基于3D打印参数信息的可视化软件设计与实现

陈瑞涛++程璟星++宫剑

摘 要3D打印技术是近年来备受关注的一项新型技术，3D打印信息可视化软件是一款专门针对3D激光打印机打印过程参数可视化显示的客户端软件。通过采用RS232通讯协议，设置合适的串口通讯参数，将3D打印过程中的参数实时可视化显示在界面。在实时显示过程中，用户可以调整接收信息的显示方式，同时在文本文档中记录了参数信息，方便用户停止测试后读取相关数据信息。

【关键词】3D打印 可视化 软件设计

1 应用背景

三维打印技术作为一种快速成型的技术，它是通过建立一个数字模型文件作为基础，运用可粘合性材料如粉末状金属、塑料等，逐层打印，最终实现物体的三维构造。市面上的产品大多是三轴的，是基于平面上的累积打印。基于非展开曲面表面3D打印是一种五轴联动打印技术，一种基于立体空间上可以直接在曲面上打印图形的技术。其工作原理是利用五轴联动机构运动移动被打印曲面，使打印喷头方向始终垂直与打印面，在曲面表面按需求喷射表面墨水，同时用激光固化表面墨水，最后形成所需图形。主要包括控制喷墨位置的五轴联动模块、用于喷墨的喷墨打印模块、激光固化。

在3D打印装置打印过程中，喷头压力、喷射频率、激光功率等参数对打印质量有着重要的影响，这些参数在不同的打印阶段都会不同。需要对其进行跟踪测试，为后续3D打印装置的调整和进一步开发提供数据积累。本设计为一款3D打印参数信息的可视化软件，可以清楚的跟踪到当前设备的运行情况，保证打印质量，为设备的进一步开发提供数据支持。

2 开发平台和编程语言

2.1 基于.NET开发框架C#语言

Visual Studio .NET框架作为一种新的计算开发平台，有效的降低了应用程序在Internet环境中的设计开发的难度。

.NET框架包含有公共语言运行库以及框架类库组件。其中作为.NET框架的基础的公共语言运行库，好比是一个在执行过程中管理程序代码的代理，不仅可以用于提供核心服务，也可以强制性的实施严格的类型安全并且确保安全性。因此，这种代码管理的概念是运行库的基本原则，根据是否将运行库作为目标可以把代码区分为托管代码和非托管代码。类库是.NET框架的又一个重要组件部分，是一个面向对象的类型集合，且能够重用，开发人员通过它开发的应用程序可以是基于传统的命令行的，也可以是基于图形用户界面的应用程序，甚至是基于ASP.NET所提供的最新創新的应用程序。开发人员能够使用非托管组件来承载.NET框架，并且将公共语言运行库加载到这些组件的进程中，同时开启托管代码执行，创建出一个拥有托管和非托管功能的软件环境。

C#编程语言是可以直接在.NET Framework上运行的、面向对象、由微软公司发布的一种高级程序设计语言。它具有单一继承、接口的特点，是与COM无缝集成的，它是ECMA与ISO标准的规范，是构成.NET Windows网络框架的绝对主力。C#的功能强大，可以跨平台操作，C#语言简单快捷，因此我们选择C#语言作为目标软件的设计语言。

2.2 RS-232串口通信

RS-232标准是由美国公司EIA、BELL等合作开发的一种通信协议，它于1969年公布。这个标准主要用于传输速率在20Kb/s以下的数据通信，对于诸如每根信号线的功能、相关设备的电气特性等有关串行通信的接口问题都作了明确的规定。RS-232作为一种通用标准广泛应用于各种微机的通信中，各个通信厂家都生产与能够其兼容的通信设备。

RS-232总线设置了包括一个主通道以及一个辅助通道在内的共25条信号线，且并不全部使用，在大部分的信号通讯中都使用主通道信号线，例如只需要一条发送信号线、一条接收信号线和一条地线3条信号线就可满足一般的双工通信的需求。RS-232-C标准设置了多种数据传输速率，常用的波特率有4800、9600、19200等。由于RS-232通讯是由单端信号传送实现的，受到共地噪声的干扰，对于共模干扰没有很好的抑制办法，因此RS-232的信号传输的距离短，其通讯距离一般不超过20m。

RS-232通信的接线原则是：将接收数据的针脚和发送数据的针脚彼此交叉连接，信号的地线对应相连。

3 软件设计以及实现功能

3.1 软件功能设计思路

3D打印参数信息的可视化软件应实现的功能包括串口参数设计以及对压力、喷射频率、激光功率的实时数据采集，输出目标参数，实时显示压力、喷射频率、激光功率，并输出目标波形。这就要求轨迹跟踪软件的界面应该具有实时数据显示窗口和参数变化图形显示窗口，并实时输出压力、喷射频率、激光功率波形图像。这些参数是硬件设备在工作过程中，通过串口发送给用户的，因此，软件功能设计的流程如表1所示。

3.2 软件界面以及功能展示

按照上述提出的设计要求，实时数据显示窗口和参数变化图形显示窗口是软件界面的主要部分。其中，实时数据显示窗口是3D打印设备操作中及时显示压力、喷射频率、激光功率的实时数据，参数变化图形显示窗口输出压力、喷射频率、激光功率的变化曲线，直观，占据窗口较大的面积。参数设置区域主要包括串口名设置和波特率的设置，以确保3D打印设备间的实时正常通信。设计界面如图1所示。

通过拖动输出压力、喷射频率、激光功率波形图上的滚动条可以查看测试数据的参数历史信息。也可以通过点击图2所圈的显示按钮来查看参数历史信息，得到的输出压力、喷射频率、激光功率的数据波形图，如图3所示。

并且在打开串口通讯之后，实时测到的数据会记录保留在“D：＼打印记录.txt”文件中，如图4所示。

4 结论

本文对3D打印参数信息可视化软件设计与实现进行了展示。通过RS-232串口通讯协议，将3D打印机参数信息发送给客户端，上位机对接收信息进行处理后，将3D打印参数（包括采样压力、喷射频率、激光功率），实时可视化展示在用户界面。用户根据波形图的变化可以决定在后续打印过程中，参数应该如何调整。

软件主要有以下两个优点：

（1）专门针对3D打印信息可视化展示而所设计，因此针对性强。通讯采用RS-232协议，短距离调试下，误码率低。

（2）可以实时观测参数动态变化，为及时调整参数提供先验信息。

在今后的研究中，可以将软件的功能更加趋于完善，通过客户端软件，来控制3D打印机工作。这样可以使用户通过软件操作设备工作，简化工作方式，效率提高。

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作者简介

陈瑞涛（1988-），男，山西省清徐县人。硕士学位。现为中国电子科技集团公司第三十三研究所工程师。主要研究方向为软件控制及计算机技术应用。

作者单位

中国电子科技集团公司第三十三研究所 山西省太原市 030032