3D打印的CNC系统与打印文件的生成方法、打印方法技术方案

计算机数字控制、三维实体生成、打印材料是3D打印的三大基础技术。本申请提出一种用于3D打印的CNC系统及打印文件的生成方法、三维实体打印方法。本申请对打印曲线进行高精度规划，用打印文件取代了通常的G代码打印程序，取消了G代码编程，编写打印程序犹如编写短信，“开数控就像玩手机，编程就像发信息”，实现了“每个人都会使用3D打印机”、“每个人都会编程”的大众化目标。本申请显著降低了3D打印中CNC系统的技术准入门槛及其成本，以促进3D打印技术的大众化。

【技术实现步骤摘要】
3D打印的CNC系统与打印文件的生成方法、打印方法
本申请属3D打印领域，具体涉及一种用于3D打印的计算机数字控制系统(ComputerNumericalControlsystem，CNC系统)与编程界面，以及打印文件的生成方法与三维实体的打印方法。技术背景在学术界，特别是在制造业，与传统的减材制造(subtractivemanufacturing)相对应，以增材制造(additivemanufacturing)来概括多种快速成型技术(RapidPrototype)。2009年，美国材料与试验协会的增材制造标准委员会(ASTMF-42)将增材制造定义为：基于3-D模型数据，采用与减材制造相反的逐层叠加的方式，通过连结材料来生产实体的过程。(F2792-10标准：Theprocessofjoiningmaterialstomakeobjectsfrom3-Dmodeldata,usuallylayeruponlayer,asopposedtosubtractivemanufacturingtechnologies。)这是制造业的专业定义。随着增材制造技术的发展，增材制造的理念超越了制造业，在许多领域里开拓了创造性的应用，3D打印这一术语迅速流行。在网络等大众媒体上，术语“3D打印”已取代“增材制造”。3D打印取代增材制造，并非是术语的简单更換，而是创新理念的改变。3D打印机是一种新专利技术的工具。作为工具，3D打印机可以用于制造业，也可以用于其他产业。3D打印的内涵远远大于增材制造。在本申请中，用3D打印来概括增材制造及其外延。3D打印的一个突出的优点是个人制造(personalmanufacturing)，自己动手(DoItYourself，DIY)设计、开发个性化产品。随着价格低廉的桌面3D打印机的问世，就像智能手机那样，每个人都将拥有3D打印机，3D打印机必然像智能手机那样大众化。新工具的专利技术及其大众化是革命的原动力。3D打印机的大众化意味着，每个人都用得起3D打印机，每个人都会使用3D打印机，每个人都会编写打印程序，每个人都会改装3D打印机。在先进制造业中，无论是传统的减材制造(subtractivemanufacturing)，还是新兴的增材制造(additivemanufacturing)，计算机数字控制(ComputerNumericalControl，CNC)都是基础技术。现有3D打印技术采用基于IEEE定义的现有CNC系统，G代码程序成为打印程序的编程界面。作为3D打印的基础技术，基于IEEE定义的现有CNC系统远远不能适应3D打印技术的大众化，主要表现在下述几个方面。1、CNC系统的开放性与可重构性现有CNC系统的基本原理是，在一个插补周期中，对于不同的刀路曲线，例如，直线或圆弧，实时操作系统调用直线插补模块或圆弧插补模块，根据进给速度，采用直线插补算法或圆弧插补算法实时插补相关坐标轴在插补周期中的进给量，发送给相关伺服驱动器，驱动相关坐标轴产生合成位移。跟随插补周期，如此周而复始，完成工件的加工。本申请将这种控制方法称之为插补迭代控制。插补周期固定不变，是现有CNC系统最重要的系统参数。中低档CNC系统的插补周期一般为8ms、4ms、2ms。插补周期小于0.1ms成为高端CNC系统的标志。插补算法的运算时间和计算精度影晌CNC系统的整体性能，特别是加工精度与加工速度，是现有CNC技术的核心。上世纪八十年代以来，CNC系统的开放性与可重构性始终是数控领域关注的热点。然而，由于基于IEEE定义的现有CNC系统存在许多内生的缺陷，至今成效不大。