基于增材制造的數字工廠網絡控制系統

摘 要：隨著增材制造技術在各個領域的廣泛應用，國外已經開發出成熟的3D打印控制系統。相比之下，國內3D打印技術起步較晚，與國外的技術方案適應性較差，缺少成熟的3D打印控制系統。為此，提出了一種基于樹莓派的數字工廠網絡控制系統，借助數字孿生技術實時模擬和監控3D打印過程，打破了空間限制，提高了3D打印的效率與質量。該系統采用MKS SERVO42C步進電機，通過增量式PID算法進行閉環控制，有效避免了因電機丟步而導致精度降低的問題。此外，樹莓派能夠獲取驅動板反饋的實時信息，并與Unity之間建立HTTP通信，使得Unity孿生體能夠收集實時信息，有效監測并預防3D打印過程中的產品缺陷。該系統不僅為提高3D打印機的性能和可靠性提供了新的思路，也為3D打印技術在制造業的應用探索了新的可能性。

關鍵詞：數字孿生；3D打印機；Unity3D；閉環控制；樹莓派；MySQL數據庫

中圖分類號：TP334.8；TP273+.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-04

0 引 言

近年來，增材制造（3D打印技術）在各個領域的應用不斷擴展，對制造業產生了深遠影響，特別是在航空、能源、國防、汽車、生物醫療等領域展現出廣泛的應用前景和巨大的市場潛力。當前，增材制造的技術與產業研究已成為國內外學術界和工業界的熱門話題[1-2]。

3D打印技術憑借其高度數字化的加工過程，在機器工作中生成大量數據。這些數據在經過適當篩選后，可用于構建打印過程的數字孿生模型。近年來，數字孿生技術因其具有實時性、可預測性以及全數字化建模等特點，與工業4.0背景下的增材制造技術高度契合[3]。利用數字孿生對成型過程進行多變量的模擬，可以有效監測并預防打印過程中的產品缺陷。

相比于國外的3D打印技術，國內3D打印技術起步相對較晚，雖然已經取得了顯著的進展，但仍然面臨一些挑戰和問題：隨著打印速度的提升，步進電機在高速狀態下出現扭矩不足、容易丟步的問題，這種情況常常會導致打印出現錯層現象，成為制約提高精度和打印成功率的關鍵因素之一[4]。此外，3D打印機普遍無法實時監控打印過程，在打印過程中出現問題時無法及時反饋和解決。同時，3D打印機的可控范圍通常受限于局域網，無法實現遠程控制，異地操作不便。

因此，本文對步進電機進行閉環改造。閉環系統通過實時反饋監控電機位置，并及時調整控制信號，顯著提高電機穩定性和精度，降低丟步風險，有效減小錯層概率。同時，本文利用數字孿生技術，實時記錄孿生體與實體3D打印機間的信息狀態，可以有效預測并預防3D打印過程中的產品缺陷。

1 數字孿生3D打印機總體設計

本3D打印機以Klipper開源系統為基礎，采用MKS Monster8 V2.0作為主控板。針對打印過程中可能出現的丟步情況，引入了MKS SERVO42C步進電機閉環驅動板，以實現對電機的閉環控制。在系統架構方面，采用了樹莓派4 B運行Fluidd系統，該系統集成了樹莓派系統和Web-based Klipper控制部分，能夠向3D打印機下發指令并實時接收打印機的狀態信息。在編程語言方面，樹莓派系統采用了C++和Python。C++憑借其強大的性能，在處理實時數據和對硬件進行底層控制時更為高效。Python則因其豐富的生態系統，尤其是在科學計算、數據分析和通信庫方面的優勢，使得系統開發和維護更加便捷。

為了更精確地模擬實際打印機的行為，本文基于Unity 3D開發了3D打印機的數字孿生體。該虛擬打印機能夠精確模擬實體打印機的各項參數，包括噴頭位置、速度、擠出量、噴頭溫度、熱床溫度以及當前打印文件等。通過樹莓派的HTTP通信協議，實現數字孿生體與實體之間的實時狀態信息同步。在Unity平臺上，使用C#語言進行開發，充分發揮了C#在仿真領域的便捷性和直觀性。其強大的開發工具和易用性不僅提高了虛擬打印機的開發效率，還為用戶提供了良好的交互體驗。

為了有效地管理和分析打印機的狀態信息，本文采用了MySQL數據庫作為后臺數據存儲和分析平臺。該數據庫負責存儲和分析打印機的狀態信息，并通過大數據分析建立3D打印機的數學模型。數字孿生3D打印機的整體系統架構如圖1所示，通過這一完整的設計，實現了對3D打印機行為和故障信息的全面監控和分析。在后臺的數據庫操作方面，使用SQL語言。這一綜合設計為提高打印機性能和可靠性提供了強有力的支持。

