摘 要：隨著增材制造技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出成熟的3D打印控制系統(tǒng)。相比之下，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)起步較晚，與國(guó)外的技術(shù)方案適應(yīng)性較差，缺少成熟的3D打印控制系統(tǒng)。為此，提出了一種基于樹(shù)莓派的數(shù)字工廠網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)模擬和監(jiān)控3D打印過(guò)程，打破了空間限制，提高了3D打印的效率與質(zhì)量。該系統(tǒng)采用MKS SERVO42C步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)增量式PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制，有效避免了因電機(jī)丟步而導(dǎo)致精度降低的問(wèn)題。此外，樹(shù)莓派能夠獲取驅(qū)動(dòng)板反饋的實(shí)時(shí)信息，并與Unity之間建立HTTP通信，使得Unity孿生體能夠收集實(shí)時(shí)信息，有效監(jiān)測(cè)并預(yù)防3D打印過(guò)程中的產(chǎn)品缺陷。該系統(tǒng)不僅為提高3D打印機(jī)的性能和可靠性提供了新的思路，也為3D打印技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用探索了新的可能性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；3D打印機(jī)；Unity3D；閉環(huán)控制；樹(shù)莓派；MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：TP334.8；TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）05-00-04

0 引 言

近年來(lái)，增材制造（3D打印技術(shù)）在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，特別是在航空、能源、國(guó)防、汽車(chē)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)潛力。當(dāng)前，增材制造的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)研究已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱門(mén)話題[1-2]。

3D打印技術(shù)憑借其高度數(shù)字化的加工過(guò)程，在機(jī)器工作中生成大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)適當(dāng)篩選后，可用于構(gòu)建打印過(guò)程的數(shù)字孿生模型。近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)因其具有實(shí)時(shí)性、可預(yù)測(cè)性以及全數(shù)字化建模等特點(diǎn)，與工業(yè)4.0背景下的增材制造技術(shù)高度契合[3]。利用數(shù)字孿生對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行多變量的模擬，可以有效監(jiān)測(cè)并預(yù)防打印過(guò)程中的產(chǎn)品缺陷。

相比于國(guó)外的3D打印技術(shù)，國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)起步相對(duì)較晚，雖然已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但仍然面臨一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題：隨著打印速度的提升，步進(jìn)電機(jī)在高速狀態(tài)下出現(xiàn)扭矩不足、容易丟步的問(wèn)題，這種情況常常會(huì)導(dǎo)致打印出現(xiàn)錯(cuò)層現(xiàn)象，成為制約提高精度和打印成功率的關(guān)鍵因素之一[4]。此外，3D打印機(jī)普遍無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控打印過(guò)程，在打印過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)無(wú)法及時(shí)反饋和解決。同時(shí)，3D打印機(jī)的可控范圍通常受限于局域網(wǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，異地操作不便。

因此，本文對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)改造。閉環(huán)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)反饋監(jiān)控電機(jī)位置，并及時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，顯著提高電機(jī)穩(wěn)定性和精度，降低丟步風(fēng)險(xiǎn)，有效減小錯(cuò)層概率。同時(shí)，本文利用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)時(shí)記錄孿生體與實(shí)體3D打印機(jī)間的信息狀態(tài)，可以有效預(yù)測(cè)并預(yù)防3D打印過(guò)程中的產(chǎn)品缺陷。

1 數(shù)字孿生3D打印機(jī)總體設(shè)計(jì)

本3D打印機(jī)以Klipper開(kāi)源系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用MKS Monster8 V2.0作為主控板。針對(duì)打印過(guò)程中可能出現(xiàn)的丟步情況，引入了MKS SERVO42C步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)板，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。在系統(tǒng)架構(gòu)方面，采用了樹(shù)莓派4 B運(yùn)行Fluidd系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了樹(shù)莓派系統(tǒng)和Web-based Klipper控制部分，能夠向3D打印機(jī)下發(fā)指令并實(shí)時(shí)接收打印機(jī)的狀態(tài)信息。在編程語(yǔ)言方面，樹(shù)莓派系統(tǒng)采用了C++和Python。C++憑借其強(qiáng)大的性能，在處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和對(duì)硬件進(jìn)行底層控制時(shí)更為高效。Python則因其豐富的生態(tài)系統(tǒng)，尤其是在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和通信庫(kù)方面的優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)更加便捷。

