CN104369377A - 一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，包括马达驱动组件、加热器、喷头旋转轮、联动轮、挤压器、自由度喷口、下推轮、打印头基架、推进器、热融材料、左联动齿轮、右联动齿轮、散热器、传导管、温控仪、环状套体、继电器、左联动箱、右联动箱、打印控制器、左驱动齿轮、右驱动齿轮、热融罐、推轮同步带、上推轮、左联动同步轮、联动同步带、右联动同步轮、喷头同步带、套体同步带、副马达、转换齿轮；本发明的自由度喷头，既能有效均匀对热融材料进行热融，又能从根本上解决了三维彩色喷墨增材打印机自由度喷头在运行过程中由于摇摆不稳或马达驱动同步控制自由度喷头难的问题。

Description

一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头

技术领域

本发明涉及一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，属于三维打印机喷头领域。

背景技术

三维彩色喷墨增材打印机技术起源于美国，近年来在中国也非常火热，大小企业、研究院以及个人都在尝试着开发，但三维彩色喷墨增材打印机的核心部分，挤出机也就是打印头对耗材的加热部分，通常都选用加热棒插入铝块传热的方式，对耗材进行加热，用这种方式加热，往往会对耗材加热不均匀，靠近加热棒的一侧温度高，背靠加热棒的一侧温度低。近年来，随着数字技术在三维彩色喷墨增材打印机领域应用的不断深入，业界同仁的不懈努力，自由度喷头成功研制出来，虽然比国外同类产品晚了不少年头，但总算奋起直追而成果不断。自由度喷头在三维打印机应用上一般有三种形式，一是数码摇摆喷头，由一个步进电机进行控制业界也俗称为一维摇摆喷头，是指喷头在一个平面内做园周运动，具备一个自由度运动。二是纵横摇摆喷头，是在一维摇摆的基础上，增加纵横两个方向的运动控制。能够使一维喷头在竖平面内做纵向、横向两个方向的摇摆动作，业界俗称二维喷头，具有两个自由度方向运动。三是万向数码摇摆喷头，通常由两个步进电机控制，一个称为平台电机，为喷头提供水平面内可以正转、反转的旋转平台，在此平台上，另有一步进电机控制喷头在竖平面内的摇摆动作，因此，可以向任何一个方向打印，具备真正的动态万向摇摆功能。业界俗称三维摇摆喷头，叫法虽不甚准确，但也有三个自由度，运动方向不受限制的意义。这种喷头由平台电机和摇摆电机运动进行合成，共同决定了喷头的打印方向。因此，有喷头内平台电机和摇摆电机的运动同步问题，又存在喷头间的动作同步问题。所以，喷头的控制在所有自由度喷头中最具复杂性。

以三维喷头的运动控制为例，阐述三维喷头步进电机的同步控制问题，在自由度喷头的应用中，特别是三维数码摇摆喷头，由平台电机和摇摆电机进行运动合成，共同控制喷头的打印方向，因此，在同一三维喷头内，存在平台电机和摇摆电机的同步控制问题，而同一机型内，又存在着喷头间的同步控制问题。在实际过程中，不少用户反映自由度喷头的控制过程不同步而显得打印机程序太乱。喷头机械结构三维数码摇摆喷头的平台电机控制着喷头的旋转平台运动，其机械结构旋转平台一般由换向装置、减速机构、步进电机，主轴及主轴传感器组成。旋转平台能够在水平面内双向自由转动，换向装置为平台上面安装的摇摆机构提供电源、信号和通讯，减速机构通常由齿轮或蜗轮蜗杆机构，负责对电机的转速按比例减少。传感器指示平台旋转位置。对普通三维喷头而言，一般是接近传感器，在旋转平台转动过程中，指示平台起始位置。

三维自由度喷头的摇摆电机部分控制喷头的摆动，其机械结构类似于一维摇摆部分。一般由摇摆电机、减速机构、打印喷头、主轴及传感器组成。摇摆电机通常为步进电机，减速机构对摇摆电机的转速等比例减少，控制打印喷头左右摆动的快慢，传感器通常也是接近传感器，指示打印喷头的起始点。

三维摇摆喷头由旋转平台提供旋转运动，在此平台上，放置摇摆电机部分。摇摆电机部分随旋转平台一起转动，并提供打印喷头的左右摇摆功能。整个喷头的打印方向由平台和摇摆俩部分位置合成得到。从而实现打印喷头的万向摇摆功能。但同时也存在着平台电机和摇摆电机的同步控制问题。