在基于IEEE定义的现有CNC系统中，对于不同的曲线，例如，直线、圆弧、抛物线、渐开线、NURBS曲线等，必须研发相应的插补算法并在数控应用软件中配置相应的实时控制模块，其体系结构是面向对象的，而不是面向过程的，无法向用户开放。对3D打印机进行改装通常意味着机械系统必须重构，例如，增加喷嘴与坐标轴。在基于IEEE定义的现有CNC系统中，相应于机械系统的重构，实时控制过程的重构必然涉及实时控制模块的修改，或替换、增加实时控制模块。舍此之外，再无其他技术手段。显然，对DIY来说，CNC系统的开放性与可重构性是必须的。在开放性与可重构性方面，基于IEEE定义的现有CNC系统不能适应3D打印技术的大众化。现有CNC系统采用G代码编写NC加工程序(简称G代码程序)，G代码程序成为NC编程的编程界面。上世纪50年代纸带/穿孔卡作为输入的基本物理介质时，为规范在纸带/穿孔卡上表示字符，制定了穿孔的编码标准，即G代码标准，包括ISO6983(国际标准化组织标准代码)，EIA-RS274(美国电子工业协会标准代码)。我国则于上世纪80年代初，根据ISO标准制定了JB3050-82《数字控制机床用七单位编码字符》、JB3208-83《数字控制机床穿孔带程序段格式中的准备功能G和辅助功能M代码》等标准。G代码编程是插补迭代控制的产物。G代码指令的核心是插补指令。插补指令针对特定的曲线与功能。例如，直线插补指令G01、顺圆插补指令G02、逆圆插补指令G03等基本插补指令，用于实时插补相关坐标轴在插补周期中的进给量。对于一些特定的曲线，例如，抛物线、椭圆、NURBS曲线等，采用扩张的G代码插补指令。对于主轴转速，进给速度等工艺参数，用S指令与F指令表示。基于插补迭代控制，对于不同的刀路曲线，例如，直线、顺圆、逆圆，现有CNC系统必须通过G01、G02、G03等插补指令调用相应的插补模块。由此可见，在现有CNC技术体系中，G代码程序与插补迭代控制是相互依存的。在数控技术的初期，采用手工编写G代码程序。G代码程序中指令繁多，且无法记忆。因而，G代码程序的手工编程十分繁琐、费时、易出错、且难以检验。为此产生了以APT语言(AutomaticallyProgrammedTools)为代表的NC编程系统。上世纪90年代，以CAD/CAE/CAPP/CAM为代表的自动编程系统取代APT成为主流。其中，狭义的CAM已成为NC编程的同义词。上述编程系统均基于G代码，并独立于CNC系统，成为CNC系统的标准配置，且价格不菲。G代码标准是信息技术起步阶段的原始产物，受纸带的限制不可避免地存在信息量过少的缺陷。各个厂商因而对G代码都进行了基本语义之外的扩张，所扩张的指令代码及格式也各不相同，导致G代码程序与相应硬件的依赖，G代码程序在不同的数控系统之间不具有互换性。因而，上述编程系统只能基于标准G代码进行NC编程，通常称为前置处理。G代码程序与插补迭代控制相互依存，导致现有CNC技术产生了下述问题。1)、打印曲线的生成插补迭代控制必须根据进给速度进行实时插补，这就将进给速度与打印曲线的几何结构耦合在一起。插补计算首先必须保证当前插补点与前一插补点之间的微线段为打印曲线的数字映像，即离散误差在给定的范围内；另一方面，插补计算出来的坐标轴进给量还必须满足进给速度及加减速等要求。这样一来，插补迭代控制方法将打印曲线所涉及的时间、空间、工艺要求、机电系统的运动学/动力学特征等要素全部紧密耦合在一起。由于打印曲线是插补计算的基础，这就导致打印曲线的生成成为现有CNC技术中研究最为广泛深入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于3D打印的CNC系统，用于控制3D打印机的联动坐标轴联动，包括硬件平台、软件平台和应用软件系统，所述硬件平台为PC系统，所述软件平台为图形界面操作系统；其特征在于，所述应用软件系统包括CANC规划组件，NC信息库，打印文件规划组件，实时内核组件；(1)、CANC规划组件所述CANC规划组件包括离散坐标系生成模块、L分割规划模块、T分割规划模块；(1‑1)所述离散坐标系生成模块用于按照给定的离散标度，用距离为所述离散标度的等距线将坐标平面网格化，在屏幕上建立离散坐标系；(1‑2)根据打印方位，所述L分割规划模块用于在所述离散坐标系中规划打印直线L1,…,Lm的L分割δLi(i＝1,…,n