CN104139527A - 三维打印机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维打印机，包括打印头、成型座、移动电机组件和耗材供给电机，打印头用于挤出成像材料，成型座用于承载成像材料，移动电机组件用于移动打印头，耗材供给电机用于驱动成像材料输送到打印头中，其中，三维打印机还包括速度调整单元、控制单元和驱动单元组件，控制单元接收速度调整单元输出的速度比率信号，控制单元根据速度比率信号和基准速度信号向驱动单元组件输出控制信号，驱动单元组件用于向移动电机组件和耗材供给电机输出驱动信号。通过调节速度调整单元，使得移动电机组件和耗材供给电机以相对较快的转动速度，带动打印头以较快的速度进行移动，同时供给耗材的速度也同步地提速，继而能够提高成像速度，提高成像效率。

Description

三维打印机

技术领域

本发明涉及三维成像领域，尤其涉及一种三维打印机。

背景技术

3D打印机又称三维打印机，是一种利用快速成型技术的机器，以数字模型文件为基础，采用成型材料，通过逐层打印的方式来构造三维的实体。在打印前，需要利用计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导3D打印机逐层打印。3D打印机在产品制造业获得了广泛的应用，3D打印机的工作原理和传统打印机基本相同，由控制组件、机械组件、打印头、耗材（即成型材料）和介质等组成，打印原理也基本类似。

现阶段，3D打印技术快速发展并已逐渐进入各个领域，一台3D打印机可以采用多种材料进行打印，例如，使用ABS材料的3D打印机，还可使用一些与ABS相近的材料如PLA等材料进行打印。而且，3D打印机进行打印时可采用多种颜色的材料直接打印出彩色的三维实体。在3D打印过程中，如遇上需要打印特殊的结构时，则需要首先打印用于辅助支撑的结构，并在辅助支撑的结构上对该特殊的结构进行成像，然而打印这种用于辅助支撑的结构是相当耗费时间，严重地影响打印效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种成像效率高的三维打印机。

为了实现本发明的主要目的，本发明提供一种三维打印机，包括打印头、成型座、移动电机组件和耗材供给电机，打印头用于挤出成像材料，成型座用于承载成像材料，移动电机组件用于移动打印头，耗材供给电机用于驱动成像材料输送到打印头中，其中，三维打印机还包括速度调整单元、控制单元和驱动单元组件，控制单元接收速度调整单元输出的速度比率信号，控制单元根据速度比率信号和基准速度信号向驱动单元组件输出控制信号，驱动单元组件用于向移动电机组件和耗材供给电机输出驱动信号。

由上述方案可见，用户通过对速度调整单元进行调节，使得速度调整单元向控制单元输出不同的速度比率信号，控制单元根据基准速度信号和不同的速度比率信号对输出的控制信号进行调整，即控制单元可根据速度比率信号输出具有不同快慢频率的控制信号到驱动单元组件中，再由驱动单元组件对不同快慢频率的控制信号进行放大处理后，输出到移动电机组件和耗材供给电机，继而实现对移动电机组件和耗材供给电机的转动速率的调节。由于辅助支撑的结构在成像完毕后需要去除，所以辅助支撑的结构可以不需要太高的成像精度，三维打印机在对辅助支撑的结构进行成像时，可以通过调节速度调整单元，使得移动电机组件和耗材供给电机以相对较快的转动速度，带动打印头以较快的速度进行移动，同时耗材供给电机使得供给耗材的速度也同步地提速，继而能够提高成像速度，提高成像效率。

更进一步的方案是，移动电机组件包括X轴移动电机，X轴移动电机用于驱动打印头在X轴方向上的移动；

驱动单元组件包括X轴驱动单元，X轴驱动单元用于接收控制信号并向X轴移动电机输出驱动信号。

更进一步的方案是，移动电机组件包括Y轴移动电机，Y轴移动电机用于驱动打印头在Y轴方向上的移动；

驱动单元组件包括Y轴驱动单元，Y轴驱动单元用于接收控制信号并向Y轴移动电机输出驱动信号。

更进一步的方案是，移动电机组件包括Z轴移动电机，Z轴移动电机用于驱动打印头或成型座在Z轴方向上的移动；

驱动单元组件包括Z轴驱动单元，Z轴驱动单元用于接收控制信号并向Z轴移动电机输出驱动信号。

更进一步的方案是，驱动单元组件包括耗材供给驱动单元，耗材供给驱动单元用于接收控制信号并向耗材供给电机输出驱动信号。

由上可见，通过X轴移动电机和Y轴移动电机对打印头进行水平面上的移动，再通过Z轴移动电机对打印头或成型座进行竖直方向上的移动，并通过驱动单元分别地对移动电机进行驱动，使得X、Y、Z轴的移动电机能够同步地进行提速的同时，打印头内的成像耗材供给速度以及挤出速度也能够同步提升，通过X、Y、Z轴的移动电机和耗材供给电机的同步提升或降低速度，使得提升成像速度的同时也保证其成像精度。