為了更精確地模擬實(shí)際打印機(jī)的行為，本文基于Unity 3D開(kāi)發(fā)了3D打印機(jī)的數(shù)字孿生體。該虛擬打印機(jī)能夠精確模擬實(shí)體打印機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，包括噴頭位置、速度、擠出量、噴頭溫度、熱床溫度以及當(dāng)前打印文件等。通過(guò)樹(shù)莓派的HTTP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與實(shí)體之間的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息同步。在Unity平臺(tái)上，使用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，充分發(fā)揮了C#在仿真領(lǐng)域的便捷性和直觀性。其強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具和易用性不僅提高了虛擬打印機(jī)的開(kāi)發(fā)效率，還為用戶提供了良好的交互體驗(yàn)。

為了有效地管理和分析打印機(jī)的狀態(tài)信息，本文采用了MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析平臺(tái)。該數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和分析打印機(jī)的狀態(tài)信息，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析建立3D打印機(jī)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)字孿生3D打印機(jī)的整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，通過(guò)這一完整的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3D打印機(jī)行為和故障信息的全面監(jiān)控和分析。在后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)操作方面，使用SQL語(yǔ)言。這一綜合設(shè)計(jì)為提高打印機(jī)性能和可靠性提供了強(qiáng)有力的支持。

2 3D打印機(jī)閉環(huán)控制原理

2.1 MKS Monster8

MKS Monster8是Makerbase（MKS）公司推出的高性能3D打印機(jī)主控板，負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)算機(jī)的打印指令，控制步進(jìn)電機(jī)、加熱器、傳感器等設(shè)備運(yùn)行，如圖2所示。該主板搭載了32位處理器，具備強(qiáng)大的計(jì)算和控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)更快、更精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。同時(shí)，MKS Monster8提供了豐富的擴(kuò)展接口，允許用戶連接各種外圍設(shè)備，并兼容多種3D打印機(jī)軟件系統(tǒng)，如Klipper、Marlin、Repetier等。此外，MKS Monster8設(shè)計(jì)可靈活調(diào)整各種參數(shù)，滿足不同打印需求。

2.2 閉環(huán)控制

PID控制是一種在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用的調(diào)節(jié)器控制策略，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)控制領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)無(wú)法完全確定，或缺乏精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，PID控制器可以基于給定值與實(shí)際輸出值的偏差，通過(guò)比例、積分和微分的線性組合生成控制量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)。PID控制原理如圖3所示。

2.3 位置式PID

位置式PID控制算法通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出的控制量u（k）直接對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。然而，該算法存在一些缺點(diǎn)：每次輸出都受到過(guò)去狀態(tài)的影響，需要對(duì)過(guò)去的誤差進(jìn)行累加。這不僅增加了計(jì)算負(fù)擔(dān)，且由于控制量直接對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，若計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障導(dǎo)致控制量大幅變化，可能會(huì)引發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的劇烈變化，這在生產(chǎn)實(shí)踐中通常是不允許的。為此，產(chǎn)生了增量式PID控制算法，其輸出僅為控制量的增量Δu（k），從而避免了上述缺陷。

2.4 增量式PID

2.5 總體閉環(huán)流程

經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)比測(cè)試，本文最終選擇了適用于長(zhǎng)期系統(tǒng)穩(wěn)定的增量式PID控制算法。MKS Monster8支持外接驅(qū)動(dòng)，采用MKS SERVO42C步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)板（如圖4所示）。樹(shù)莓派通過(guò)串口與MKS SERVO42C連接，獲取驅(qū)動(dòng)板反饋的實(shí)時(shí)信息，并發(fā)送指令以讀取驅(qū)動(dòng)板編碼器的數(shù)據(jù)。

下面將詳細(xì)介紹如何通過(guò)串口連接MKS SERVO42C并獲取驅(qū)動(dòng)板反饋的實(shí)時(shí)信息，同時(shí)考慮數(shù)據(jù)更新頻率以及PID控制模式的設(shè)置。

2.5.1 硬件連接

將MKS SERVO42C步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)板與樹(shù)莓派通過(guò)串口連接。確保連接正確（TX端對(duì)RX端）且穩(wěn)定。

2.5.2 軟件設(shè)置

在樹(shù)莓派上配置串口通信參數(shù)，包括串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位等，以確保與MKS SERVO42C的正常通信。