一般来说，三维自由度喷头的机械机构工作原理如上所述。所用电机通常为2相或3相步进电机，所用传感器为接近传感器，指标平台或摇摆部分的初始位置。对三维喷头而言，要求位置控制的精度又很高。若喷头打印口位置错位，打印高度位置将相差大，所以，对打印位置具备很强的定位作用，这要求喷头打印口控制要很精确。而一般的位置传感器在运动一时只有一个定位点，没有到达传感器指示位置时，只能通过步进电机所走步数进行控制。这样，在同一位置附近往返运动时，因电机失步和机械减速机构的间隙误差累计，造成喷头运动误差积累，产生不同步。因此，喷头内产生电机不同步的根本原因在于传感器只有一个定位点，无法实时校正机械间隙误差、电机失步、电机步长误差等。因此，喷头内部电机不同步就谈不上喷头之间电机同步，因此，三维喷头在实际应用中只能是快速运动出现电机的不同步现象。

针对以上分析，找到问题产生的根本原因，对症下药才是解决其方案，通过更换俩个电机主轴传感器为角度传感器，旋转可以实现360个定位点，以够实时知道主轴转动位置，通过通讯手段，将主轴位置发送到三维喷头控制器，三维喷头控制器根据电机主轴的实时位置，根据误差和剩余角度自动计算到达目标的速度。

具体来说，两台电机均采用运行时间和到达目标位置作为唯一控制量进行控制。根据距离目标位置的角度和距离目标的时间，计算当前应该运行的速度，通过这样的剩余距离除以剩余时间实时校正运行速度，来保证达到目标的时间这个唯一量正确，实现两台电机的同步。

在实际实现过程中，这种实时校正剩余距离和剩余时间的方法对控制系统的实时性能要求很高，而不可能使用台式计算机系统直接进行控制，无论是Windows XP还是Vista，甚至包括目前的Win8，都是以事务处理为优先的操作系统，不是实时处理操作系统，因此，不可能使用计算机直接由上层软件控制，需要使用高性能单片机或DSP来实时处理数据，系统中称为同步控制器的装置，作为计算机的下位机使用，完成对三维自由度喷头的控制。这样，既解放了上位计算机的资源紧张问题，又满足了实时任务处理要求。而对上位计算机来说，主要任务是控制喷头的同步，将喷头内两电机的同步问题，交给下位机处理。下位机直接接收步进电机主轴位置实时信息，进行主轴运行速度校正。其喷头同步解决了同一喷头内的两台电机同步问题后，喷头之间的同步协调控制问题才有可能进行。系统中，由计算机控制所有同步控制器，统一进行动作协调。计算机将三维打印机的动作进行分解成两种三元式结构，到达位置、到达时间、到达状态。到达位置是指动作目标；到达时间是完成本次动作所需时间；到达状态是指电机到平台电机，当平台电机位置采集和摇摆电机位置采集计算机达目标位置时，是停止、刹车或继续运行的控制，这样的三元式有平台电机的和摇摆电机的两种。每一个三元式为喷头间同步时间点，上位机通过对喷头本次执行机型的任务进行分解，组成一同步三元式列表，采用网络方式，一次性分配给喷头的下位机同步控制器，然后，命令下位机同时启动，每台下位机自动按指令运行，并且在执行完一个三元式后，向上位机汇报执行结果。上位计算机可以根据同步要求，随时修改上位机同步控制器的三元式结构。这样，通过四个层面上的控制，计算机、同步控制器、步进电机驱动器直到三维打印机喷头，各个层面完成各自的功能要求，协调统一执行步骤，共同完成喷头内电机同步控制和喷头电机同步的控制。

经对以上控制方案，本公司成功研制成一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，由正副马达驱动组件、同步齿轮带系统、加热融器件及推进机构组成，成功地满足了用户360度三维打印的要求，达到了很好的应用效果。从理论到实际，很好地解决了三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头摇摆不稳或马达驱动同步控制难的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种既能有效均匀对热融材料进行热融，又能从根本上解决三维彩色喷墨增材打印机自由度喷头在运行过程中由于摇摆不稳或马达驱动同步控制自由度喷头难的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，由正副马达驱动组件、同步齿轮带系统、加热融器件及推进机构组成，包括马达驱动组件，马达驱动组件右侧依次齿合转换齿轮、左驱动齿轮，左联动齿轮以及通过左联动齿轮上设置的左联动同步轮的同步带与右联动齿轮上的右联动同步轮与上推轮连接，上推轮通过推轮同步带与下推轮连接后通过套体同步带与环状套体下端铰接的加热器上的喷头旋转轮连接，喷头旋转轮通过喷头同步带与挤压器上的联动轮连接后联动自由度喷口作左180度旋转打印。