更进一步的方案是，耗材供给电机为步进电机，X轴移动电机、Y轴移动电机和Z轴移动电机为步进电机。

由上可见，由于步进电机主要由脉冲进行控制驱动，所以通过步进电机能够简易地通过调节脉冲频率便可实现转动速度的调节，以及步进电机具有精确的转动精度，以保证三维成像的精度。

更进一步的方案是，控制单元为步进电机控制电路。

由上可见，步进电机除了可以通过在处理器、单片机等器件上的软件程序实现对步进电机的控制和调速外，还可以采用步进电机控制电路等数模电路进行控制和调速，步进电机控制电路同样可根据实际需求对脉冲频率进行调节。

更进一步的方案是，耗材供给电机为伺服电机，X轴移动电机、Y轴移动电机和Z轴移动电机为伺服电机。

更进一步的方案是，控制单元为伺服控制器。

由上可见，相比于步进电机，伺服电机具有更加精确的转动精度，以保证三维成像的精度。由于伺服电机具有多种控制方式，所以可通过调节脉冲频率或者输入电压幅值便可实现转动速度的调节，以及伺服电机除了通过软件程序实现控制外，还可以采用伺服控制器进行控制和调速。

更进一步的方案是，速度调整单元为旋钮。

由上可见，用户通过旋钮可方便地对输出的速度比率信号进行调节，该旋钮既可以为电位器、触发器，也可以是计算机程序上的功能按钮。

附图说明

图1是本发明三维打印机实施例的结构图。

图2是本发明三维打印机实施例中的打印头的示意图。

图3是本发明三维打印机实施例的系统框图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参照图1，图1是三维打印机1的结构图。三维打印机1包括壳体11，壳体11围成用于三维成像的空腔，在该空腔内安装有X轴移动电机21、Y轴移动电机22和Z轴移动电机23，Z轴移动电机23安装在空腔的底部，在Z轴移动电机23上连接有螺杆231，在空腔的底壁还安装有导杆233，在导杆233上安装有Z轴移动支架，在该Z轴移动支架上设置有成型座232，由于Z轴移动支架与螺杆231螺纹啮合，所以当Z轴移动电机23工作时，将带动螺杆231旋转，继而使得成型座232在Z轴移动电机23的驱动下在Z轴方向上移动。

Y轴移动电机22安装在空腔的侧壁上，在侧壁上固定设置有导杆211，在导杆211上设置有Y轴移动支架222，Y轴移动电机22通过一皮带与Y轴移动支架222连接，当Y轴移动电机22转动时，将通过皮带带动Y轴移动支架222沿着导杆221滑动，即Y轴移动支架222在Y轴移动电机22的驱动下在Y轴方向上移动。

在Y轴移动支架222上安装有X轴移动电机21和两根导杆211，两根导杆211分别设置在X轴移动电机21的两侧，在两根导杆211上设置有打印头3，在打印头的上端设置有进料端，该进料端用于接收成像丝料32，在打印头3的下端设置有出料口31，该出料口31用于在成型座232上挤出成像材料。X轴移动电机21通过皮带与打印头3连接，当X轴移动电机21转动时，将通过皮带带动打印头3沿着导杆211滑动，即打印头3在X轴移动电机21的驱动下在X轴方向上移动。

参照图2并结合图1，图2是打印头3的原理示意图。在打印头3上安装有耗材供给驱动电机33、驱动轮331和从动轮332，驱动轮331与耗材供给驱动电机33连接，驱动轮331和从动轮332设置在成像丝料32的两侧，驱动轮331和从动轮332与成像丝料32呈紧密接触。当耗材供给驱动电机33转动时，将带到驱动轮331逆时针转动，并且通过驱动轮331的转动带动成像丝料32往出料端31移动。在驱动轮331和出料端31之间设置有加热腔34，加热腔34将从进料端进入的成像丝料32加热熔融后，再从出料端31喷出。优选地，上述的X轴移动电机21、Y轴移动电机22、Z轴移动电机23和耗材供给电机33均为步进电机。

