3D打印技術(shù)即三維快速成型打印技術(shù)，是一種新型增材制造方式。區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材制造技術(shù)”，3D 打印通過(guò)數(shù)字化模型離散目標(biāo)實(shí)體模型，再通過(guò)材料層層堆疊方法，逐漸累積出一個(gè)目標(biāo)三維實(shí)體的技術(shù)。該技術(shù)在不使用傳統(tǒng)復(fù)雜的刀具或模具的情況下，使用熔融材料堆疊成具有復(fù)雜的傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)切削加工鑄造技術(shù)，具有節(jié)約材料、耗時(shí)短、提高設(shè)計(jì)自由度等優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)之一。 3D打印機(jī)是 3D打印的核心設(shè)備，在 3D打印過(guò)程中起到實(shí)體模型獲取、3D打印數(shù)據(jù)資料生成、控制 3D打印材料堆疊等作用。具體工作流程是：①通過(guò)計(jì)算機(jī)三維建?；蛉S掃描技術(shù)獲取實(shí)體模型；②使用計(jì)算機(jī)分層軟件將實(shí)體模型分層產(chǎn)生數(shù)據(jù)資料，再將數(shù)據(jù)文件傳輸 3D 打印機(jī)；③打印機(jī)根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)打印噴頭/激光器按照預(yù)定預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行擠出材料/激光燒結(jié)，形成固化平面層，如此循環(huán)往復(fù)，逐漸堆疊成目標(biāo)實(shí)體。

▲3D 打印流程（來(lái)源：億渡數(shù)據(jù)）

3D打印技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療、消費(fèi)品等領(lǐng)域，并且不斷拓寬應(yīng)用邊界如人形機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、飛行汽車等。

▲3D打印應(yīng)用案例（來(lái)源：OFweek）

全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，根據(jù)從事增材制造行業(yè)研究的機(jī)構(gòu) Wohlers Associates 統(tǒng)計(jì)顯示，全球增材制造產(chǎn)值從2015年的51.65億美元增長(zhǎng)到2023 年的200億美元左右，2015-2023年3D打印市場(chǎng)規(guī)模CAGR約為18.46%。按需數(shù)字制造提供商Protolabs預(yù)測(cè)2030年全球3D打印市場(chǎng)空間有望達(dá)到883億美元。中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示2023年中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到367億元，同比增長(zhǎng)14.69%，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)2024-2029年中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模將持續(xù)高速增長(zhǎng)預(yù)計(jì)2029年中國(guó)3D打印市場(chǎng)規(guī)模將超1200億元，2024-2029年CAGR約為19.5%。3D打印目前有七大類主流工藝路線，包括粉末床熔融、定向能量沉積、立體光固化、粘結(jié)劑噴射、材料擠出、材料噴射和薄材疊層，各工藝類別下還包括不同的子工藝。FDM（熔融沉積）3D打印工藝，通過(guò)控制 3D打印機(jī)噴頭在XYZ 笛卡爾3軸方向上擠出經(jīng)過(guò)加熱的熔融材料進(jìn)行層層堆積,最終打印成型。該打印方式具有成本低、耗材多樣及不產(chǎn)生化學(xué)變化、綠色健康等優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)中最常見(jiàn)的 3D打印技術(shù)。但其仍具有以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）對(duì)于具有懸垂結(jié)構(gòu)的模型，需要打印支撐,這造成了材料和時(shí)間上的浪費(fèi),降低了生產(chǎn)效率；

（2）由于層層堆積的生產(chǎn)方式,模型表面必定存在階梯效應(yīng)，導(dǎo)致表面質(zhì)量較差。以上問(wèn)題一定程度上限制了 3D 打印技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)推廣，而通過(guò)拓展打印的成型自由度，實(shí)現(xiàn)從平面垂直堆疊到曲面多方向成型，可以有效減少或消除支撐所帶來(lái)的材料浪費(fèi)，削減階梯效應(yīng)所導(dǎo)致的模型表面質(zhì)量降低問(wèn)題。將多軸機(jī)械臂作為載體，3D打印噴頭機(jī)構(gòu)裝于空間末端支持多方向運(yùn)動(dòng)，是增加成型自由度的主要方法，其能夠改變傳統(tǒng) 3D打印層層堆積的打印方式，實(shí)現(xiàn)曲線、曲面打印，解決因?yàn)榇蛴≈嗡鶎?dǎo)致的材料、時(shí)間浪費(fèi)問(wèn)題。根據(jù) Market Research future 的研究，2022年3D打印機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)為10.6 億美元，而該市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從 2023年的13.6億美元增長(zhǎng)至2032年的130 億美元。

