3D打印设备的控制板及3D打印设备
技术领域
本公开涉及3D打印技术领域，特别涉及一种3D打印设备的控制板及3D打印设备。
背景技术
3D打印技术，又称增材制造技术，是快速原型制造技术的一种。FDM(FusedDeposition Molding，熔融堆积成型)技术是3D打印技术中的一种，其是在计算机的辅助下，通过对实体模型进行切片处理，把三维实体的制造转换成二维层面的堆积和沿成形方向的不断叠加，最终实现三维实体的制造。这种特殊的成型方式使得3D打印无需专用刀具、夹具和模具，便可制造出任意复杂形状的零件，因此，特别适合于新产品及核心零部件的研发试制，可以有效缩短产品的开发周期，降低试制成本。
如何降低3D打印设备的生产成本，提升其自动化程度，是目前亟待解决的技术问题。
实用新型内容
本公开实施例提供了一种3D打印设备的控制板及3D打印设备，以提升控制板的集成度、降低3D打印设备的生产成本，提升其自动化程度。
根据本公开实施例的一个方面，提供了一种3D打印设备的控制板，包括：微控制单元，分布于微控制单元的周边且连接微控制单元的主轴伺服驱动电路、挤送丝电机驱动电路、喷头限位感应电路、成型室温控电路、喷头温控电路、温度检测电路、丝材检测编码器电路和通信接口，以及，用于为控制板供电的电源模块。
在一些实施例中，控制板还包括：与微控制单元连接的安全门控制电路、安全门状态检测电路、照明灯控制电路、程序复位电路、程序擦除电路、工控机开关电路和指示灯控制电路中的至少一个。
在一些实施例中，主轴伺服驱动电路包括光电耦合器电路以及位于控制板边缘的主轴伺服驱动器接口，微控制单元的输入输出端口、光电耦合器电路和主轴伺服驱动器接口依次连接。
在一些实施例中，丝材检测编码器电路包括六路施密特触发反向器和编码器接口，微控制单元的定时器输入输出接口、六路施密特触发反向器和编码器接口依次连接。
在一些实施例中，通信接口的数量为多个，多个通信接口包括RS232接口、蓝牙接口和USB接口中的至少一种。
在一些实施例中，电源模块包括位于控制板的内电层且相互隔离的多个直流电源。
在一些实施例中，控制板还包括：与微控制单元连接的安全门控制电路、安全门状态检测电路、照明灯控制电路、程序复位电路、程序擦除电路、工控机开关电路和指示灯控制电路；
电源模块包括位于控制板的内电层且相互隔离的第一24V直流电源、第二24V直流电源、5V直流电源和3.3V直流电源，其中：
第一24V直流电源为主轴伺服驱动电路、温度检测电路、喷头限位感应电路、安全门状态检测电路、成型室温控电路、安全门控制电路、照明灯控制电路和工控机开关电路供电；
第二24V直流电源为指示灯控制电路和喷头温控电路供电；
5V直流电源为挤送丝电机驱动电路、丝材检测编码器电路和通信接口供电；
3.3V直流电源为微控制单元、程序复位电路和程序擦除电路供电。
在一些实施例中，微控制单元为Cortex-M3处理器。
根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种3D打印设备，包括：根据前述任一技术方案所述的控制板。
在一些实施例中，3D打印设备包括工业级3D打印设备。
本公开上述实施例的技术方案，可以实现提升3D打印设备的控制板的集成度、抗干扰能力和工作稳定性，以及降低3D打印设备的生产成本，提升自动化程度的技术效果。
通过以下参照附图对本公开的实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1为本公开一些实施例3D打印设备的控制板的结构示意图；
图2为本公开一些实施例3D打印设备的结构示意图。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种实施例。对实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置应被解释为仅仅是示意性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定元件位于第一元件和第二元件之间时，在该特定元件与第一元件或第二元件之间可以存在居间元件，也可以不存在居间元件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