2 3D打印機閉環控制原理

2.1 MKS Monster8

MKS Monster8是Makerbase（MKS）公司推出的高性能3D打印機主控板，負責執行計算機的打印指令，控制步進電機、加熱器、傳感器等設備運行，如圖2所示。該主板搭載了32位處理器，具備強大的計算和控制能力，能夠實現更快、更精準的運動控制。同時，MKS Monster8提供了豐富的擴展接口，允許用戶連接各種外圍設備，并兼容多種3D打印機軟件系統，如Klipper、Marlin、Repetier等。此外，MKS Monster8設計可靈活調整各種參數，滿足不同打印需求。

2.2 閉環控制

PID控制是一種在工程實踐中廣泛應用的調節器控制策略，具有結構簡單、穩定可靠的優點，是工業控制領域的核心技術之一。當系統的結構和參數無法完全確定，或缺乏精確的數學模型時，PID控制器可以基于給定值與實際輸出值的偏差，通過比例、積分和微分的線性組合生成控制量，從而實現對系統的有效調節。PID控制原理如圖3所示。

2.3 位置式PID

位置式PID控制算法通過計算機輸出的控制量u（k）直接對執行機構進行控制。然而，該算法存在一些缺點：每次輸出都受到過去狀態的影響，需要對過去的誤差進行累加。這不僅增加了計算負擔，且由于控制量直接對應執行機構的位置，若計算機出現故障導致控制量大幅變化，可能會引發執行機構位置的劇烈變化，這在生產實踐中通常是不允許的。為此，產生了增量式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 總體閉環流程

經過實際對比測試，本文最終選擇了適用于長期系統穩定的增量式PID控制算法。MKS Monster8支持外接驅動，采用MKS SERVO42C步進電機閉環驅動板（如圖4所示）。樹莓派通過串口與MKS SERVO42C連接，獲取驅動板反饋的實時信息，并發送指令以讀取驅動板編碼器的數據。

下面將詳細介紹如何通過串口連接MKS SERVO42C并獲取驅動板反饋的實時信息，同時考慮數據更新頻率以及PID控制模式的設置。

2.5.1 硬件連接

將MKS SERVO42C步進電機閉環驅動板與樹莓派通過串口連接。確保連接正確（TX端對RX端）且穩定。

2.5.2 軟件設置

在樹莓派上配置串口通信參數，包括串口號、波特率、數據位等，以確保與MKS SERVO42C的正常通信。

2.5.3 設置PID控制模式

通過樹莓派發送相應指令，將MKS SERVO42C設置為增量式PID控制模式。這種模式可以確保電機運行時采用增量式PID算法進行閉環控制，從而實現更加精準的位置、速度和扭矩控制。

2.5.4 發送指令獲取編碼器數據

樹莓派以固定周期向MKS SERVO42C發送請求，以獲取驅動板編碼器的實時數據。根據數據更新頻率，確保在位置、速度和累計誤差等方面獲取最新的信息。

2.5.5 接收和處理數據

樹莓派接收到MKS SERVO42C反饋的數據后，按照通信協議和數據格式進行解析和處理，提取所需的信息（如位置、速度、累計誤差等），并進一步處理和顯示。

2.5.6 實時監控和控制

在樹莓派與Unity之間建立HTTP通信，樹莓派將獲取的實時反饋信息發送給Unity孿生體。Unity孿生體對步進電機的實時監控和控制。根據實際需求，可以進行位置調整、速度控制等操作，以實現整個系統的閉環控制。

3 數據通信模塊的設計和實現

3.1 Fluidd和Moonraker

Fluidd 是 3D 打印機固件 Klipper 的輕量級響應式用戶界面，它允許用戶通過 Web 界面與打印機進行交互。用戶可以通過 Fluidd 查看打印狀態、上傳 Gcode 文件、監控打印進度等。

Moonraker 是一個基于 Python 3 的 Web 服務器，它公開 API，支持客戶端應用程序通過 HTTP、WebSocket 或 MQTT 與 Klipper 進行通信。Moonraker 作為 Klipper 的擴展，負責處理用戶請求并與 Klipper 進行交互。

3.2 樹莓派與 MKS Monster8 V2.0 的通信

樹莓派通過 Unix 域套接字與 MKS Monster8 V2.0 進行通信。Unix 域套接字是一種進程間通信的機制，通過文件系統模擬套接字，使得兩個進程可以在同一臺計算機上進行通信。

