技术领域
[0001] 本
发明涉及3D打印控制领域，特别涉及一种基于骨架线提取的
3D打印机控制优化系统。
背景技术
[0002] 3D打印是
快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为
基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、
鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、
汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、
地理信息系统、
土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨
水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层
叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印的确更适合一些小规模制造，尤其是高端的定制化产品，比如汽车零部件制造。虽然主要材料还是塑料。3D打印技术先后进入了牙医、珠宝、医疗行业，未来可应用的范围会越来越广。2014年11月末，3D打印技术被《时代》周刊为2014年25项年度最佳发明。对消费者和企业而言，这是个福音。仅在过去数年中，中学生们3D打印了用于物理课实验的火车车厢，科学家们3D打印了人类器官组织，通用电气公司则使用3D打印技术改进了其喷气引擎的效率。美国三维系统公司的3D打印机能打印糖果和
乐器等。2016年4月19日，中科院重庆绿色智能技术研究院三维打印技术研究中心对外宣布，经过该院和中科院空间应用中心两年多的努
力，并在法国波尔多完成抛物线失重飞行试验，国内首台空间在轨3D打印机宣告研制成功。这台3D打印机可打印最大零部件尺寸达200×130mm，它可以帮助宇航员在失重环境下自制所需的零件，大幅提高空间站实验的灵活性，减少空间站备品备件的种类与数量和运营成本，降低空间站对地面补给的依赖性。
2014年8月31日，美国宇航局的工程师们刚刚完成了3D打印火箭喷射器的测试，研究在于提高火箭
发动机某个组件的性能。然而虽然3D打印目前在航空航天等领域得到了极大地运用和开发，然而商用3D打印机仍然面临着打印速度慢，打印
精度低的问题。
发明内容
[0003] 为了解决
现有技术存在的问题，本发明提供一种基于骨架线提取的3D打印机控制优化系统。
[0004] 一种基于骨架线提取的3D打印机控制优化系统，包括主控系统模
块，XYZ轴
电机控制
电路模块，
挤出机控制电路模块，喷头控制电路模块，边缘骨架线提取
算法和基于
云的速度与
温度更新算法。
[0005] 所述的主控系统模块，包括基于Windows
操作系统的个人计算机，Type-C
接口控制器，富士通FM4
微控制器，
信号电平转换器。所述的基于Windows操作系统的个人计算机，通过Type-C
连接线与所述的Type-C接口控制器连接，所述的Type-C接口控制器与所述的富士通FM4微控制器在同一印刷
电路板上通过
铜线连接，所述的富士通FM4微控制器在同一印刷电路板上通过有线方式与所述的信号电平转换器连接，所述的信号电平转换器通过有线方式和所述的XYZ轴电机控制电路模块，所述的挤出机控制电路模块以及所述的喷头控制电路模块连接。
[0006] 所述的XYZ轴电机控制电路模块，包括X轴电机控制电路模块，Y轴电机控制电路模块，Z轴电机控制电路模块，所述的三个轴电机控制电路模块相互独立，结构相同，分别通过有线方式和所述的主控系统模块连接；所述的X轴电机控制电路模块，包括X轴电机控制FM0+微控制器，电感式隔离和
缓冲器，X轴步进电机，霍尔转速
传感器，所述的X轴电机控制FM0+微控制器，前级通过有线方式与所述的主控系统模块连接，后级通过有线方式与所述的电感式隔离和缓冲器连接，所述的电感式隔离和缓冲器，后级通过有线方式和所述的X轴步进电机连接，所述的霍尔
转速传感器，通过有线方式连接所述的X轴电机控制FM0+微控制器；所述的Y轴电机控制电路模块和所述的Z轴电机控制电路模块，结构与所述的X轴电机控制电路模块相同。
[0007] 所述的挤出机控制电路模块，包括挤出机电机控制FM0+微控制器，电感式隔离和缓冲器，挤出机步进电机，霍尔转速传感器，进料切换
开关；所述的挤出机电机控制FM0+微控制器，前级通过有线方式与所述的主控系统模块连接，后级通过有线方式与所述的电感式隔离和缓冲器连接，所述的电感式隔离和缓冲器，后级通过有线方式和所述的挤出机步进电机连接，所述的霍尔转速传感器，通过有线方式连接所述的挤出机电机控制FM0+微控制器。
[0008] 所述的喷头控制电路模块，包括喷头控制FM0+微控制器，Panowin喷头模块，
热电偶，LED
驱动器组，大功率白光
