申请/专利权人：辽宁森远增材制造科技有限公司

申请日：2019-07-30

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN110281530B

主分类号：B29C64/393

分类号：B29C64/393;B33Y50/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.10.29#实质审查的生效;2019.09.27#公开

摘要：本发明属于3D打印头控制系统领域，尤其是涉及一种基于FPGA的3D打印头控制系统，其特征在于包括控制板，与此控制板相连接的四块转接板，与控制板相连接的驱动板，控制板包括微处理器单元FPGA核心板Ⅰ，ARM控制单元，DC‑DC电源转换、光栅编码器接口和四路RS422发射电路，驱动板包括微控制单元FPGA核心板Ⅱ，串口通信电路、DC‑DC电源转换和四路点火脉冲发生电路，每块转接板包括打印数据输出接口，五路打印头接口。本发明可实现对20个打印头的精确打印控制，接线简单、结构合理、功能丰富、可靠性高，可实现长时间连续打印并可将打印状态回传上位机，实现与外设人机交互的功能，具有较高的抗干扰能力。

主权项：1.一种基于FPGA的3D打印头控制系统，其特征在于包括用于控制打印头和与外部设备交互的控制板，与此控制板相连接的四块转接板，与所述控制板相连接的驱动板，所述的驱动板与所述的四块转接板相连接，所述的控制板包括用于数据交互和点火控制的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ，与此微处理器单元FPGA核心板Ⅰ通过GPMC接口通信的ARM控制单元，与所述微处理器单元FPGA核心板Ⅰ相连接的DC-DC电源转换、光栅编码器接口、打印数据输出接口和与此打印数据输出接口相连接的四路RS422发射电路，所述的控制板通过所述的打印数据输出接口与所述的驱动板相连接，所述的ARM控制单元通过千兆网接口与上位机通信，所述的驱动板包括用于控制点火脉冲和板级数据交互的微控制单元FPGA核心板Ⅱ，分别与此微控制单元FPGA核心板Ⅱ相连接的串口通信电路、DC-DC电源转换和四路点火脉冲发生电路，所述的四路点火脉冲发生电路分别与所述的四块转接板相连接，所述的四块转接板的每块转接板包括打印数据接收电路，与此打印数据接收电路相连接的五路打印头接口，所述的四路RS422发射电路分别与所述的四块转接板的打印数据接收电路对应连接。

