光固化快速成型3d打印機的閉環控制系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種3D打印機，特別是涉及一種光固化快速成型3D打印機的閉環控 制系統及方法。
【背景技術】
[000引增材制造（AdditiveManufac化ring,AM)技術是一種采用材料逐漸累加的方法制 造實體零件的技術，其相對于傳統的材料去除--車削、切削、磨削等加工技術而言，增 材制造技術是一種自下而上的制造方法，其基于離散--堆積原理，由零件H維數據驅動直 接制造零件。近二十年來，AM技術取得了快速發展，AM技術同時又稱為快速原型制造技術、 3D打印技術、實體自由制造技術等。AM技術先生成一個產品的H維CAD實體模型或曲面模 型文件，然后將該文件轉換為STL格式文件，再用軟件從轉換后的STL文件中切出已設定厚 度的一系列片層，送些片層按次序累積起來后仍是所設計的零件形狀；將上述一系列片層 的資料傳遞到快速成型機（也就是3D打印機）中，用材料添加法依次將每一層制造出來、 并將制造好的各層依次連接，直至完成整個零件。
[0003] 目前，3D打印的成型技術主要有W下幾種；立體光固化快速成型（SLA)、選擇性激 光燒結成型（SLS)、烙融沉積制造（FDM)、疊層實體制造化OM)、H維打印（3D巧和選擇性激 光金屬烙敷（SLM);其中，光固化（SLA)設備是一個結合了固體激光器、光化學材料、掃描控 制、RP數據處理、電氣控制W及機械設計等技術的跨學科集成系統，其成型原理是基于光敏 樹脂受紫外光照射凝固的原理，計算機控制激光逐層掃描固化液槽中的光敏樹脂。每一層 固化的截面是由零件的H維CAD模型軟件分層得到，如此逐層疊加，直至最后得到光敏樹 脂實物原型。與基于抑M開源技術的低成本桌面型3D打印設備相比，SLA設備的制造成本 和工藝復雜度高，在工藝控制、成型質量W及市場進入、產業資源配套等方面有較高進入口 檻，目前在全球范圍內，能充分完全掌握SLA技術和工藝的公司不超過5家。
[0004] 在制造每一片層的過程中，光固化快速成型是利用液態光敏樹脂在紫外激光的照 射下吸收光能，然后發生光聚合反應而成型零件。具體說，如圖1所示，基于光固化快速成 型的3D打印機主要包括機架、Z軸升降系統101、樹脂槽102、涂層系統和樹脂循環系統構 成，Z軸升級系統的下端固定有一L形的巧架103,該巧架103上固定有一工作平臺104,Z 軸升降系統101帶動工作平臺104上下移動；所述樹脂槽102中放置有樹脂，樹脂液面的 上方設有一用于發射激光的激光光源105。在初始時，工作平臺位于樹脂液面上，激光在計 算機的控制下掃描并固化出第一層；Z軸升降系統通過巧架帶動工作平臺向下移動一層， 樹脂液面保持不變，涂層系統使得剛剛固化的第一層上涂上一薄層樹脂，則激光在計算機 的控制下掃描并固化出第二層，且第二層與第一層粘接在一起，如此循環后依次固化出零 件的每一層，直至制作出整個零件。在實際成型過程中，前幾十層一般都是支撐，支撐制作 完成后才開始制作零件。故由此可知：零件的分層厚度（也就是每一片層的厚度）是一個 重要的工藝參數，它決定了成型零件的表面精度和制作時間，因而，分層厚度的確定要綜合 考慮零件的表面精度要求和制作時間。除此之外，分層厚度并不是可W任意小，送主要是由 于樹脂表面張力的影響，使得薄層樹脂的涂層受限制，樹脂粘度越大，薄層樹脂的涂層就越 難，從而限制了分層厚度的減小。最小分層厚度與樹脂的粘度有關，樹脂粘度越小，分層厚 度可W越小，制造零件過程中每個片層的層厚一般為0.Olmm~0. 5mm。
[0005] 在3D打印領域中，一般采用開環控制的方式來控制Z軸升降系統的下移距離，Z軸 升降系統由電機、絲杠螺母機構構成，所述電機為步進電機或伺服電機，通過絲杠螺母機構 將電機的轉動轉換為螺母的上下升降運動，從而帶動巧架和工作平臺一起上下升降運動。 開環控制，即控制器發送脈沖至電機驅動器，根據發送的脈沖數計算出理論的位置行程，根 據發送脈沖的頻率計算出理論的運動速度：
[0006] 理論位置行程
[0007] 理論運動速度
[0008] 上述式中，n為控制器相電機驅動器發送的脈沖數；
[0009] N為電機走一圈所需要的脈沖量；
[0010] A為絲杠的導程；
