会将生坯件及成形仓运输到固化单元进行预固化，固化完成以后通过搬运单元将成形仓及生坯件运输到清粉单元，对生坯件进行清粉处理。

打印单元包括：数据采集模块、PC端、MCU(微控制单元)、数据处理模块以及运动模块；PC端对三维数据模型进行切片数据处理，将处理后的信息通过通信方式传输给MCU，数据处理模块对传输的信息进行数据处理，转换为控制板所识别的机器语言对相应的运动模块及喷头进行控制，数据采集模块将相应的传感器、编码器、限位开关等信息反馈给PC端，通过PC端的相应处理对整个机器进行反馈控制。

其中，MCU包括STM32控制板、FPGA运动控制板及FPGA喷头控制板；STM32控制板通过RS-232与PC端连接，FPGA运动控制板通过以太网与PC端连接，FPGA喷头控制板通过光纤与FPGA运动控制板相连接；

数据采集模块包括：光电接近传感器、测距传感器、光栅尺和限位开关；限位开关包括：X轴限位开关、Y轴限位开关、Z轴限位开关，光电接近传感器负责二级料仓料位的判断；光栅尺包括：X轴光栅尺、Y轴光栅尺和Z轴光栅尺；X轴限位开关、Y轴限位开关、X轴光栅尺、Y轴光栅尺与FPGA喷头控制板相连接；Z轴限位开关、Z轴光栅尺、测距传感器、光电接近传感器与STM32控制板相连接；

数据处理模块与FPGA运动控制板相连接，数据处理模块对模型图像信息进行分析处理，并将处理信息传输给FPGA喷头控制板；

运动模块：包括X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机、铺粉电机、二级料仓下料电机、喷头升降电机、清洗喷头电机、二级搅拌电机、墨泵以及驱动器；X轴伺服电机、Y轴伺服电机、墨泵、喷头升降电机、清洗喷头电机通过驱动器与FPGA运动控制板相连接；Z轴伺服电机、铺粉电机、二级料仓下料电机、二级搅拌电机通过驱动器与STM32控制板相连接。

上料单元包括：PLC、料位计、上料电机、下料阀，PLC分别和料位计、上料电机、下料阀连接，PLC通过RS-485与PC端连接；当二级料仓缺粉后，PC端会将信息传输给PLC，PLC通过气动方式控制下料阀打开，并对二级粉仓进行补料，当上料单元的料位计触发后，PLC控制上料电机对一级粉仓进行补料。

搬运单元包括：MCU1控制板、WIFI1模块、限位开关和步进电机；MCU1控制板通过wifi模块与PC端进行远程通信；当打印单元结束后，PC端会通过WIFI1模块将信息传输给搬运单元，搬运单元会自动运动到打印单元处，MCU1控制板控制步进电机将打印单元的成形仓接收到搬运单元，通过限位开关对成形仓的位置进行定位，然后将成形仓运输到固化单元。

固化单元包括：MCU2控制板、WIFI2模块、温度传感器、限位开关、加热棒和交流电机；MCU2控制板通过WIFI2模块与PC端进行远程通信；MCU2控制板控制交流电机将搬运单元的成形仓接收到固化单元，通过限位开关对成形仓的位置进行定位，PC端会通过WIFI2模块将固化温度和时间传输给MCU2控制板，MCU2控制采集温度传感器的温度并对加热棒进行控制，实现温度加热及调控，加热完成后，搬运单元将成形仓从固化单元取出运输到供粉单元。

所述清粉单元包括：MCU3控制板、WIFI3模块、电机和限位开关；MCU3控制板通过WIFI3模块与PC端进行远程通信；PC端会通过WIFI3模块将搬运单元信息传输给MCU3控制板，MCU3控制板控制电机将搬运单元的成形仓接收到清粉单元，通过限位开关对成形仓的位置进行定位，然后通过清粉+过筛对生坯件进行清粉和粉末进行回收处理。

打印单元的工作流程如下：

打印时，计算机软件将模型的信息转换为运动控制的信息，并发送至MCU；其中，Z轴、铺粉电机以及二级料仓下料电机的运动信息通过串口发送至STM32控制板，X轴、Y轴以及喷头升降电机的运动信息通过以太网口发送至FPGA运动控制板；

STM32运动控制板接收到运动信息后，将其转换为电机控制信号，通过步进电机驱动器来控制电机运动；同时，STM32控制板采集二级料仓料位、Z轴限位开关的信号，检测是否缺料、是否运动到极限位置，并将状态返回给计算机软件；

FPGA控制板接收到运动信息后，将运动信号转换为电机控制信号，进而通过驱动器控制步进电机运动；同时采集X轴、Y轴和喷头升降的限位开关状态，判断运动位置；FPGA运动控制板会将接收到的计算机发送的打印图像信息发送至喷头控制板，喷头控制板控制喷头进行喷墨，配合X、Y轴的移动完成图像的打印；

此外，当STM32运动控制板检测到二级料仓缺料时，会将信号发送至计算机，计算机软件会控制PLC来启动二级料仓加料，同时检测一级料仓料量进行上料。

自动化产线打印流程如下：

S1，开机后设备进行初始化，正常准备就绪后，在计算机软件中选择模型并设置相关参数。

S2，开始打印后，设备根据设置的参数先进行铺粉；

S3，之后逐层打印，每打印完一层粉缸活塞会下降一层的距离并进行下一层铺粉和打印，以此逐层堆叠完成整体的打印；打印过程中，当二级料仓料位传感器检测到缺粉时，并进行自动加粉，加粉过程不影响打印。

S4，打印完成后，计算机会将控制信号发送至移动小车，移动小车将粉缸取出并运送至固化箱进行加热；

S5，加热时长满足要求后，移动小车会将粉缸取出并运送至清粉箱进行清粉和粉末回收，至此打印完成。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。