2.5.3 設(shè)置PID控制模式

通過(guò)樹(shù)莓派發(fā)送相應(yīng)指令，將MKS SERVO42C設(shè)置為增量式PID控制模式。這種模式可以確保電機(jī)運(yùn)行時(shí)采用增量式PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的位置、速度和扭矩控制。

2.5.4 發(fā)送指令獲取編碼器數(shù)據(jù)

樹(shù)莓派以固定周期向MKS SERVO42C發(fā)送請(qǐng)求，以獲取驅(qū)動(dòng)板編碼器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)更新頻率，確保在位置、速度和累計(jì)誤差等方面獲取最新的信息。

2.5.5 接收和處理數(shù)據(jù)

樹(shù)莓派接收到MKS SERVO42C反饋的數(shù)據(jù)后，按照通信協(xié)議和數(shù)據(jù)格式進(jìn)行解析和處理，提取所需的信息（如位置、速度、累計(jì)誤差等），并進(jìn)一步處理和顯示。

2.5.6 實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制

在樹(shù)莓派與Unity之間建立HTTP通信，樹(shù)莓派將獲取的實(shí)時(shí)反饋信息發(fā)送給Unity孿生體。Unity孿生體對(duì)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。根據(jù)實(shí)際需求，可以進(jìn)行位置調(diào)整、速度控制等操作，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

3 數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 Fluidd和Moonraker

Fluidd 是 3D 打印機(jī)固件 Klipper 的輕量級(jí)響應(yīng)式用戶界面，它允許用戶通過(guò) Web 界面與打印機(jī)進(jìn)行交互。用戶可以通過(guò) Fluidd 查看打印狀態(tài)、上傳 Gcode 文件、監(jiān)控打印進(jìn)度等。

Moonraker 是一個(gè)基于 Python 3 的 Web 服務(wù)器，它公開(kāi) API，支持客戶端應(yīng)用程序通過(guò) HTTP、WebSocket 或 MQTT 與 Klipper 進(jìn)行通信。Moonraker 作為 Klipper 的擴(kuò)展，負(fù)責(zé)處理用戶請(qǐng)求并與 Klipper 進(jìn)行交互。

3.2 樹(shù)莓派與 MKS Monster8 V2.0 的通信

樹(shù)莓派通過(guò) Unix 域套接字與 MKS Monster8 V2.0 進(jìn)行通信。Unix 域套接字是一種進(jìn)程間通信的機(jī)制，通過(guò)文件系統(tǒng)模擬套接字，使得兩個(gè)進(jìn)程可以在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行通信。

3.3 Unity 與樹(shù)莓派的通信

Unity 通過(guò) HTTP 與樹(shù)莓派進(jìn)行通信。HTTP 是一種用于傳輸超文本數(shù)據(jù)的協(xié)議，常用于 Web 應(yīng)用程序之間的通信。Unity 可以使用 UnityWebRequest 類來(lái)發(fā)送 HTTP 請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)與樹(shù)莓派的通信。

3.4 總體通信流程

用戶通過(guò) Unity 創(chuàng)建并發(fā)送 HTTP 請(qǐng)求到樹(shù)莓派上運(yùn)行的Moonraker 服務(wù)器。

Moonraker 服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容與Klipper開(kāi)發(fā)板進(jìn)行通信，并獲取實(shí)體打印機(jī)的狀態(tài)或執(zhí)行特定的操作。

Klipper開(kāi)發(fā)板處理請(qǐng)求并將結(jié)果返回給 Moonraker。

Moonraker 將結(jié)果返回給Unity，用戶在 Unity 中看到相應(yīng)的響應(yīng)或狀態(tài)更新。

通過(guò)這樣的通信流程，用戶可以在 Unity 中實(shí)時(shí)監(jiān)控打印狀態(tài)、控制打印機(jī)運(yùn)動(dòng)，并與實(shí)體打印機(jī)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的通信部分。