▲各類機(jī)器人3D打印方式（來(lái)源：CNKI）

自由度的擴(kuò)展，帶來(lái)的是需要更多運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與工藝實(shí)施機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)工作，而滿足多工藝參數(shù)實(shí)時(shí)性和同步性的控制系統(tǒng)是高質(zhì)量多自由度 3D打印實(shí)現(xiàn)的前提。因此，需要一種解決方法整合機(jī)械臂 3D打印中各工藝機(jī)構(gòu)在控制上的協(xié)同性，并保證各工藝機(jī)構(gòu)間的協(xié)同控制精度，提高多軸機(jī)械臂 3D打印的最終成型質(zhì)量。EtherCAT是出德國(guó) Beckhoff公司基于Fast Lightbus 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)提出的一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，目前已經(jīng)獲得我國(guó)以及眾多國(guó)際制造業(yè)企業(yè)的認(rèn)同。EtherCAT因其具有傳輸速度快、同步性能好、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn),近年來(lái)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于如多軸伺服控制系統(tǒng)、多機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)等分布式網(wǎng)絡(luò)控制場(chǎng)景。通過(guò)引入EtherCAT 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)提高主控上位機(jī)與下層執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通信實(shí)時(shí)性和各機(jī)構(gòu)響應(yīng)同步性，提高3D打印的控制精度，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)多自由度 3D 打印。

機(jī)器人 3D 打印控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

機(jī)器人3D打印控制系統(tǒng)基于EtherCAT 總線設(shè)計(jì)，利用其良好的主從通信實(shí)時(shí)性能與從站間精確的時(shí)鐘同步,能夠保證打印系統(tǒng)對(duì)于各機(jī)構(gòu)控制數(shù)據(jù)的同步下發(fā)與及時(shí)反饋，而為進(jìn)一步確保各打印機(jī)構(gòu)行使其對(duì)應(yīng)功能，并在運(yùn)行過(guò)程中協(xié)同配合。典型的機(jī)器人3D打印控制系統(tǒng)由用戶層，協(xié)議層，傳輸層，物理層及硬件層組成，其中用戶層協(xié)議層、傳輸層及物理層均在主控PC中實(shí)現(xiàn)，硬件層由 EtherCAT 物理總線、打印機(jī)主板從站及機(jī)械臂從站組成。

▲典型的機(jī)器人3D打印控制系統(tǒng)框架

用戶層主要指 EtherCAT主站中各應(yīng)用層功能程序，包括與GCODE文件的交互，讀取并解析打印路徑命令，反饋式擠料速度控制以及將所有解析及計(jì)算結(jié)果存入邏輯地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。協(xié)議層指EtherCAT主站中的協(xié)議棧，其將用戶層邏輯地址中的相關(guān)數(shù)據(jù)與下層傳輸層對(duì)接。傳輸層及物理層則負(fù)責(zé)將通信過(guò)程數(shù)據(jù)以以太網(wǎng)幀的形式進(jìn)行發(fā)送與接收，硬件層主要分為3D打印主板從站與機(jī)械臂從站，兩從站基于各自的獨(dú)立芯片分別控制擠出機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)、溫度機(jī)構(gòu)以及機(jī)器人等功能模塊。

3D打印機(jī)機(jī)械臂從站系統(tǒng)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人3D打印系統(tǒng)中承擔(dān)噴頭空間運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu),其控制的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性關(guān)乎最終成型件的整體質(zhì)量機(jī)構(gòu)。

▲典型3D打印機(jī)機(jī)械臂從站系統(tǒng)構(gòu)成

典型的3D打印機(jī)機(jī)械臂從站硬件組成包括搭載 EtherCAT 從站控制器的網(wǎng)關(guān)模塊、PC 主機(jī)、機(jī)械臂控制柜、機(jī)械臂本體、示教器以及一個(gè)交換機(jī)，各控制模塊間采用交換機(jī)進(jìn)行串聯(lián)。在機(jī)械臂從站中，PC主機(jī)作為網(wǎng)關(guān)模塊與機(jī)械臂控制柜的中間模塊，負(fù)責(zé)將EtherCAT從站控制器所接收到的EtherCAT總線信息作中間處理，再下發(fā)到機(jī)械臂控制柜中，以及相關(guān)反饋數(shù)據(jù)的回傳。示教器是進(jìn)行機(jī)械臂手動(dòng)操作、應(yīng)用調(diào)試、程序編寫(xiě)、參數(shù)配置及狀態(tài)監(jiān)控的手持裝置，在機(jī)械臂從站中，通過(guò)在其上編寫(xiě)自動(dòng)運(yùn)行的控制程序，配合PC主機(jī)工程工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂點(diǎn)位的連續(xù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

3D 打印機(jī)主板從站系統(tǒng)

機(jī)器人3D 打印控制系統(tǒng)中 3D 打印主板作為一個(gè)EtherCAT 從站，配合專用內(nèi) EtherCAT 從站控制器，接入 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)，是打印系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，其負(fù)責(zé)提供底層擠料機(jī)構(gòu)、溫度控制機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)以及工作平臺(tái)旋轉(zhuǎn)機(jī)溝的控制功能。