LED灯，工业相机。所述的喷头控制FM0+微控制器，前级通过有线方式与所述的主控系统模块连接，后级通过有线方式和所述的Panowin喷头模块，所述的热电偶，所述的LED驱动器组和所述的工业相机连接，所述的热电偶贴于Panowin喷头模块的
喷嘴部分，通过有线方式连接所述的喷头控制FM0+微控制器，所述的LED驱动器组，后级通过有线方式连接所述的大功率白光LED灯，所述的工业相机前级通过并联总线的有线方式和所述的主控系统模块连接，通过有线方式和所述的喷头控制FM0+微控制器。
[0009] 所述的边缘骨架线提取算法如图7所示。
[0010] 所述的基于云的速度与温度更新算法如图8所示。
[0011] 所述的系统工作流程如图9所示。
附图说明
[0012] 图1是本发明空间结构示意图；
[0013] 图2是本发明控制系统结构拓扑图；
[0014] 图3是本发明所述的主控系统模块结构图；
[0015] 图4是本发明所述的XYZ轴电机控制电路模块结构图；
[0016] 图5是本发明所述的挤出机控制电路模块结构图；
[0017] 图6是本发明所述的喷头控制电路模块结构图；
[0018] 图7是本发明所述的边缘骨架线提取算法；
[0019] 图8是本发明所述的基于云计算的速度与温度更新算法；
具体实施方式
[0021] 下面结合
实施例与附图来具体说明本发明。
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
[0023] 一种基于骨架线提取的3D打印机控制优化系统，包括主控系统模块如图2(100)所示，XYZ轴电机控制电路模块如图2(200)所示，挤出机控制电路模块如图2(300)所示，喷头控制电路模块如图2(400)所示，边缘骨架线提取算法如图7所示和基于云的速度与温度更新算法如图8所示。
[0024] 所述的主控系统模块，包括基于Windows操作系统的个人计算机如图3所示(101)，Type-C接口控制器如图3(102)所示，富士通FM4微控制器如图3(103)所示，信号电平转换器如图3(104)所示。所述的基于Windows操作系统的个人计算机，通过Type-C连接线与所述的Type-C接口控制器连接，所述的Type-C接口控制器与所述的富士通FM4微控制器在同一印刷电路板上通过铜线连接，所述的富士通FM4微控制器在同一印刷电路板上通过有线方式与所述的信号电平转换器连接，所述的信号电平转换器通过有线方式和所述的XYZ轴电机控制电路模块，所述的挤出机控制电路模块以及所述的喷头控制电路模块连接。当所述的一种基于骨架线提取的3D打印机控制优化系统启动之后，用户使用所述的基于Windows操作系统的个人计算机，通过USB协议发送命令至所述的富士通FM4微控制器，而在所述的基于Windows操作系统的个人计算机和所述的富士通FM4微控制器之间，使用Type-C
硬件接口连接，无论使用连接线正插还是反插，都能够保证系统的正常通信，使得系统操作更加简单安全。在所述的富士通FM4微控制器和其他模块的通信连接之间放置所述的信号电平转换器，将来自所述的富士通FM4微控制器发出的逻辑信号转换成为任意其他电平的信号，避免了不同模块之间因为信号电平不匹配导致的通信失败现象，增加了系统的稳定和安全性能。
[0025] 所述的XYZ轴电机控制电路模块，包括X轴电机控制电路模块如图4所示(221)，Y轴电机控制电路模块如图4所示(222)，Z轴电机控制电路模块如图4所示(223)，所述的三个轴电机控制电路模块相互独立，结构相同，分别通过有线方式和所述的主控系统模块连接。以所述的X轴电机控制电路模块为例，它包括了X轴电机控制FM0+微控制器如图4(201)所示，位于如图1(011)所示
位置处，所述的电感式隔离和缓冲器如图4(204)所示，位于如图1(011)所示位置处，X轴步进电机如图4(207)所示，位于如图1(011)所示位置处，以及霍尔转速传感器如图4(210)所示，位于如图1(011)所示位置处。所述的X轴电机控制FM0+微控制器，前级通过有线方式与所述的主控系统模块连接，后级通过有线方式与所述的电感式隔离和缓冲器连接，所述的电感式隔离和缓冲器，后级通过有线方式和所述的X轴步进电机连接，所述的霍尔转速传感器，通过线方式连接所述的X轴电机控制FM0+微控制器。所述的Y轴电机控制电路模块和所述的Z轴电机控制电路模块，结构与所述的X轴电机控制电路模块相同，在此不再赘述。当所述的一种基于骨架线提取的3D打印机控制优化系统启动之后，所述的主控系统模块通过有线方式将电机控制命令分别发送至所述的X、Y、Z轴电机控制FM0+微控制器，所述的X、Y、Z轴电机控制FM0+微控制器，根据不同的速度信息，分别发送控制电机速度和方向的PWM波，通过各自所述的电感式隔离和缓冲器，无损地传递给所述的X、Y、Z轴步进电机并
驱动电机转动，进而控制传送带将所述的喷头控制电路模块移动到不同的空间位置处。所述的电感式隔离和缓冲器，一方面隔离了数字电路部分和大
电流模拟电路部分，另一方面为从所述的X、Y、Z轴电机控制FM0+微控制器的PWM波提供了更大的电流驱