3.3 Unity 與樹莓派的通信

Unity 通過 HTTP 與樹莓派進行通信。HTTP 是一種用于傳輸超文本數據的協議，常用于 Web 應用程序之間的通信。Unity 可以使用 UnityWebRequest 類來發送 HTTP 請求，從而實現與樹莓派的通信。

3.4 總體通信流程

用戶通過 Unity 創建并發送 HTTP 請求到樹莓派上運行的Moonraker 服務器。

Moonraker 服務器根據請求的內容與Klipper開發板進行通信，并獲取實體打印機的狀態或執行特定的操作。

Klipper開發板處理請求并將結果返回給 Moonraker。

Moonraker 將結果返回給Unity，用戶在 Unity 中看到相應的響應或狀態更新。

通過這樣的通信流程，用戶可以在 Unity 中實時監控打印狀態、控制打印機運動，并與實體打印機進行交互，實現數字孿生的通信部分。

4 基于Unity3D孿生體的虛擬仿真

4.1 數字3D打印機的搭建與仿真

借助建模軟件完成數字模型的建立后，將數字模型導入Unity。本文設計使用的3D打印機為UM2 Core x-y結構，采用插值函數方法在Unity中還原其運行方式。插值函數用于在兩個關鍵幀之間生成中間幀，使動畫更加平滑。插值函數決定了關鍵幀之間的插值方式，常用的插值函數有線性插值（Linear Interpolation）和三次貝塞爾曲線（Cubic Bezier Curve）。使用Unity內置的插值函數如Lerp和Smoothstep等，可以準確且快速地規劃3D打印機噴頭的運動路徑。采用判斷網格填充和網格合并的方式切換涂料層數，通過將上位機G代碼轉換為插值函數路徑點的方式判斷是否放料，以此實現對3D打印機的模擬仿真[7-8]。

4.2 數字3D打印機交互系統

4.2.1 用戶與虛擬3D打印機之間的交互

基于Unity的C#腳本、事件系統、UI系統、輸入/輸出系統等模塊，并結合C#編寫交互邏輯，實現人機交互功能。例如：結合設置輸入管理器讀取用戶輸入，控制視角全方位查看打印機；通過監聽單擊事件，控制3D打印機行為；結合UI和輸出模塊，實現控制臺信息顯示，實現對用戶的及時反饋。

4.2.2 虛擬3D打印機與現實3D打印機的交互

基于網絡通信、輸入輸出等系統，以及多線程編程，實現虛擬和現實打印機之間的交互。例如：通過虛擬打印機向現實打印機發送指令，實現用戶對現實打印機的控制；通過現實打印機向虛擬打印機反饋數據，確保孿生體與現實打印機同步[9]。

通過該交互系統，可以實現用戶-孿生體-現實打印機之間的控制與反饋。

4.3 系統搭建流程

利用3D建模技術生成數字模型，導入Unity引擎進行修飾以優化觀察效果。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性。采用HTTP和TCP雙重通信協議與上位機樹莓派、下位機MSK主板和Java數據庫建立通信，保障系統的實時性和穩定性。最后，以Unity為主平臺創建交互界面，修正無誤后打包成網頁及應用，完成系統的構建。

5 3D打印機后臺數據的存儲與分析

本文選擇Go語言作為后端、Vue框架作為前端，以及MySQL作為數據庫，成功搭建了一個功能強大的打印機數據分析系統。該系統在Go語言后端定義一個名為Data的結構體，包含打印時間、高度、速度、溫度等關鍵信息，全面記錄打印過程的各項參數。通過后端實現的打印信息分析算法，實時判斷參數數值范圍和關聯關系，準確識別打印錯誤，如噴頭溫度過高或位置偏移等，為打印過程提供了有效的監控和管理手段。

6 結 語

本文的數字工廠網絡控制系統以樹莓派為控制端，結合增量式PID算法，實現對步進電機的閉環控制，從而提高打印效率和質量。同時，通過Unity的虛擬仿真系統，實現對實體打印機行為的精確模擬和監控。在當今加工制造業中，對于高精度、高效率和多樣性的需求日益凸顯[10]。盡管3D打印相對于傳統加工方式具有諸多優勢，但仍需不斷推動其發展，以應對不斷增長的制造挑戰和市場需求。這種技術創新不僅為提高打印機性能和可靠性提供新的思路，也為3D打印技術在制造業的應用探索了新的可能性。

參考文獻

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