随着工业级3D打印技术的发展，对于3D打印设备的打印尺寸、打印速度、打印材料的广泛性以及打印精度等都提出了更高的要求。然而，相关技术的3D打印设备，其控制板大多存在集成度不高的问题，从而导致打印设备的生产成本无法进一步降低，自动化程度提升受限。
为解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种3D打印设备的控制板及3D打印设备。
如图1所示，本公开一些实施例提供了一种3D打印设备的控制板11，包括：微控制单元12(Microcontroller Unit，MCU)，分布于微控制单元12的周边且连接微控制单元12的主轴伺服驱动电路13、挤送丝电机驱动电路14、喷头限位感应电路15、成型室温控电路16、喷头温控电路17、温度检测电路18、丝材检测编码器电路19和通信接口20，以及，用于为控制板11供电的电源模块(包括一个或多个直流电源)。
微控制单元12作为控制板11的芯片级处理器。在本公开的一些实施例中，微控制单元12采用Cortex-M3处理器。Cortex-M3是一个32位处理器内核，采用了Tail-Chaining中断技术，完全基于硬件进行中断处理，最多可减少12个时钟周期数，在实际应用中可减少70％中断。
主轴伺服驱动电路13用于连接控制板11外部的主轴伺服驱动器，微控制单元12通过主轴伺服驱动电路13控制主轴伺服驱动器的工作状态。在本公开的一个实施例中，主轴伺服驱动电路13包括光电耦合器电路(图中未示出)以及位于控制板11边缘的主轴伺服驱动器接口131。微控制单元12的输入输出端口121(如GPIO端口(General-purpose input/output，GPIO))、光电耦合器电路和主轴伺服驱动器接口131依次连接。微控制单元12通过输入输出端口121发出控制信号，控制信号经过光电耦合器电路，发送给与主轴伺服驱动器接口131可插拔连接的主轴伺服驱动器。主轴伺服驱动器内部的光电耦合器接收控制信号后发送给主轴伺服驱动器内部的处理器。可见，在控制板侧和主轴伺服驱动器侧的信号是双向隔离的，从而可以保障控制板11和主轴伺服驱动器的安全，减少相互干扰。
挤送丝电机驱动电路14用于连接控制板11外部的挤送丝电机，微控制单元12通过挤送丝电机驱动电路14控制挤送丝电机的工作状态。
喷头限位感应电路15用于连接控制板11外部的、用来检测喷头是否运动到极限安全位置的限位开关。当喷头运动到极限安全位置时，限位开关通过喷头限位感应电路15向微控制单元12发送传感器信号，微控制单元12即刻通过相关电路控制喷头停止移动，以防止发生极限碰撞。
3D打印设备的成型室通常使用多组高功率加热管对成型环境进行加热，喷头处也会使用加热管对成型环境进行再加热。微控制单元12通过成型室温控电路16控制成型室内加热管的加热温度。微控制单元12通过喷头温控电路17控制喷头处加热管的加热温度。成型室和喷头处均设有温度传感器，检测的温度信号通过温度检测电路18反馈给微控制单元12。在一些实施例中，温度检测电路18采用恒流源测量电路，使用四路运算放大器(MCP619)，其输入失调电压为±150μV，温度漂移为±2μV/℃，可使用2.3～5.5V单电源供电。整个温度检测电路18包括恒流源、消除线阻、差分放大三个功能部分。
丝材检测编码器电路19用于连接控制板11外部的用于检测丝材用量的编码器。编码器通过丝材检测编码器电路19向微控制芯片12发送脉冲信号。在本公开的一个实施例中，丝材检测编码器电路19包括六路施密特触发反向器(图中未示出)和编码器接口191，微控制单元12的定时器输入输出接口122、六路施密特触发反向器(74LVC14)和编码器接口191依次连接。由于丝材检测编码器电路19需要采用5V电压供电，而微控制单元12需要采用3.3V电压供电，六路施密特触发反向器可以在丝材检测编码器电路19和微控制单元12之间进行电压转换，同时对输出波形进行整形，使输入微控制单元12的信号为ABZ三向信号(A、B相是脉冲输出信号，Z相是圈数，AB两相相差90°)。3D打印设备采用该实施例控制板，配合上位机可使设备换丝过程更加简易，通过送丝装置和挤丝装置可以实现丝材的自动上料和退料，提升了设备的自动化程度。