动能力。所述的霍尔转速传感器，分别位于X、Y、Z轴步进电机
转子侧，通过无线方式监测电机的实际转动速度，并将电机速度状态信息通过有线方式分别传输至所述的X、Y、Z轴电机控制FM0+微控制器，再经过所述的X、Y、Z轴电机控制FM0+微控制器，通过有线方式将电机的速度状态信息反馈至所述的主控系统模块。
[0026] 所述的挤出机控制电路模块，包括挤出机电机控制FM0+微控制器如图5(301)所示，电感式隔离和缓冲器如图5(302)所示，挤出机步进电机如图5(303)所示，霍尔转速传感器如图5(304)所示，进料切换开关如图5(305)所示。所述的挤出机电机控制FM0+微控制器，前级通过有线方式与所述的主控系统模块连接，后级通过有线方式与所述的电感式隔离和缓冲器连接，所述的电感式隔离和缓冲器，后级通过有线方式和所述的挤出机步进电机连接，所述的霍尔转速传感器，通过有线方式连接所述的挤出机电机控制FM0+微控制器。当所述的一种基于骨架线提取的3D打印机控制优化系统启动之后，所述的进料切换开关通过无线方式接收来自所述的挤出机电机控制FM0+微控制器的逻辑开关信号，用于切换不同线宽的打印材料。所述的电感式隔离和缓冲器，一方面隔离了数字电路部分和大电流模拟电路部分，另一方面为从所述的挤出机电机控制FM0+微控制器的PWM波提供了更大的电流驱动能力。所述的霍尔转速传感器，位于所述的挤出机步进电机转子侧，通过无线方式监测电机的实际转动速度，并将电机速度状态信息通过有线方式分别传输至所述的挤出机电机控制FM0+微控制器，再经过所述的挤出机电机控制FM0+微控制器，通过有线方式将电机的速度状态信息反馈至所述的主控系统模块。
[0027] 所述的喷头控制电路模块，包括喷头控制FM0+微控制器如图6(401)所示，Panowin喷头模块如图6(402)所示，热电偶如图6(403)所示，LED驱动器组如图6(404)所示，大功率白光LED灯如图6(405)所示，工业相机如图6(406)所示。所述的喷头控制FM0+微控制器，前级通过有线方式与所述的主控系统模块连接，后级通过有线方式和所述的Panowin喷头模块，所述的热电偶，所述的LED驱动器组和所述的工业相机连接，所述的热电偶贴于Panowin喷头模块的喷嘴部分，通过有线方式连接所述的喷头控制FM0+微控制器，所述的LED驱动器组，后级通过有线方式连接所述的大功率白光LED灯，所述的工业相机前级通过并联总线的有线方式和所述的主控系统模块连接，通过有线方式和所述的喷头控制FM0+微控制器。所述的喷头控制FM0+微控制器。当所述的一种基于骨架线提取的3D打印机控制优化系统启动之后，所述的喷头控制FM0+微控制器接收来自所述的主控系统模块的
温度控制命令，工业相机开机命令和LED灯开灯命令，控制所述的Panowin喷头模块将打印材料加热至
指定温度，并由所述的热电偶将实际加热温度状态信息一级一级反馈至所述的喷头控制FM0+微控制器、所述的主控系统模块。所述的工业相机接到开机命令后，每1秒拍摄一幅打印目标的成型图像，并通过并联总线将图像信息发送至所述的主控系统模块，在所述的工业相机工作的同时，所述的大功率白光LED为工业相机拍摄提供稳定的
光源，保证拍摄图像
质量的稳定。
[0028] 所述的边缘骨架线提取算法如图7所示。
[0029] 所述的基于云的速度与温度更新算法如图8所示。
[0030] 所述的系统工作流程如图9所示。
[0031] 当所述的一种基于骨架线提取的3D打印机控制优化系统启动之后，控制喷头装置（图1(018)）初始位置位于如图1(003)所示的
底板上，并开始对进料加热。在喷头装置（图1(018)）位置处附着有所述的热电偶（图1（008））可实时反馈喷头温度状态信息至所述的主控系统模块。工业相机（图1（017））在大功率LED灯（图1(016)）稳定的光源下，拍摄目标对象（图1(009)），并通过并联总线将图像数据发送至所述的主控系统模块，所述的主控系统模块将并联总线发来的图像数据在所述的富士通FM4微控制器内转为串行数据通过USB协议发送至个人计算机，以备所述的骨架线提取算法使用。位于如图1(002)所示垂直移动
支架两侧的X轴电机控制电路模块（图1(011)）和Y轴电机控制电路模块（图1(010)）带动水平传动带（图1(006)和图1(005)）控制喷头装置（图1(018)）水平移动，而Z轴电机控制电路模块（图1(012)）带动垂直传动带（图1(013)）控制喷头装置垂直向上移动。被打印出的目标对象如图1(009) 所示。图1(015) 为所述的进料切换开关，将原料（图1（015））连接进入进料喉管（图1 (007) ）。进料喉管（图1 (007) ）另一端连接至挤出机电机控
制模块(图1(004))，在挤出机电机
控制模块(图1(004))的控制下将进料挤入喷头。通过采用所述的基于骨架线提取的3D打印机控制优化系统，可以根据实际情况动态调整3D打印机速度和温度，进而提高3D打印机效率和精确度。