)；所述打印直线L1,…,Lm包括所述打印曲线中的所有直线的加速段/减速段、匀速段，所有圆弧的逼近折线；(1‑3)根据加工工艺，所述T分割规划模块用于校核坐标轴的运动平稳性，规划所述打印直线L1,…,Lm的T分割δti(i＝1,…,n)；(2)、NC信息库所述NC信息库用于存储控制坐标轴联动的数字控制信息，所述数字控制信息包括所述打印直线L1,…,Lm中的每条打印直线的联动表与随动表；所述联动表用于存储所述打印直线L1,…,Lm的L分割δLi(i＝1,…,n)；所述L分割δLi(i＝1,…,n)用于存储所述联动坐标轴的进给量，控制坐标轴联动以产生合成位移；所述随动表用于存储所述打印直线L1,…,Lm的T分割δti(i＝1,…,n)；所述T分割δti(i＝1,…,n)用于存储所述进给量之间的时间间隔，控制所述合成位移的进给速度；所述NC信息库还包括所述打印直线L1,…,Lm中的每条打印直线的状态字；所述状态字用于指定所述联动坐标轴及其进给方向；所述NC信息库还包括NC信息库索引表，所述NC信息库索引表用于存储所述打印直线L1,…,Lm中的每条打印直线的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址；(3)、打印文件规划组件所述打印文件规划组件包括NC信息库生成模块、打印指令生成模块、NC信息库索引表生成模块、NC信息库索引生成模块、打印文件生成模块；(3‑1)对于所述打印直线L1,…,Lm的L分割与T分割，所述NC信息库生成模块用于按照给定的数据格式在存储空间构造所述打印直线L1,…,Lm中的每条打印直线的联动表与随动表，生成所述NC信息库；(3‑2)根据加工工艺，所述打印指令生成模块用于将第i层二维实体的所有打印直线分为若干段，对应地生成若干条打印指令；(3‑3)对于每条打印指令中的每条打印直线，所述NC信息库索引表生成模块用于生成NC信息库索引表；所述NC信息库索引表对应地存储每条打印指令中的每条打印直线的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址；(3‑4)对于每条打印指令中的每条打印直线，所述NC信息库索引生成模块用于生成NC信息库索引，所述NC信息库索引链接用于所述NC信息库索引表；(3‑5)根据打印工艺，所述打印文件生成模块用于在所述第i层二维实体的打印指令中，插入若干条开关指令、若干条状态指令，生成所述第i层二维实体的打印文件；所述开关指令用于控制Z轴的锁紧与松开；所述状态指令用于控制打印过程的启动、结束、暂停，坐标系设定、原点返回；根据打印工艺，在k层二维实体之间，插入若干条开关指令、若干条状态指令，生成三维实体的打印文件；(4)、实时内核组件所述实时内核组件包括打印文件处理模块、联动坐标轴设置模块、联动命令设置模块、节律控制模块、喷射控制模块、终点控制模块、Z轴控制模块；(4‑1)CNC系统接收打印作业的启动指令后，所述操作系统设置实时内核运行标志，启动实时内核；(4‑2)所述打印文件处理模块从第1层二维实体的打印文件中读取第1条打印指令，根据所述打印指令中的第1条打印直线的NC信息库索引，从所述NC信息库索引表中读取所述第1条打印直线的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址，从所述NC信息库中读取所述第1条打印直线的状态字；(4‑3)所述联动坐标轴设置模块将所述联动表首地址写入L指针；将所述随动表首地址写入T指针；将所述状态字写入状态字寄存器，指定所述联动坐标轴及其进给方向；(4‑4)根据所述T指针，所述联动命令设置模块读取所述随动表中的控制节律δti并写入T分割定时器；(4‑5)所述T分割定时器中的定时时间到，所述节律控制模块通过联动接口向所述状态字指定的所述联动坐标轴发送所述L指针指定的进给量，驱动所述联动坐标轴按所述状态字指定的进给方向进给，产生合成位移；(4‑6)根据打印工艺，跟随所述控制节律δti，所述喷射控制模块控制打印头喷射打印材料；(4‑7)所述终点控制模块判断所述T指针是否等于所述随动表末地址，如果所述T指针等于所述随动表末地址，所述第1条打印直线打印完毕，所述打印文件处理模块从所述NC信息库索引表中读取下一条打印...