参照图3并结合图1，图3是三维打印机1的系统框图。三维打印机1包括速度调整单元51、控制单元52和驱动单元组件4，驱动单元组件4包括X轴驱动单元41、Y轴驱动单元42、Z轴驱动单元43和耗材供给驱动单元44，X轴移动电机21、Y轴移动电机22、Z轴移动电机23组成了本实施例的移动电机组件。

速度调整单元51向控制单元52输出速度比率信号，该速度比率信号为包含有使电机进行一倍速转动、使电机进行二倍速转动、使电机进行三倍速转动、使电机进行四倍速转动、使电机进行五倍速转动等比率信息的信号。控制单元52接受到该具有该比率信息的速度比率信号后，控制单元52根据基准速度信号结合速度比率信号计算得出向驱动单元组件4输出的控制信号。

具体地，基准速度信号为用户在三维打印机成像打印前初始设置的成像速度，该成像速度具体包括了X轴移动电机21的转动速度、Y轴移动电机22的转动速度、Z轴移动电机23的转动速度以及耗材供给电机33将成像丝料32输送到加热腔34的速度。由于X轴移动电机21、Y轴移动电机22、Z轴移动电机23和耗材供给电机33均为步进电机，而步进电机是基于脉冲信号的控制实现转动的速度的控制，所以基准速度信号为具有基准频率的脉冲信号。通过输出具有基准频率的脉冲信号可使X轴移动电机21、Y轴移动电机22、Z轴移动电机23和耗材供给电机33以基准速度进行转动，即三维打印机1的以基准成像速度进行成像。

通过控制速度调整单元51向控制单元52输出具有不同倍速的速度比率信号，使得控制单元52将脉冲信号的基准频率根据速度比率信号的相应倍速，计算得出具有相应倍数的基准频率，如二倍的基准频率、三倍的基准频率等。由于二倍的基准频率、三倍的基准频率等相比于基准频率在单位时间频率更高且具有更多的脉冲信号，从而使得X轴移动电机21、Y轴移动电机22、Z轴移动电机23和耗材供给电机33在单位时间内转动的更快。优选地，控制单元52可以采用触发器和多谐振荡器等组成的数模控制电路，在通过相对应的电位器便可实现对控制信号的频率进行调节，具体可参照《北京工业大学电子课程设计报告 (数电部分)》，题目为步进电机的章节。控制单元52还可以通过单片机或处理器组成的控制电路，通过在单片机或处理器中写入相关的程序代码便可实现控制信号的频率进行调节，具体可参照由北京航空航天大学出版社出版的，由王晓明编撰的《电动机的单片机控制》。

速度调整单元51既可为电位器，通过设置在壳体11上的旋钮13(见图1)作为电位器的控制装置，使得通过旋转旋钮便可调节电阻值，通过不用的电阻值来表示使电机进行二倍速转动或使电机进行三倍速转动等不同的比率信息,继而控制电路根据不同电阻值输出对应的具有不同频率的脉冲信号。速度调整单元51也可为触发器，通过在壳体11上的旋钮13(见图1)作为触发器的控制装置，使得单片机或处理器识别触发器输出的对应使电机进行二倍速转动或使电机进行三倍速转动等不同的比率信息的信号，然后单片机或处理器对应地输出具有不同频率的脉冲信号。而在壳体11上设置有显示屏12用于显示三维打印机当前打印状况。速度调整单元51也可为程序上的功能按键，通过控制单元识别也可实现输出具有不同频率的脉冲信号。

X轴驱动单元41、Y轴驱动单元42、Z轴驱动单元43和耗材供给驱动单元44为步进电机驱动电路，而步进电机驱动电路可采用市面常见的驱动电路，也可以采用授权公告号为CN101021716B的“步进电机驱动电路和模拟电子时钟”发明专利中所公开的步进电机驱动电路，步进电机驱动电路也可以采用授权公告号为CN100380801C的“一种步进电机驱动电路”发明专利所公开的步进电机驱动电路。X轴驱动单元41、Y轴驱动单元42、Z轴驱动单元43和耗材供给驱动单元44分别接收由控制单元52输出的控制信号，步进电机驱动电路通过对控制信号进行功率放大处理后，将作为驱动信号的脉冲输出到对应的电机中，即X轴驱动单元41对应地驱动X轴移动电机21转动，Y轴驱动单元42对应地驱动Y轴移动电机22转动，Z轴驱动单元43对应地驱动Z轴移动电机23转动，耗材供给驱动单元44对应地驱动耗材供给电机33转动。

