数字孪生驱动的基于树莓派的3D打印机闭环控制系统研究

摘要：本文提出一种融合数字孪生技术与增量式PID闭环控制的智能3D打印系统。通过构建虚实同步的数字孪生模型，结合Unity3D实现高精度虚拟仿真，实时映射实体打印机的运动轨迹与状态参数；采用树莓派作为核心控制器，集成MKS SERVO42C闭环驱动板与增量式PID算法，显著优化了打印效率与质量。

关键词：Unity3D;数字孪生; PID闭环控制;3D打印系统

0 引 言

为此，本文提出了一种基于树莓派的数字工厂网络控制系统，旨在通过数字孪生技术实时监控和模拟3D打印过程，从而突破空间限制，提高打印效率和质量。[4][7]

1 数字孪生3D打印机总体设计

本3D打印机基于Klipper开源系统，采用MKS Monster8 V2.0作为主控板，并引入MKS SERVO42C步进电机闭环驱动板，以实现闭环控制，防止丢步导致打印失败。系统架构上，树莓派4B运行Fluidd系统，集成树莓派操作系统和Web端Klipper控制，实现远程管理打印任务并实时监测打印机状态。[9]

为了更好地模拟实际打印机行为，本项目基于Unity3D开发3D打印机孪生体，能够精确还原喷头位置、移动速度、挤出量、喷头温度、热床温度及当前打印文件状态等关键参数。孪生体通过HTTP协议与树莓派通信，实现与实体打印机的实时状态同步。Unity端采用C#开发，C#在仿真领域具备良好的开发体验和高效的调试工具，使得虚拟打印机不仅在精度上高度拟合实体设备，同时提供友好的用户交互界面。[5]

2 结语

本研究基于数字孪生技术，构建了一套智能3D打印监测与控制系统，实现了虚拟孪生体与实体打印机的同步、实时监测与远程控制。通过增量式PID控制、G代码解析、数据分析等技术，提高了3D打印的精度、稳定性和智能化水平。

注：本文通讯作者为项阳。

参 考 文 献

[1] 张健.基于FDM的桌面级3D打印机控制系统研究与实现[D].江苏科技大学，2019-10-23

[2] 刘鲁刚， 王琨， 郭海东.3D打印机的设计与制作[M].null，2023-08-08

[3] 白钰慧.3D打印机的机械结构设计[J].电子技术，2023-05-20

[4] 刘永刚， 姚立权.基于数字孪生的虚拟仿真技术远程教学实训的应用研究——以智能制造技术专业为例[J].湖北开放职业学院学报，2023-09-28

[5] 刘大维， 张国泉， 李泽山等.基于Unity3D的《工程制图》虚拟仿真实验平台设计及应用[J].机电工程技术，2022-09-20

[6] 谭人铭， 张仁杰， 江涛.基于STM32的步进电机位置闭环控制系统设计[J].黑龙江工业学院学报（综合版），2023-01-20

[7] 卢建华， 龙超平.基于树莓派的嵌入式课程教学探索[J].教育教学论坛，2019-04-10

[8] 林瑞.基于物联网技术的工业现场监控平台的研究与设计[D].长江大学，2021-04-01

[9] 王祎晨. 增量式PID和位置式PID算法的整定比较与研究[J]. 工业控制计算机， 2018， 31 （05）： 123-124.

[10] 靳涛， 马杰， 杨立闯. 基于WiFi的3D打印机远程控制系统设计[J]. 传感器与微系统， 2018， 37 （11）： 103-106.