[0011] f為發送脈沖的頻率。
[001引比如；在電機驅動器內設定驅動器接收10000個脈沖，控制電機走一圈，絲杠的導 程為5mm(即螺紋的螺距），則當向電機驅動器發送1000個脈沖時，理論位置行程為Z為 0. 5mm，當發送脈沖的頻率為IOKHz時，理論運動速度速度為5mm/s。
[0013] 但是，經實際實踐后發現，上述開環控制存在W下缺點：
[0014] 1、絲杠螺母機構存在機械加工誤差，則影響絲杠的導程精度，如絲杠的某一段導 程是5.OOOmrn,另一段則變成4.992mm，或者5.Ollmm,或者間隙影響精度，從而影響理論位 置行程的精度，降低工作平臺的定位精度；
[0015] 2、控制器向電機驅動器發送脈沖，但電機驅動器未完全執行，比如控制器發送 2000個脈沖到電機驅動器，但電機驅動器最終驅動電機執行了 1999個脈沖，如此也會產生 工作平臺下降誤差；
[0016] 3、剎車停止的瞬間，可能過沖或移動過量，特別是在發送脈沖的頻率較高時，當脈 沖執行完畢后，剎車不能馬上停止，比如下滑了 0. 008mm，送樣會產生誤差。
[0017] 所W，在開環控制的方式下，Z軸升降系統驅動工作平臺下降的運動定位精度不 高，從而影響零件的成型精度、尺寸精度和表面質量。
【發明內容】
[0018] 鑒于W上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種Z軸升降系統運動定 位精度高的光固化快速成型3D打印機的閉環控制系統。
[0019] 為實現上述目的，本發明提供一種光固化快速成型3D打印機的閉環控制系統，包 括機架、設在機架中的Z軸升降系統、電機、滑塊、巧架和工作平臺，所述Z軸升降系統分別 連接電機和滑塊、用于將電機的轉動轉換成滑塊的上下直線運動，所述巧架的上端與滑塊 固定連接，下端與工作平臺固定連接，還包括控制器、電機驅動器和直線位移檢測裝置，所 述直線位移檢測裝置包括一固定在機架上且上下延伸的標尺和一固定在滑塊上的讀數頭， 該讀數頭與標尺相對設置、用于讀取標尺上的讀數，所述控制器與電氣驅動器相連接，電機 驅動器與電機相連接，讀數頭與電機驅動器或控制器相連接；
[0020] 當讀數頭與電機驅動器相連接時，電機驅動器根據讀數頭的反饋讀數值來計算讀 數差值后向電機發送校正脈沖；
[0021] 當讀數頭與控制器相連接時，控制器根據讀數頭的反饋讀數值來計算讀數差值后 控制電機驅動器向電機發送校正脈沖。
[0022] 優選地，所述Z軸升降系統為一滾珠絲杠機構，包括相互配合的絲杠和螺母，所述 絲杠上端通過聯軸器與電機相連接，所述螺母與滑塊固定連接。
[0023] 進一步地，所述機架上設有一上下延伸的軌道，該軌道的左右兩側均設有一上下 延伸的滑槽，所述滑塊的左右兩端設有與滑槽相適配的凸起，所述凸起位于滑槽中，滑塊沿 軌道上下移動。
[0024] 優選地，所述機架的底端設有多個地腳和多個腳輪，所述地腳的上端通過一螺桿 與機架螺紋連接，所述螺桿上固定有一轉動螺母，所述地腳的底面為平面。
[00巧]進一步地，所述工作平臺上開設有多個上下延伸的通孔。
[0026] 優選地，所述電機為一具有抱間功能的抱間電機，或者所述Z軸升降系統上設有 一抱間元件。
[0027] 優選地，所述直線位移檢測裝置為一光柵尺或一磁柵尺。
[0028] 如上所述，本發明涉及的光固化快速成型3D打印機的閉環控制系統，具有W下有 益效果：
[0029] 該光固化快速成型3D打印機的閉環控制系統在電機帶動滑塊移動后，通過讀數 頭讀取標尺的實際位置讀數、并將實際位置讀數作為讀數頭的反饋讀數值反饋給控制器或 電機驅動器，控制器或電機驅動器通過計算實際位置讀數與理論位置讀數之間的差值后向 電機發送校正脈沖，W使電機帶動滑塊移動至其理論位置，從而保證Z軸升降系統運動精 度和定位精度，最終提高零件的成型精度、尺寸精度和表面質量。
[0030] 本發明的另一目的在于提供一種光固化快速成型3D打印機的閉環控制方法。
[0031] 為實現上述目的，本發明提供一種光固化快速成型3D打印機的閉環控制方法，包 括如上所述的光固化快速成型3D打印機的閉環控制系統，所述光固化快速成型3D打印機 的閉環控制方法包括如下步驟：
[0032]1)、設