▲典型的 3D 打印主板從站硬件構(gòu)成

3D 打印機(jī)主板控制模塊

在機(jī)器人3D打印控制系統(tǒng)中，3D打印主板主要由主控 MCU、電源電路、外部晶振電路、復(fù)位電路及固件燒錄接口組成最小系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上使用溫度傳感器，配合溫度轉(zhuǎn)換電路及MCU內(nèi)部 AD采樣單元，實(shí)現(xiàn)噴頭及打印底床溫度的實(shí)時(shí)獲取。并通過(guò)加熱電路及風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路，依據(jù)所采集到的溫度值及 控制算法，維持噴頭及底床溫度的穩(wěn)定。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分別控制擠出機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)及底床旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中旋轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)責(zé)底床的平面旋轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)電機(jī)負(fù)責(zé)底床的側(cè)向反轉(zhuǎn)，方便實(shí)現(xiàn)模型的多方向沉積。通信接口采用與從站核心板對(duì)應(yīng)的 SPI方式，將MCU接入EtherCAT網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

▲典型3D 打印機(jī)主板控制模塊結(jié)構(gòu)

3D 打印機(jī)主板通信模塊

3D 打印機(jī)主板通信模塊搭載專用的從站控制器(ESC)，配合物理層芯片 PHY 以及RJ45 物理網(wǎng)口實(shí)現(xiàn) 3D 打印主板從站 EtherCAT通信中的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層功能。其核心是從站控制器 ESC 芯片，主要負(fù)責(zé) EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中主從站間的協(xié)議處理。ESC 芯片向外提供多種 PDI接口，主要分為直接輸入輸出信號(hào)接口和DPRAM 數(shù)據(jù)接口兩種，其中直接輸入輸出信號(hào)接口不通過(guò)下層微處理器，直接輸出邏輯 IO信號(hào)，DPRAM 數(shù)據(jù)接口一般需要在 ESC 下層接入具有運(yùn)算能力的為控制器(MCU)，分別為SPI、 8/16 位異步并行接口以及 8/16 位同步并行接口，其中 SPI方式在連接與應(yīng)用上相對(duì)簡(jiǎn)潔方便，故3D 打印主板從站控制模塊與通信模塊之間選用 SPI 方式建立通信。除 SPI通信總線外，還包括用于 DC 同步模式的 SYNC信號(hào)線以及電源線等。

▲典型3D 打印機(jī)主板通信模塊結(jié)構(gòu)

碼靈半導(dǎo)體機(jī)器人 3D 打印系統(tǒng)解決方案

碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列為EtherCAT從站控制器芯片可通過(guò)一主多從的分布式架構(gòu)將包括機(jī)械臂、擠出機(jī)構(gòu)、溫度控制機(jī)構(gòu)等跨平臺(tái)功能模塊并入一套控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)多自由度 3D 打印，滿足機(jī)器人3D打印控制系統(tǒng)中對(duì)于各機(jī)構(gòu)控制的實(shí)時(shí)性及同步性需求。▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

碼靈半導(dǎo)體CF110x系列可提供3個(gè)EtherCAT 數(shù)據(jù)收發(fā)端口，能夠與其他從站 ESC 組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。提供多個(gè)通用 IO 擴(kuò)展，用于簡(jiǎn)單 IO設(shè)備控制，同時(shí)具有多種外部通信方式，可連接微處理器實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的從站功能，包括串行通信方式，如 SPI 通信；并行通信方式，如 FSMC 等。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

CF110x系列ESC提供4KB寄存器空間、8KB過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。此外，還包含8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線管理單元(FMMU)用于負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)從站物理地址到主站邏輯地址的空間映射，提高通信效率。內(nèi)置8個(gè)用于多從站同步的 SyncManager 管理器和64位 DC分布式時(shí)鐘，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩约巴ㄐ胚^(guò)程中的一致性。CF110x系列在機(jī)器人3D打印系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：產(chǎn)品獲得德國(guó)倍福公司（Beckhoff）官方正式授權(quán)，已通過(guò)ETG官方的一致性測(cè)試認(rèn)證，符合EtherCAT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)置8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線內(nèi)存管理單元（FMMU）、8個(gè)同步管理器（SM），產(chǎn)品支持三種數(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口；內(nèi)置64位分布式時(shí)鐘（DC），可實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）；可選擇性集成32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）或2個(gè)電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)；多種封裝形式可選，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封裝。碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片可保證機(jī)器人多自由度3D 打印控制系統(tǒng)中主從站間數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)與同步性能，實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器人與擠料剪切等其他工藝機(jī)構(gòu)的跨平臺(tái)協(xié)同控制。