基于3D打印參數(shù)信息的可視化軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

陳瑞濤++程璟星++宮劍

摘 要3D打印技術(shù)是近年來備受關(guān)注的一項新型技術(shù)，3D打印信息可視化軟件是一款專門針對3D激光打印機(jī)打印過程參數(shù)可視化顯示的客戶端軟件。通過采用RS232通訊協(xié)議，設(shè)置合適的串口通訊參數(shù)，將3D打印過程中的參數(shù)實(shí)時可視化顯示在界面。在實(shí)時顯示過程中，用戶可以調(diào)整接收信息的顯示方式，同時在文本文檔中記錄了參數(shù)信息，方便用戶停止測試后讀取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

【關(guān)鍵詞】3D打印 可視化 軟件設(shè)計

1 應(yīng)用背景

三維打印技術(shù)作為一種快速成型的技術(shù)，它是通過建立一個數(shù)字模型文件作為基礎(chǔ)，運(yùn)用可粘合性材料如粉末狀金屬、塑料等，逐層打印，最終實(shí)現(xiàn)物體的三維構(gòu)造。市面上的產(chǎn)品大多是三軸的，是基于平面上的累積打印?；诜钦归_曲面表面3D打印是一種五軸聯(lián)動打印技術(shù)，一種基于立體空間上可以直接在曲面上打印圖形的技術(shù)。其工作原理是利用五軸聯(lián)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動移動被打印曲面，使打印噴頭方向始終垂直與打印面，在曲面表面按需求噴射表面墨水，同時用激光固化表面墨水，最后形成所需圖形。主要包括控制噴墨位置的五軸聯(lián)動模塊、用于噴墨的噴墨打印模塊、激光固化。

在3D打印裝置打印過程中，噴頭壓力、噴射頻率、激光功率等參數(shù)對打印質(zhì)量有著重要的影響，這些參數(shù)在不同的打印階段都會不同。需要對其進(jìn)行跟蹤測試，為后續(xù)3D打印裝置的調(diào)整和進(jìn)一步開發(fā)提供數(shù)據(jù)積累。本設(shè)計為一款3D打印參數(shù)信息的可視化軟件，可以清楚的跟蹤到當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行情況，保證打印質(zhì)量，為設(shè)備的進(jìn)一步開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

2 開發(fā)平臺和編程語言

2.1 基于.NET開發(fā)框架C#語言

Visual Studio .NET框架作為一種新的計算開發(fā)平臺，有效的降低了應(yīng)用程序在Internet環(huán)境中的設(shè)計開發(fā)的難度。

.NET框架包含有公共語言運(yùn)行庫以及框架類庫組件。其中作為.NET框架的基礎(chǔ)的公共語言運(yùn)行庫，好比是一個在執(zhí)行過程中管理程序代碼的代理，不僅可以用于提供核心服務(wù)，也可以強(qiáng)制性的實(shí)施嚴(yán)格的類型安全并且確保安全性。因此，這種代碼管理的概念是運(yùn)行庫的基本原則，根據(jù)是否將運(yùn)行庫作為目標(biāo)可以把代碼區(qū)分為托管代碼和非托管代碼。類庫是.NET框架的又一個重要組件部分，是一個面向?qū)ο蟮念愋图希夷軌蛑赜?，開發(fā)人員通過它開發(fā)的應(yīng)用程序可以是基于傳統(tǒng)的命令行的，也可以是基于圖形用戶界面的應(yīng)用程序，甚至是基于ASP.NET所提供的最新創(chuàng)新的應(yīng)用程序。開發(fā)人員能夠使用非托管組件來承載.NET框架，并且將公共語言運(yùn)行庫加載到這些組件的進(jìn)程中，同時開啟托管代碼執(zhí)行，創(chuàng)建出一個擁有托管和非托管功能的軟件環(huán)境。

C#編程語言是可以直接在.NET Framework上運(yùn)行的、面向?qū)ο?、由微軟公司發(fā)布的一種高級程序設(shè)計語言。它具有單一繼承、接口的特點(diǎn)，是與COM無縫集成的，它是ECMA與ISO標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，是構(gòu)成.NET Windows網(wǎng)絡(luò)框架的絕對主力。C#的功能強(qiáng)大，可以跨平臺操作，C#語言簡單快捷，因此我們選擇C#語言作為目標(biāo)軟件的設(shè)計語言。