全文数据：基于FPGA的3D打印头控制系统技术领域本发明属于3D打印头控制系统领域，尤其是涉及一种基于FPGA的3D打印头控制系统。背景技术3D打印是构建打印层，通过数字模型制作三维实体的制造流程。打印头经过沙面时，粘结剂会选择性喷射到粉末中，沙箱床下沉，并涂覆另一层粉末，循环这一过程，直至完成整个打印。打印头是3D打印成型的关键部件之一。3D打印的控制精度和效果是由打印头控制系统决定的。打印头控制系统通过接收位置信号控制打印，如果打印位置不准确会导致打印形状发生变化。打印头控制系统通过接收位置信号来计算出打印头行走速度，当打印头在变速运动速度时打印会由于惯性的作用使打印形状发生改变。打印头控制系统通过网口与上位机通信，接收控制信号和打印数据，当接收数据错误时会导致打印异常或中断。打印头控制系统需要给20个喷头提供128bit串行数据和高压点火脉冲信号，串行数据和高压点火脉冲信号需要严格的时序控制，如果时序错误则不能喷射。此外20个喷头也需要同步喷射，否则影响打印效果。现有控制系统采用ARM或DSP等控制器作为核心控制器，再加上各个功能的控制电路组成整个控制系统。由于该打印头控制对时序和同步性要求较高，所以现有方案很容易产生打印数据丢失、错误或不同步等现象。发明内容本发明的目的是提供一种能够提高打印头控制的稳定性、可靠性，提高打印精度的基于FPGA的3D打印头控制系统。本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：本发明的一种基于FPGA的3D打印头控制系统，其特征在于包括用于控制打印头和与外部设备交互的控制板，与此控制板相连接的四块转接板，与所述控制板相连接的驱动板，所述的驱动板与所述的四块转接板相连接，所述的控制板包括用于数据交互和点火控制的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ，与此微处理器单元FPGA核心板Ⅰ通过GPMC接口通信的ARM控制单元，与所述微处理器单元FPGA核心板Ⅰ相连接的DC-DC电源转换、光栅编码器接口、打印数据输出接口和与此打印数据输出接口相连接的四路RS422发射电路，所述的控制板通过所述的打印数据输出接口与所述的驱动板相连接，所述的ARM控制单元通过千兆网接口与上位机通信，所述的驱动板包括用于控制点火脉冲和板级数据交互的微控制单元FPGA核心板Ⅱ，分别与此微控制单元FPGA核心板Ⅱ相连接的串口通信电路、DC-DC电源转换和四路点火脉冲发生电路，所述的四路点火脉冲发生电路分别与所述的四块转接板相连接，所述的四块转接板的每块转接板包括打印数据接收电路，与此打印数据接收电路相连接的五路打印头接口，所述的四路RS422发射电路分别与所述的四块转接板的打印数据接收电路对应连接。所述的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ为EP4CE30F23C6芯片。所述的微控制单元FPGA核心板Ⅱ为DAC0800芯片。所述的光栅编码器接口通过差分接口与所述的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ通信。本发明的优点：（1）本发明的基于FPGA的3D打印头控制系统，与现有的打印头控制系统相比，可实现对20个打印头的精确打印控制；（2）本发明的基于FPGA的3D打印头控制系统，基于两个微控制单元FPGA，能实现同步传送20组打印数据和产生四路同步高压点火脉冲，控制3D打印机精确打印；（3）本发明的基于FPGA的3D打印头控制系统，接线简单、结构合理、功能丰富、可靠性高，可实现长时间连续打印并可将打印状态回传上位机，实现与外设人机交互的功能；（4）本发明的基于FPGA的3D打印头控制系统，由控制板、驱动板、转接板等六块电路板组成，高低频、强弱电信号分开，使系统具有提高的抗干扰能力。附图说明图1为本发明的控制系统硬件框图。图2为本发明的控制板框图。图3为本发明的驱动板框图。图4为本发明的转接板框图。图5为本发明的FPGA接口电路。图6为本发明的ARM接口电路。图7为本发明的串口通信电路。图8为本发明的电源转换电路。图9为本发明的千兆网接口。图10为本发明的光栅接口电路。图11为本发明的RS422发射器。图12为本发明的打印数据输出接口。图13为本发明的点火脉冲发生电路。图14为本发明的电源转换电路。图15为本发明的RS422接收电路。图16为本发明的喷头接口电路。具体实施方式下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。如图1-16所示，本发明的基于FPGA的3D打印头控制系统，其特征在于包括用于控制打印头和与外部设备交互的控制板，与此控制板相连接的四块转接板，与所述控制板相连接的驱动板，所述的驱动板与所述的四块转接板相连接，所述的控制板包括用于数据交互和点火控制的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ，与此微处理器单元FPGA核心板Ⅰ通过GPMC接口通信的ARM控制单元，与所述微处理器单元FPGA核心板Ⅰ相连接的DC-DC电源转换、光栅编码器接口、打印数据输出接口和与此打印数据输出接口相连接的四路RS422发射电路，所述的控制板通过所述的打印数据输出接口与所述的驱动板相连接，所述的ARM控制单元通过千兆网接口与上位机通信，所述的驱动板包括用于控制点火脉冲和板级数据交互的微控制单元FPGA核心板Ⅱ，分别与此微控制单元FPGA核心板Ⅱ相连接的串口通信电路、DC-DC电源转换和四路点火脉冲发生电路，所述的四路点火脉冲发生电路分别与所述的四块转接板相连接，所述的四块转接板的每块转接板包括打印数据接收电路，与此打印数据接收电路相连接的五路打印头接口，所述的四路RS422发射电路分别与所述的四块转接板的打印数据接收电路对应连接。所述的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ为EP4CE30F23C6芯片。所述的微控制单元FPGA核心板Ⅱ为DAC0800芯片。所述的光栅编码器接口通过差分接口与所述的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ通信。本发明的基于FPGA的3D打印头控制系统的运行方法：如图1、2、3和4所示，ARM控制单元通过GPMC接口和千兆网接口分别与微处理器单元FPGA核心板Ⅰ和上位机通信，上位机通过TCPIP协议将控制指令和打印数据发送给ARM控制单元，ARM控制单元负责数据中转将数据转发送给微处理器单元FPGA核心板Ⅰ。控制板接收上位机发送的一层的打印数据，控制单元FPGA将数据缓存至DDR2存储器中。上位机发送打印开始命令，光栅接口单元进入就绪状态，等待位置触发打印。当光栅触发到指定距离时打印程序被触发，控制单元FPGA将打印数据通过RS422接口同步发给四个转接板，转接板将打印数据发送给打印头的移位寄存器中缓存等待打印，同时控制板通过串口通信电路的串口发送命令通知驱动板产生四路同步的点火脉冲，点火脉冲信号被发送给转接板驱动20个打印头同步喷墨打印。光栅接口单元接收光栅编码器信号，微处理器单元FPGA核心板Ⅰ根据接收到的信号计算打印头行走的速度，当运动速度为匀速时允许打印，当运动速度为加速或减速阶段不可打印，并将运动状态反馈给上位机。如图5所示，微处理器单元FPGA核心板Ⅰ的接口电路，控制芯片采用ATERA公司的EP4CE30F23C6芯片。该芯片采用484脚的FBGA封装，具有28848个逻辑单元，66个18*18硬件乘法器，4路PLL，最大提供328个用户IO，可扩展串口、编码器接口等。为了存储大容量的打印数据还扩展了两块容量高达1Gb的MT47H64M16存储器。与DSP、ARM等处理器相比，FGPA一个重要的特点就是基于时钟的硬件逻辑电路的并发性，可用于实现频率控制和输出信号的时序管理。由于打印头控制对时序要求较高，所以采用FPGA作为控制器。如图6所示的ARM控制单元的接口电路，ARM芯片采用采用TI公司的Cortex-A8AM335X芯片，主频高达1GHz，扩展512MBDDR3存储器和1GBnandFlash。提供千兆网接口与上位机通信，传输打印数据和控制信号，采用TCPIP协议和数据和校验，确保传输数据准确可靠。如图7所示的串口通信接口，将TTL电平转换成RS232电平，控制板和驱动板采用RS232通信的方式。当需要打印时，控制单元微处理器单元FPGA核心板Ⅰ通过串口通信电路的串口将命令发送给驱动板，驱动板接收到打印命令后产生点火脉冲使打印头喷墨打印。如图8所示的电压转换电路，将24v转换为5v为控制板提供工作电压。如图9所示的千兆网接口电路，通过TCPIP协议将命令数据和打印数据传送给ARM控制单元。为了保证数据的准确性，在传输时增加了校验位，当传输错误时ARM控制单元会发送错误指令，此时上位机会从新发送数据。如图10所示的光栅编码器接口，运动模组自带光栅编码器用于准确定位打印头所在的位置。光栅编码器接口将差分信号转换成单端信号输入到微处理器单元FPGA核心板Ⅰ中，FPGA根据预设的位置触发来触发控制打印。如图11所示的RS422发射器电路，控制板用于将串行数据的数据信号和时钟信号转换成差分信号，将4个这样的发射器与图12所示的打印数据输出接口相连，该信号接口与驱动板相连。图13是点火脉冲发生电路，该电路的功能是将110v输入电压调制成80v频率为1kHz的方波信号供打印头喷墨打印。将DCA0800芯片输出的电流信号经运放变换为电压信号，再经过三级放大，推挽输出产生80v电压，通过控制HIGHVENA引脚的开关，来驱动产生80v方波信号。图14是电压转换电路，提供12v和5v电压给驱动板和打印头。图15是RS422接收电路，将差分信号转换成单端信号，为打印头提供两组串行数据和时钟信号。为了保证数据有效，当有点火脉冲输入时时钟信号被锁定为高电平，不允许数据输入。图16是打印头接口电路，该接共有9针，一个打印头上有2个这样的接口。其中8、9脚为打印头提供电源。5脚和7脚是打印头移位寄存器的串行输入端，数据在时钟信号CLK的上升边沿锁存。1脚是点火脉冲输入端，当有高压点火脉冲输入并有打印数据时喷射打印。本发明的基于FPGA的3D打印头控制系统，与现有的打印头控制系统相比，可实现对20个打印头的精确打印控制；基于两个微控制单元FPGA，能实现同步传送20组打印数据和产生四路同步高压点火脉冲，控制3D打印机精确打印；本发明的基于FPGA的3D打印头控制系统，接线简单、结构合理、功能丰富、可靠性高，可实现长时间连续打印并可将打印状态回传上位机，实现与外设人机交互的功能；由控制板、驱动板、转接板等六块电路板组成，高低频、强弱电信号分开，使系统具有提高的抗干扰能力。

