一種支持云服務的3d打印機控制器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及3D打印領域，尤其是支持一種支持云服務的3D打印機控制器。
【背景技術】
[0002]3D打印是本世紀最熱門的技術之一，尤其熔融型3D打印技術的低設備成本和低價耗材，使得此類3D打印機逐步成為人們的日常生活工具，甚至成為人人都買得起的3D打印機。3D打印正在逐步改變人們的生活方式，未來的產品銷售以賣設計為主流，用戶購買產品設計后直接用家用3D打印機將產品制造出來。然而，已有的熔融型3D打印機的使用和操作難度卻很高，要求使用者必須具備一定的專業知識，這是普及3D打印的主要障礙。
[0003]以開源的MakerBot、Ultimaker、Reprap等恪融型3D打印機為例，使用者首先須在PC電腦上運行切片程序將3D設計作品轉換成打印文件，然后使用USB傳輸線將打印文件傳輸到3D打印機的SD卡等存儲介質內，最后再啟動打印，或使用3D打印機自帶的按鈕和LCD顯示器選擇打印文件啟動打印。眾所周知，USB接口需要安裝專用驅動，而且驅動程序隨操作系統及其版本不同而變化，給很多不熟悉計算機驅動安裝的使用者帶來麻煩，同時USB傳輸線質量還會造成打印文件傳輸不完整甚至失敗。為解決這一問題，最近出現使用無線網絡(如WIF1、藍牙)傳輸打印文件，如公開號為CN103223791A的中國專利，就是通過無線數據傳輸模塊來驅動3D打印；或者直接讓用戶使用SD卡將打印文件拷貝至3D打印機后再使用機身按鈕啟動打印，如ZortraxM2003D打印機。
[0004]進入后PC時代，很多設備(如iPAD、iPhone等)不支持文件拷貝，源于移動網絡的普及，且更方便、更易用。于是，出現基于云的3D打印系統，如專利CN103144447A和CN103747101A。盡管這些專利都提出了基于云的3D打印系統，并沒有給出支持云服務的3D打印機控制器設計，至多提出對應的3D打印機控制器必須帶有網卡。事實上，上述兩專利中所提出的“云打印系統”都是把切片程序搬至云服務端，僅為現有的3D打印機控制增加網卡，以達到網絡文件傳輸之目的。然而，3D打印機打印頭的運動控制對實時性要求極高，而文件傳輸網絡是非實時的。一般高實時性嵌入式控制系統的網絡接口能力，所以現有的3D打印機控制器都是離線打印，使用有線的、無線的文件傳輸接口，或直接將打印文件拷貝至3D打印機控制器的SD卡上，然后再啟動打印。
[0005]將打印文件先傳輸到或直接拷貝至3D打印機的SD卡，帶來另一個問題就是，就是無法很好地保護3D設計作品的產權，使花費精力設計的3D設計作品隨意打印。
【發明內容】
[0006]為了克服現有3D打印機的使用和操作上的不足，提供一種支持云服務的3D打印機控制器，這種控制器不僅適合于使用手持智能設備(智能手機/Pad平板電腦)操縱3D打印機，且免驅動安裝，免拷貝操作；始終在線，從云服務端到3D打印機之間采用加密的流文件傳輸，不需要將打印文件保存在3D打印機的SD卡上，以保護3D設計作品的知識產權；成本上相較現有的3D打印機控制器更低。
[0007]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
一種支持云服務的3D打印機控制器，主要包括網絡接口與控制單元、運動控制單元；網絡接口與控制單元包括Ethernet接口、WIFI接口及網絡處理器，所述的網絡處理器能夠執行Ethernet和WIFI接口、TCP/IP協議棧，能夠獨立與云服務端通訊，以實現在線3D打印所必須的網絡接口與控制，能夠與運動控制單元通訊，以實現3D打印數據和狀態等信息交換；
運動控制單元包括3D打印運動控制器和3D打印所必須的驅動器和傳感器接口，所述的3D打印運動控制器采用高實時性能的微控制器作為中央處理器，實現打印頭的實時運動、喂料和擠出的實時控制等；
網絡接口與控制單元還包括緩存控制裝置，緩存控制裝置根據3D打印數據流的大小及網絡速度來調整3D打印數據流的請求速度；
運動控制單元與網絡接口與控制單元通過同步串行或異步串行接口實現雙向信息交換。