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印的CNC系统，用于控制3D打印机的坐标轴，所述坐标轴通过联动以打印三维实体的所有二维实体中的打印曲线，包括硬件平台、软件平台和应用软件系统，所述硬件平台为PC系统，所述软件平台为图形界面操作系统；其特征在于，所述应用软件系统包括CANC规划组件，NC信息库，打印文件规划组件，实时内核组件；(1)、CANC规划组件所述CANC规划组件包括离散坐标系生成模块、L分割规划模块、T分割规划模块；(1-1)所述离散坐标系生成模块用于按照给定的离散标度，用距离为所述离散标度的等距线将坐标平面网格化，在屏幕上建立离散坐标系；(1-2)根据打印方位，所述L分割规划模块用于在所述离散坐标系中规划打印直线L1,…,Lm的L分割δLi，其中，i＝1,…,n；所述打印直线L1,…,Lm包括所述打印曲线中的所有直线的加速段/减速段、匀速段，所有圆弧的逼近折线；(1-3)根据加工工艺，所述T分割规划模块用于校核坐标轴的运动平稳性，规划所述打印直线L1,…,Lm的T分割δti，其中，i＝1,…,n；(2)、NC信息库所述NC信息库用于存储控制坐标轴联动的数字控制信息，所述数字控制信息包括所述打印直线L1,…,Lm中的每条打印直线的联动表与随动表；所述联动表用于存储所述打印直线L1,…,Lm的L分割δLi所述L分割δLi用于存储所述坐标轴的进给量，控制坐标轴联动以产生合成位移；所述随动表用于存储所述打印直线L1,…,Lm的T分割δti；所述T分割δti用于存储所述进给量之间的时间间隔，控制所述合成位移的进给速度；所述NC信息库还包括所述打印直线L1,…,Lm中的每条打印直线的状态字；所述状态字用于指定联动坐标轴及其进给方向；所述NC信息库还包括NC信息库索引表，所述NC信息库索引表用于存储所述打印直线L1,…,Lm中的每条打印直线的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址；(3)、打印文件规划组件所述打印文件规划组件包括NC信息库生成模块、打印指令生成模块、NC信息库索引表生成模块、NC信息库索引生成模块、打印文件生成模块；(3-1)对于所述打印直线L1,…,Lm的L分割与T分割，所述NC信息库生成模块用于按照给定的数据格式在存储空间构造所述打印直线L1,…,Lm中的每条打印直线的联动表与随动表，生成所述NC信息库；(3-2)根据加工工艺，所述打印指令生成模块用于将第i层二维实体的所有打印直线分为若干段，对应地生成若干条打印指令；(3-3)对于每条打印指令中的每条打印直线，所述NC信息库索引表生成模块用于生成NC信息库索引表；所述NC信息库索引表对应地存储每条打印指令中的每条打印直线的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址；(3-4)对于每条打印指令中的每条打印直线，所述NC信息库索引生成模块用于生成NC信息库索引，所述NC信息库索引链接用于所述NC信息库索引表；(3-5)根据打印工艺，所述打印文件生成模块用于在所述第i层二维实体的打印指令中，插入若干条开关指令、若干条状态指令，生成所述第i层二维实体的打印文件；所述开关指令用于控制Z轴的锁紧与松开；所述状态指令用于控制打印过程的启动、结束、暂停，坐标系设定、原点返回；根据打印工艺，在k层二维实体之间，插入若干条开关指令、若干条状态指令，生成三维实体的打印文件；(4)、实时内核组件所述实时内核组件包括打印文件生成模块、联动坐标轴设置模块、联动命令设置模块、节律控制模块、喷射控制模块、终点控制模块、Z轴控制模块；(4-1)CNC系统接收打印作业的启动指令后，所述操作系统设置实时内核运行标志，启动实时内核；(4-2)所述打印文件生成模块