4 基于Unity3D孿生體的虛擬仿真

4.1 數(shù)字3D打印機(jī)的搭建與仿真

借助建模軟件完成數(shù)字模型的建立后，將數(shù)字模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity。本文設(shè)計(jì)使用的3D打印機(jī)為UM2 Core x-y結(jié)構(gòu)，采用插值函數(shù)方法在Unity中還原其運(yùn)行方式。插值函數(shù)用于在兩個(gè)關(guān)鍵幀之間生成中間幀，使動(dòng)畫(huà)更加平滑。插值函數(shù)決定了關(guān)鍵幀之間的插值方式，常用的插值函數(shù)有線性插值（Linear Interpolation）和三次貝塞爾曲線（Cubic Bezier Curve）。使用Unity內(nèi)置的插值函數(shù)如Lerp和Smoothstep等，可以準(zhǔn)確且快速地規(guī)劃3D打印機(jī)噴頭的運(yùn)動(dòng)路徑。采用判斷網(wǎng)格填充和網(wǎng)格合并的方式切換涂料層數(shù)，通過(guò)將上位機(jī)G代碼轉(zhuǎn)換為插值函數(shù)路徑點(diǎn)的方式判斷是否放料，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印機(jī)的模擬仿真[7-8]。

4.2 數(shù)字3D打印機(jī)交互系統(tǒng)

4.2.1 用戶與虛擬3D打印機(jī)之間的交互

基于Unity的C#腳本、事件系統(tǒng)、UI系統(tǒng)、輸入/輸出系統(tǒng)等模塊，并結(jié)合C#編寫(xiě)交互邏輯，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。例如：結(jié)合設(shè)置輸入管理器讀取用戶輸入，控制視角全方位查看打印機(jī)；通過(guò)監(jiān)聽(tīng)單擊事件，控制3D打印機(jī)行為；結(jié)合UI和輸出模塊，實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)信息顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的及時(shí)反饋。

4.2.2 虛擬3D打印機(jī)與現(xiàn)實(shí)3D打印機(jī)的交互

基于網(wǎng)絡(luò)通信、輸入輸出等系統(tǒng)，以及多線程編程，實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)打印機(jī)之間的交互。例如：通過(guò)虛擬打印機(jī)向現(xiàn)實(shí)打印機(jī)發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)打印機(jī)的控制；通過(guò)現(xiàn)實(shí)打印機(jī)向虛擬打印機(jī)反饋數(shù)據(jù)，確保孿生體與現(xiàn)實(shí)打印機(jī)同步[9]。

通過(guò)該交互系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)用戶-孿生體-現(xiàn)實(shí)打印機(jī)之間的控制與反饋。

4.3 系統(tǒng)搭建流程

利用3D建模技術(shù)生成數(shù)字模型，導(dǎo)入U(xiǎn)nity引擎進(jìn)行修飾以優(yōu)化觀察效果。隨后，基于Unity自帶的虛擬仿真解決方案，確保模擬效果的真實(shí)性。采用HTTP和TCP雙重通信協(xié)議與上位機(jī)樹(shù)莓派、下位機(jī)MSK主板和Java數(shù)據(jù)庫(kù)建立通信，保障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。最后，以Unity為主平臺(tái)創(chuàng)建交互界面，修正無(wú)誤后打包成網(wǎng)頁(yè)及應(yīng)用，完成系統(tǒng)的構(gòu)建。

5 3D打印機(jī)后臺(tái)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析

本文選擇Go語(yǔ)言作為后端、Vue框架作為前端，以及MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)，成功搭建了一個(gè)功能強(qiáng)大的打印機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)在Go語(yǔ)言后端定義一個(gè)名為Data的結(jié)構(gòu)體，包含打印時(shí)間、高度、速度、溫度等關(guān)鍵信息，全面記錄打印過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)。通過(guò)后端實(shí)現(xiàn)的打印信息分析算法，實(shí)時(shí)判斷參數(shù)數(shù)值范圍和關(guān)聯(lián)關(guān)系，準(zhǔn)確識(shí)別打印錯(cuò)誤，如噴頭溫度過(guò)高或位置偏移等，為打印過(guò)程提供了有效的監(jiān)控和管理手段。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文的數(shù)字工廠網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以樹(shù)莓派為控制端，結(jié)合增量式PID算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，從而提高打印效率和質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)Unity的虛擬仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體打印機(jī)行為的精確模擬和監(jiān)控。在當(dāng)今加工制造業(yè)中，對(duì)于高精度、高效率和多樣性的需求日益凸顯[10]。盡管3D打印相對(duì)于傳統(tǒng)加工方式具有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍需不斷推動(dòng)其發(fā)展，以應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的制造挑戰(zhàn)和市場(chǎng)需求。這種技術(shù)創(chuàng)新不僅為提高打印機(jī)性能和可靠性提供新的思路，也為3D打印技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用探索了新的可能性。

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