可以理解的，在本公开实施例中，控制板11边缘可设置多个可插拔接口(包括但不限于主轴伺服驱动器接口131和编码器接口191)，以供相关设备接入，实现与控制板11的连接，这里不在一一示意。
控制板11上通信接口20的具体数量和类型不限。例如，通信接口20的数量可以为多个，多个通信接口20包括RS232接口、蓝牙接口和USB接口中的至少一种。在本公开的一些实施例中，控制板11包括了RS232接口、蓝牙接口和USB接口三类通信接口。控制板11包括多个通信接口类型，可以应对不同的使用需求。其中，通过USB接口可以进行程序擦写、模拟串口通信、高速USB通信，以及USB-OTG功能(用于各种不同设备或移动设备间的连接以及数据交换)链接从设备等。USB接口的数量可以为多个，以供备用。
在本公开的一些实施例中，控制板11还包括：与微控制单元12连接的安全门控制电路22、安全门状态检测电路23、照明灯控制电路24、程序复位电路25、程序擦除电路26、工控机开关电路27和指示灯控制电路28中的至少一个。如图1所示的实施例，控制板11包括了上述的全部电路。
在本公开的一些实施例中，电源模块包括位于控制板11的内电层(具体位于四层结构的印刷电路板从上往下数的第三层)且相互隔离的多个直流电源。如图1所示的实施例，电源模块21包括位于控制板11的内电层且相互隔离的第一24V直流电源211、第二24V直流电源212、5V直流电源213和3.3V直流电源214。其中：第一24V直流电源211为主轴伺服驱动电路13、温度检测电路18、喷头限位感应电路15、安全门状态检测电路23、成型室温控电路16、安全门控制电路22、照明灯控制电路24和工控机开关电路27供电；第二24V直流电源212为指示灯控制电路28和喷头温控电路17供电；5V直流电源213为挤送丝电机驱动电路14、丝材检测编码器电路19和通信接口20供电；3.3V直流电源214为微控制单元12、程序复位电路25和程序擦除电路26供电。由于各个直流电源相互独立、相互隔离，分别向不同功能的电路供电，这样，可以有效减小电源之间的相互干扰，从而提升了控制板11工作运行的稳定性。
本公开上述实施例提供的控制板用于3D打印设备，具有如下有益效果：
控制板上集成了微控制单元和多个功能电路，集成度较高，从而扩展了控制板的功能，3D打印机在控制板外围的电路板数量可以相应减少。这样，不但有利于提升3D打印设备的自动化程度，还能降低3D打印设备的整体功耗，降低3D打印设备的生产成本。
在一些实施例中，电源模块的各个直流电源相互独立、相互隔离，分别向不同功能的电路供电，从而有效减小了电源之间的相互干扰，提升了控制板工作运行的稳定性。
在一些实施例中，控制板侧和主轴伺服驱动器侧的信号是双向隔离的，从而可以保障控制板和主轴伺服驱动器的安全，减少相互干扰。
如图2所示，本公开实施例还提供一种3D打印设备，包括了前述任一实施例的控制板11。其中，3D打印设备可以为工业级3D打印设备。该3D打印设备的控制板的集成度较高，抗干扰能力较强，工作稳定性较好，而且，由于采用了该控制板11，3D打印设备的生产成本降低，自动化程度提高。
如图2所示，在本公开的一些实施例中，3D打印设备除控制板11外，还包括工控机31、电气设备32和驱动设备33。其中，工控机31上存储有切片引擎和人机交互软件，控制板11上写有相关控制程序。工控机31与控制板11之间可以通过前述任意一种通信接口(如RS232接口)进行通信。电气设备32，例如包括变压器、断路器、漏电保护器、继电器、滤波器、开关电源和电力线缆等，主要用于电气转换、电能传输以及提供用电安全保护。驱动设备33，例如包括伺服电机驱动器和步进电机驱动器等，其接收来自控制板的控制信号，根据控制信号驱动电机运转。
至此，已经详细描述了本公开的各种实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。