从第1层二维实体的打印文件中读取第1条打印指令，根据所述打印指令中的第1条打印直线的NC信息库索引，从所述NC信息库索引表中读取所述第1条打印直线的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址，从所述NC信息库中读取所述第1条打印直线的状态字；(4-3)所述联动坐标轴设置模块将所述联动表首地址写入L指针；将所述随动表首地址写入T指针；将所述状态字写入状态字寄存器，指定所述联动坐标轴及其进给方向；(4-4)根据所述T指针，所述联动命令设置模块读取所述随动表中的控制节律δti并写入T分割定时器；(4-5)所述T分割定时器中的定时时间到，所述节律控制模块通过联动接口向所述状态字指定的所述联动坐标轴发送所述L指针指定的进给量，驱动所述联动坐标轴按所述状态字指定的进给方向进给，产生合成位移；(4-6)根据打印工艺，跟随所述控制节律δti，所述喷射控制模块控制打印头喷射打印材料；(4-7)所述终点控制模块判断所述T指针是否等于所述随动表末地址，如果所述T指针等于所述随动表末地址，所述第1条打印直线打印完毕，所述打印文件处理模块从所述NC信息库索引表中读取下一条打印直线的联动表的首地址、随动表的首地址与末地址，从所述NC信息库中读取所述下一条打印直线的状态字；否则，执行步骤(4-4)，T指针指向δti+1，继续打印所述第1条打印直线；(4-8)重复步骤(4-2)至步骤(4-7)，直至所述第1条打印指令中的所有打印直线打印完毕；(4-9)重复步骤(4-2)至步骤(4-8)，直至所述第1层二维实体的打印文件中的所有打印指令执行完毕；(4-10)所述Z轴控制模块控制工作台下降δz2，所述δz2为第2层二维实体的厚度；(4-11)重复步骤(4-2)至步骤(4-10)，直至第k层二维实体的打印文件中的所有打印指令执行完毕，所述终点控制模块关闭运行标志。2.如权利要求1所述的基于3D打印的CNC系统，其特征还在于，所述联动表包括“主动轴”字段、“基底”字段、“周期”字段、“状态字”字段；所述“主动轴”字段用于标识主动轴，主动轴数据流为默认值全“1”；所述“基底”字段用于标识联动轴数据流在一个周期中的“0”/“1”分布；所述“周期”字段用于标识所述基底的个数，所述周期等于所述打印直线的终点坐标的最大公约数；所述“状态字”字段用于标识联动坐标轴及其进给方向。3.如权利要求1所述的基于3D打印的CNC系统，其特征还在于，包括显示组件；所述显示组件包括显示校验模块与动态显示模块；所述显示校验模块读取所述三维实体的NC信息库，在所述离散坐标系中显示所述k层二维实体的生成过程与所述三维实体的生成过程，校验所述k层二维实体与所述三维实体；跟随所述控制节律δti，其中，i＝1,…,n，所述动态显示模块从所述L指针指定的联动表中实时读取所述打印直线的x数据流、y数据流、状态字，在屏幕上显示所述打印直线的打印过程，显示所述二维实体与所述三维实体的打印过程。4.如权利要求1所述的基于3D打印的CNC系统，其特征还在于，所述应用软件系统还包括收缩补偿模块；所述收缩补偿模块根据厚度补偿系数，对δzi(其中，i＝1,…,k)进行厚度补偿，所述δzi用于控制Z轴下降的进给量；根据宽度补偿系数与长度补偿系数，对第k层二维实体的填充曲线进行宽度补偿与长度补偿。5.如权利要求1所述的基于3D打印的CNC系统，其特征还在于，所述图形界面操作系统包括编程界面；所述编程界面包括CANC规划功能区、打印文件规划功能区；所述CANC规划功能区包括离散坐标系生成窗口、L分割规划窗口、T分割规划窗口；所述离散坐标系生成窗口链接所述离散坐标系生成模块、所述L分割规划窗口...

【专利技术属性】
技术研发人员：江俊逢，吴柏江，周丽，
申请(专利权)人：江俊逢，吴柏江，周丽，
类型：发明
国别省市：广东;44