权利要求：1.一种基于FPGA的3D打印头控制系统，其特征在于包括用于控制打印头和与外部设备交互的控制板，与此控制板相连接的四块转接板，与所述控制板相连接的驱动板，所述的驱动板与所述的四块转接板相连接，所述的控制板包括用于数据交互和点火控制的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ，与此微处理器单元FPGA核心板Ⅰ通过GPMC接口通信的ARM控制单元，与所述微处理器单元FPGA核心板Ⅰ相连接的DC-DC电源转换、光栅编码器接口、打印数据输出接口和与此打印数据输出接口相连接的四路RS422发射电路，所述的控制板通过所述的打印数据输出接口与所述的驱动板相连接，所述的ARM控制单元通过千兆网接口与上位机通信，所述的驱动板包括用于控制点火脉冲和板级数据交互的微控制单元FPGA核心板Ⅱ，分别与此微控制单元FPGA核心板Ⅱ相连接的串口通信电路、DC-DC电源转换和四路点火脉冲发生电路，所述的四路点火脉冲发生电路分别与所述的四块转接板相连接，所述的四块转接板的每块转接板包括打印数据接收电路，与此打印数据接收电路相连接的五路打印头接口，所述的四路RS422发射电路分别与所述的四块转接板的打印数据接收电路对应连接。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的3D打印头控制系统，其特征在于所述的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ为EP4CE30F23C6芯片。3.根据权利要求1所述的基于FPGA的3D打印头控制系统，其特征在于所述的微控制单元FPGA核心板Ⅱ为DAC0800芯片。4.根据权利要求1所述的基于FPGA的3D打印头控制系统，其特征在于所述的光栅编码器接口通过差分接口与所述的微处理器单元FPGA核心板Ⅰ通信。

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