本发明进一步的方案还在于：在副马达上设有右驱动轮，右驱动轮左侧齿合右联动齿轮，并通过联动齿轮上右联动同步轮的联动同步带与左联动轮上的左联动同步轮与上推轮连接，上推轮上的推轮同步带与下推轮连接后通过套体同步带与环状套件下端铰接的加热器上的喷头旋转轮连接，喷头旋转轮通过喷头同步带与挤压器上的联动轮连接后联动自由度喷口作右180度旋转打印。

上述的热融材料通过热融罐融解后输入传导管并由传导管经上推轮和下推轮的下端进入加热器加热后再由挤压器挤压后将热融材料提供给自由度喷口打印。传导管上端设有推进器，推进器下端连接温控仪，推进器左端连接左联动箱，推进器的右端连接右联动箱，右联动箱下装置有继电器；打印头基架的左上端设有马达驱动组件和左联动箱，打印头基架的下端设有环状套体，打印头机架的右上端依次设有副马达、右驱动齿轮、热融罐、继电器和右联动箱，打印头基架的上端中间部位设有散热器和打印控制器。

上述的继电器是提供电源给副马达、热融罐、右联动箱、推进器、左联动箱、马达驱动组件、温控仪、散热器、加热器，挤压器、自由度喷口的。

上述的环状套体是铰接联动加热器上的喷头旋转轮和联动轮辅助马达驱动组件和副马达的驱动组件联动自由度喷口作360度自由旋转的。

上述的左联动箱是通过联动推动器与马达驱动组件联动的。

上述的右联动箱是通过热融罐与副马达及其右驱动齿轮联动的。

上述的打印控制器是控制马达驱动组件、副马达、继电器，左联动箱18、右联动箱、热融罐、推进器、温控仪、环状套体、加热器、挤压器，自由度喷口的。

本发明的有益效果是：由马达驱动齿轮组件、同步轮带系统、加热融器件及推进机构组成的一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，既能有效均匀对热融材料进行热融，又能从根本上解决三维彩色喷墨增材打印机自由度喷头在运行过程中由于摇摆不稳或马达驱动同步控制自由度喷头难的问题。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图1标示说明：马达驱动组件1、加热器2、喷头旋转轮3、联动轮4、挤压器5、自由度喷口6、下推轮7、打印头基架8、推进器9、热融材料10、左联动齿轮11、右联动齿轮12、散热器13、传导管14、温控仪15、环状套体16、继电器17、左联动箱18、右联动箱19、打印控制器20、左驱动齿轮21、右驱动齿轮22、热融罐23、推轮同步带24、上推轮25、左联动同步轮26、联动同步带27、右联动同步轮28、喷头同步带29、套体同步带30、副马达31、转换齿轮32。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，由马达驱动齿轮组件、同步轮带系统、加热融器件及推进机构组成，包括马达驱动组件1，马达驱动组件1右侧依次齿合转换齿轮32、左驱动齿轮21，左联动齿轮11以及通过左联动齿轮11上设置的左联动同步轮26的同步带27与右联动齿轮12上的右联动同步轮28与上推轮25连接，上推轮25通过推轮同步带24与下推轮7连接后通过套体同步带30与环状套体16下端铰接的加热器2上的喷头旋转轮3连接，喷头旋转轮3通过喷头同步带29与挤压器5上的联动轮4连接后联动自由度喷口6作左180度旋转打印；

具体的，进一步所述副马达31上设有右驱动轮22，右驱动轮22左侧齿合右联动齿轮12，并通过联动齿轮12上右联动同步轮28的联动同步带27与左联动轮11上的左联动同步轮26与上推轮25连接，上推轮25上的推轮同步带24与下推轮7连接后通过套体同步带30与环状套件16下端铰接的加热器2上的喷头旋转轮3连接，喷头旋转轮3通过喷头同步带29与挤压器5上的联动轮4连接后联动自由度喷口6作右180度旋转打印；