由于步进电机驱动电路均接受的是相比于基准频率在单位时间频率更高且具有更多的脉冲信号，所以X轴移动电机21、Y轴移动电机22、Z轴移动电机23和耗材供给电机33能够同步地更快地进行转动，继而打印头3和成型座232能够更快地移动，同时耗材供给电机33带动成像丝料32更快地输入到加热腔34内，继而使得打印头3的具有更快的挤出速度。

由上可见，由于辅助支撑的结构可以不需要太高的成像精度，三维打印机在对辅助支撑的结构进行成像时，可以通过调节速度调整单元，使得移动电机组件和耗材供给电机以相对较快的转动速度，带动打印头以较快的速度进行移动，同时耗材供给电机使得供给耗材的速度也同步地提速，继而能够提高成像速度，提高成像效率。

上述是本发明较佳的实施例，实际应用时还可以将步进电机替换成伺服电机，并将控制单元采用伺服控制器即可。具体地，由于伺服电机可以通过位置、速度和力矩这三种控制方式进行控制，如需要进行对位置进行精确控制时，则可采用脉冲驱动方式，即通过伺服控制器输出具有更高频率的脉冲信号，通过作为驱动信号的脉冲便可实现伺服电机的转速提升。如需要进行对伺服电机的速度或力矩进行精确控制时，则可采用交流电驱动方式，即速度调整单元输出使伺服电机进行二倍速转动或使伺服电机进行三倍速转动等比率信息的信号，伺服控制器接收到该比率信息的信号后，伺服控制器输出具有更高电压幅值的交流电，通过作为驱动信号的交流电同样是可实现伺服电机的转速提升。实际上是通过改变伺服电机的有效输出电压来改变伺服电机的转速，同样是可实现本发明的目的。同时速度调整单元和控制单元既可采用软件方式实现对电机进行控制，也可以采用数模电路对电机进行控制。

Claims (10)

1. 三维打印机，包括

打印头，所述打印头用于挤出成像材料;

成型座，所述成型座用于承载所述成像材料；

移动电机组件，所述移动电机组件用于移动所述打印头;

耗材供给电机，所述耗材供给电机用于驱动所述成像材料输送到所述打印头中；

其特征在于： 

所述三维打印机还包括速度调整单元、控制单元和驱动单元组件；

所述控制单元接收所述速度调整单元输出的速度比率信号，所述控制单元根据所述速度比率信号和基准速度信号向所述驱动单元组件输出控制信号，所述驱动单元组件用于向所述移动电机组件和耗材供给电机输出驱动信号。

2. 根据权利要求1所述的三维打印机，其特征在于：

所述移动电机组件包括X轴移动电机，所述X轴移动电机用于驱动所述打印头在X轴方向上的移动；

所述驱动单元组件包括X轴驱动单元，所述X轴驱动单元用于接收所述控制信号并向所述X轴移动电机输出驱动信号。

3. 根据权利要求2所述的三维打印机，其特征在于：

所述移动电机组件包括Y轴移动电机，所述Y轴移动电机用于驱动所述打印头在Y轴方向上的移动；

所述驱动单元组件包括Y轴驱动单元，所述Y轴驱动单元用于接收所述控制信号并向所述Y轴移动电机输出驱动信号。

4. 根据权利要求3所述的三维打印机，其特征在于：

所述移动电机组件包括Z轴移动电机，所述Z轴移动电机用于驱动所述打印头或所述成型座在Z轴方向上的移动；

所述驱动单元组件包括Z轴驱动单元，所述Z轴驱动单元用于接收所述控制信号并向所述Z轴移动电机输出驱动信号。

5. 根据权利要求4所述的三维打印机，其特征在于：

所述驱动单元组件包括耗材供给驱动单元，所述耗材供给驱动单元用于接收所述控制信号并向所述耗材供给电机输出驱动信号。

6. 根据权利要求5所述的三维打印机，其特征在于：

所述耗材供给电机为步进电机；

所述X轴移动电机、Y轴移动电机和Z轴移动电机为步进电机。

7. 根据权利要求6所述的三维打印机，其特征在于：

所述控制单元为步进电机控制电路。

8. 根据权利要求5所述的三维打印机，其特征在于：

所述耗材供给电机为伺服电机；

所述X轴移动电机、Y轴移动电机和Z轴移动电机为伺服电机。

9. 根据权利要求8所述的三维打印机，其特征在于：

所述控制单元为伺服控制器。

10. 根据权利要求1至9任一项所述的三维打印机，其特征在于：

所述速度调整单元为旋钮。