2.2 RS-232串口通信

RS-232標(biāo)準(zhǔn)是由美國公司EIA、BELL等合作開發(fā)的一種通信協(xié)議，它于1969年公布。這個標(biāo)準(zhǔn)主要用于傳輸速率在20Kb/s以下的數(shù)據(jù)通信，對于諸如每根信號線的功能、相關(guān)設(shè)備的電氣特性等有關(guān)串行通信的接口問題都作了明確的規(guī)定。RS-232作為一種通用標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于各種微機(jī)的通信中，各個通信廠家都生產(chǎn)與能夠其兼容的通信設(shè)備。

RS-232總線設(shè)置了包括一個主通道以及一個輔助通道在內(nèi)的共25條信號線，且并不全部使用，在大部分的信號通訊中都使用主通道信號線，例如只需要一條發(fā)送信號線、一條接收信號線和一條地線3條信號線就可滿足一般的雙工通信的需求。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了多種數(shù)據(jù)傳輸速率，常用的波特率有4800、9600、19200等。由于RS-232通訊是由單端信號傳送實(shí)現(xiàn)的，受到共地噪聲的干擾，對于共模干擾沒有很好的抑制辦法，因此RS-232的信號傳輸?shù)木嚯x短，其通訊距離一般不超過20m。

RS-232通信的接線原則是：將接收數(shù)據(jù)的針腳和發(fā)送數(shù)據(jù)的針腳彼此交叉連接，信號的地線對應(yīng)相連。

3 軟件設(shè)計以及實(shí)現(xiàn)功能

3.1 軟件功能設(shè)計思路

3D打印參數(shù)信息的可視化軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能包括串口參數(shù)設(shè)計以及對壓力、噴射頻率、激光功率的實(shí)時數(shù)據(jù)采集，輸出目標(biāo)參數(shù)，實(shí)時顯示壓力、噴射頻率、激光功率，并輸出目標(biāo)波形。這就要求軌跡跟蹤軟件的界面應(yīng)該具有實(shí)時數(shù)據(jù)顯示窗口和參數(shù)變化圖形顯示窗口，并實(shí)時輸出壓力、噴射頻率、激光功率波形圖像。這些參數(shù)是硬件設(shè)備在工作過程中，通過串口發(fā)送給用戶的，因此，軟件功能設(shè)計的流程如表1所示。

3.2 軟件界面以及功能展示

按照上述提出的設(shè)計要求，實(shí)時數(shù)據(jù)顯示窗口和參數(shù)變化圖形顯示窗口是軟件界面的主要部分。其中，實(shí)時數(shù)據(jù)顯示窗口是3D打印設(shè)備操作中及時顯示壓力、噴射頻率、激光功率的實(shí)時數(shù)據(jù)，參數(shù)變化圖形顯示窗口輸出壓力、噴射頻率、激光功率的變化曲線，直觀，占據(jù)窗口較大的面積。參數(shù)設(shè)置區(qū)域主要包括串口名設(shè)置和波特率的設(shè)置，以確保3D打印設(shè)備間的實(shí)時正常通信。設(shè)計界面如圖1所示。

通過拖動輸出壓力、噴射頻率、激光功率波形圖上的滾動條可以查看測試數(shù)據(jù)的參數(shù)歷史信息。也可以通過點(diǎn)擊圖2所圈的顯示按鈕來查看參數(shù)歷史信息，得到的輸出壓力、噴射頻率、激光功率的數(shù)據(jù)波形圖，如圖3所示。

并且在打開串口通訊之后，實(shí)時測到的數(shù)據(jù)會記錄保留在“D：＼打印記錄.txt”文件中，如圖4所示。

4 結(jié)論

本文對3D打印參數(shù)信息可視化軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了展示。通過RS-232串口通訊協(xié)議，將3D打印機(jī)參數(shù)信息發(fā)送給客戶端，上位機(jī)對接收信息進(jìn)行處理后，將3D打印參數(shù)（包括采樣壓力、噴射頻率、激光功率），實(shí)時可視化展示在用戶界面。用戶根據(jù)波形圖的變化可以決定在后續(xù)打印過程中，參數(shù)應(yīng)該如何調(diào)整。

軟件主要有以下兩個優(yōu)點(diǎn)：

（1）專門針對3D打印信息可視化展示而所設(shè)計，因此針對性強(qiáng)。通訊采用RS-232協(xié)議，短距離調(diào)試下，誤碼率低。

（2）可以實(shí)時觀測參數(shù)動態(tài)變化，為及時調(diào)整參數(shù)提供先驗信息。

在今后的研究中，可以將軟件的功能更加趨于完善，通過客戶端軟件，來控制3D打印機(jī)工作。這樣可以使用戶通過軟件操作設(shè)備工作，簡化工作方式，效率提高。

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作者簡介

陳瑞濤（1988-），男，山西省清徐縣人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所工程師。主要研究方向為軟件控制及計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。

作者單位

中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所 山西省太原市 030032