具体的，进一步所述热融材料10通过热融罐23融解后输入传导管14并由传导管14经上推轮25和下推轮7的下端进入加热器2加热后再由挤压器5挤压后将热融材料10提供给自由度喷口6打印。

具体的，更进一步所述传导管14上端设有推进器9，推进器9下端连接温控仪15，推进器9左端连接左联动箱18，推进器9的右端连接右联动箱19，右联动箱19下装置有继电器17：

具体的，更进一步所述打印头基架8的左上端设有马达驱动组件1和左联动箱18，打印头基架8的下端设有环状套体16，打印头机架1的右上端依次设有副马达31、右驱动齿轮22、热融罐23、继电器17和右联动箱19，打印头基架8的上端中间部位设有散热器13和打印控制器20。

所述的继电器17是提供电源给副马达31、热融罐23、右联动箱19、推进器9、左联动箱13、马达驱动组件1、温控仪5、散热器13、加热器2，挤压器5、自由度喷口6的。

所述的环状套体16是铰接联动加热器2上的喷头旋转轮3和联动轮4辅助马达驱动组件1和副马达31的驱动组件联动自由度喷口6作360度自由旋转的。

所述的左联动箱18是通过联动推动器9与马达驱动组件1联动的。

所述的右联动箱19是通过热融罐23与副马达31及其右驱动齿轮22联动的。

所述的打印控制器20是控制马达驱动组件1、副马达31、继电器17，左联动箱18、右联动箱19、热融罐23、推进器9、温控仪15、环状套体16、加热器2、挤压器5，自由度喷口6的。

Claims (6)

1.一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，由马达驱动齿轮组件、同步轮带系统、加热融器件及推进机构组成，包括马达驱动组件1，马达驱动组件1右侧依次齿合转换齿轮32、左驱动齿轮21，左联动齿轮11以及通过左联动齿轮11上设置的左联动同步轮26的同步带27与右联动齿轮12上的右联动同步轮28与上推轮25连接，上推轮25通过推轮同步带24与下推轮7连接后通过套体同步带30与环状套体16下端铰接的加热器2上的喷头旋转轮3连接，喷头旋转轮3通过喷头同步带29与挤压器5上的联动轮4连接后联动自由度喷口6作左180度旋转打印；其特征在于：副马达31上设有右驱动轮22，右驱动轮22左侧齿合右联动齿轮12，并通过联动齿轮12上右联动同步轮28的联动同步带27与左联动轮11上的左联动同步轮26与上推轮25连接，上推轮25上的推轮同步带24与下推轮7连接后通过套体同步带30与环状套件16下端铰接的加热器2上的喷头旋转轮3连接，喷头旋转轮3通过喷头同步带29与挤压器5上的联动轮4连接后联动自由度喷口6作右180度旋转打印；热融材料10通过热融罐23融解后输入传导管14并由传导管14经上推轮25和下推轮7的下端进入加热器2加热后再由挤压器5挤压后将热融材料10提供给自由度喷口6打印；传导管14上端设有推进器9，推进器9下端连接温控仪15，推进器9左端连接左联动箱18，推进器9的右端连接右联动箱19，右联动箱19下装置有继电器17；打印头基架8的左上端设有马达驱动组件1和左联动箱18，打印头基架8的下端设有环状套体16，打印头机架1的右上端依次设有副马达31、右驱动齿轮22、热融罐23、继电器17和右联动箱19，打印头基架8的上端中间部位设有散热器13和打印控制器20。

2.根据权利要求1所述一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，其特征在于：所述继电器17是提供电源给副马达31、热融罐23、右联动箱19、推进器9、左联动箱13、马达驱动组件1、温控仪5、散热器13、加热器2，挤压器5、自由度喷口6的。

3.根据权利要求1所述一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，其特征在于：所述环状套体16是铰接联动加热器2上的喷头旋转轮3和联动轮4辅助马达驱动组件1和副马达31的驱动组件联动自由度喷口6作360度自由旋转的。

4.根据权利要求1所述一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，其特征在于：所述左联动箱18是通过联动推动器9与马达驱动组件1联动的。

5.根据权利要求1所述一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，其特征在于：所述右联动箱19是通过热融罐23与副马达31及其右驱动齿轮22联动的。

6.根据权利要求5所述一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，其特征在于：所述打印控制器20是控制马达驱动组件1、副马达31、继电器17，左联动箱18、右联动箱19、热融罐23、推进器9、温控仪15、环状套体16、加热器2、挤压器5，自由度喷口6的。