[0008]上述的一種支持云服務的3D打印機控制器，所述的網絡處理器為帶智能路由功能的中央處理器。
[0009]上述的一種支持云服務的3D打印機控制器，所述的網絡接口與控制單元還包括與之連接的相機、及用于存儲相機攝像畫面的存儲器；還包括與網絡接口與控制單元連接的一組用于相機照明的LED。
[0010]本發明網絡接口與控制單元采用具有文件網絡處理和大容量緩存的高性能網絡處理器作為CPU，其Ethernet端口可以直接與公共網絡設備連接，以實現與云服務端通訊，此時WIFI接口作為主站(AP)，允許智能設備(智能手機、PAD平板電腦等)透過支持云服務的3D打印機控制器與云服務端通訊。當采用無線方式時，3D打印機控制器通過WIFI接口與路由器連接，借助于路由器連接到云服務端，此時WIFI接口工作在STA模式，3D打印操作者所用的智能設備(手機/PAD平板電腦)與路由器連接，進而連接到云服務端。
[0011]網絡接口與控制單元和運動控制單元之間采用串行接口雙向通訊，兩單元的兩個CPU協作實現云服務的3D打印。一個CPU負責數據的網絡通訊，一個CPU負責3D打印頭的控制驅動。
[0012]3D打印機還包括執行器和傳感器單元，這一單元是指一般的熔融型3D打印機必需的馬達、加熱器、風扇、位置傳感器和溫度傳感器等；通常使用的供電電源能輸出穩定的直流3.3V、5V和24V，分別作為雙CPU及其外圍器件、USB端口和USB相機、執行器和傳感器接口的工作電源。
[0013]網絡接口與控制單元通過USB端口連接USB相機和照明LED，照明LED作為USB相機采集視頻流/拍照的輔助光，同時也為觀察者提供輔助光。USB相機用于遠程監測3D打印過程，USB相機采集打印過程的視頻流/照片，并實施必要的壓縮，網絡處理器將這些信息傳輸至云服務端，操作者可借助于智能設備連接至云服務端，隨時隨地可以查看實時打印過程。
[0014]網絡接口與控制單元，處理器外圍還包括必需的存儲器(FlashROM和DDR2)，其中的DDR2(即內存)容量有一定的要求，至少能滿足運行具有網絡功能的操作系統(如Linux) ,TCP/IP網絡協議棧和視頻流/照片采集和處理，以及數十兆字節的3D打印文件緩存能力。
[0015]運動控制單元采用高實時性的微控制器作為CPU，以實現流暢的3D打印。運動控制單元還包括馬達驅動器、PWM(脈寬調制)驅動器、開關驅動器、開關信號處理單元、溫度信號處理單元及狀態指示LED。微控制器能夠輸出若干路高速脈沖信號以及若干個馬達的旋轉方向、使能控制信號，用于控制3D打印機的執行器和傳感器單元的馬達，以實現3D打印機打印頭在三維方向上的實時運動和喂料電機的運動。
[0016]運動控制單元的微控制器能夠輸出若干路PffM信號，通過PffM驅動器，用于控制3D打印機的執行器和傳感器單元的加熱器。
[0017]運動控制單元的微控制器具有若干路模擬輸入通道，與3D打印機的若干路溫度信號處理單元的輸出連接，用于監測打印頭上加熱器的溫度。運動控制單元的微控制器具有閉環溫度控制能力，根據若干路模擬輸入的電壓值，計算出打印頭上若干個加熱器的實際溫度，并調整PWM信號的占空比，使加熱器溫度盡可能穩定在設定溫度。
[0018]運動控制單元的開關信號處理單元與3D打印機的執行器與傳感器單元的位置傳感器連接，并把信號調理至微控制器允許的電平電壓范圍，實現X-、1-、Z-三維方向的最小和最大位置監測。
[0019]運動控制單元的微控制器能夠輸出若干路可編程開關信號，經過若干個開關驅動器間接控制所述的執行器與傳感器單元的風扇開關。狀態指示LED，用于指示所述的運動控制單元的運行狀態:正常/故障、空閑、打印中/暫停狀態。
[0020]鑒于目前終端設備與云服務端的通訊使用TCP/IP協議棧，采用http 1.1標準或直接socket (套接字)編程來實現，兩者之間傳輸打印文件是非實時的，隨著公共網絡環境變化，傳輸速度沒有任何保障，甚至斷網。這給云3D打印帶來諸多難度，因為3D打印過程要求打印頭運動和喂料過程必須是流暢的。
[0021]本發明采用雙CPU架構，網絡處理器負責定位打印資源，請求、緩存和處