CN104859151B - 一种3d打印机托盘全自动调平装置及全自动调平方法 - Google Patents
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Abstract
一种3D打印机托盘全自动调平装置,包括托盘、固定红外测距传感器和喷头的移动机构、固定框架、若干平行的丝杠副与配套的步进电机,移动机构带动喷头在固定框架内水平移动,步进电机带动固定在固定框架上的丝杠副转动,带动承载的托盘竖直移动,所述托盘重心与所述固定框架限定平面的中心靠近或重合,与沿所述丝杠副顺序围成图形的边界接近。本发明的3D打印机托盘全自动调平装置利用XY轴水平面的移动机构适时测量沿Z轴步进的托盘承载面的平行程度,通过多点测量获得Z轴步进时各支撑机构间的微小误差,并及时进行调整,使得平行误差无法累计。耗材固化过程中的表面高度不会出现偏差,保证了打印精度。还包括全自动调平方法。
Description
技术领域
本发明设计一种物料平台的水平调整结构,特别是涉及一种打印机耗材承载平台的水平调整结构。
背景技术
3D打印,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。固定框架上设置有可沿X轴和Y轴在水平面中逐点步进的移动机构,移动机构的下端面中设置喷头,该移动机构能够比较完美地完成XY轴水平面内喷头的逐点定位。
用于承载逐层固化的粘合材料(耗材)的托盘需要随着固化过程沿Z轴步进位移。在现有的3D打印机结构中,固定框架的顶端固定用于移动机构移动的导轨,固定框架的断面与Z轴垂直,沿Z轴方向设置丝杠。通常采用丝杠副的丝杠与步进电机结合的方式,由丝杠副的丝杠螺母带动托盘步进,利用丝杠螺母保持托盘承载面与XY轴水平面平行。但是对于较大的成品模型,由于托盘承载的耗材质量并不能均匀分布,在托盘沿Z轴步进位移时,使得托盘承载面与XY轴水平面无法维持平行,打印周期、耗材质量与这种平行误差正相关。简单增加丝杠数量或直径改善托载稳定性,会导致步进精度下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印机托盘全自动调平装置,解决托盘承载面在沿Z轴步进过程中由于固有结构精度,无法与XY轴水平面始终保持水平的技术问题。
本发明的另一个目的是提供一种3D打印机托盘全自动调平方法,解决托盘承载面在沿Z轴步进过程中无法与XY轴水平面始终保持水平的技术问题。
本发明的3D打印机托盘全自动调平装置,包括托盘、固定红外测距传感器和喷头的移动机构、固定框架、若干平行的丝杠副与配套的步进电机,移动机构带动喷头在固定框架内水平移动,步进电机带动固定在固定框架上的丝杠副转动,带动承载的托盘竖直移动,所述托盘重心与所述固定框架限定平面的中心靠近或重合,与沿所述丝杠副顺序围成图形的边界接近。
所述固定框架包括上层和下层平行的水平固定环和垂直的立柱,水平固定环的内外轮廓为相似的正五边形,在水平固定环的第一、第二、第三、第四顶点位置开设立柱通孔,在第五顶点位置、第一第二顶点的中点位置、第三第四顶点的中点位置开设丝杠通孔,通过上层和下层水平固定环的相应立柱通孔固定立柱两端;通过上层和下层水平固定环的相应丝杠通孔固定丝杠两端。
还包括支撑架,支撑架为一环体,支撑架的内外轮廓为相似三角形,在支撑架的三个顶点位置分别开设螺母固定通孔,丝杠螺母从下向上插入螺母固定通孔;
在支撑架顶部固定托盘,托盘为矩形,托盘的两组相对侧边分别与移动机构的X轴和Y轴平行。
所述移动机构设置在上层的水平固定环中,移动机构的底部固定与Z轴平行的喷头,在移动机构底部喷头的一侧,固定安装红外测距传感器,红外测距传感器的光线投射方向与Z轴平行。
利用上述的3D打印机托盘全自动调平装置进行托盘,全自动调平的控制方法包括以下步骤:
红外测距传感器初始化,确定托盘承载面处于初始位置时的距离;
红外测距传感器采样喷头至托盘的离散点的距离数据,反馈上位机;
上位机根据距离数据形成各步进电机控制信号,各步进电机主轴带动相应丝杠转动,调整托盘承载面,使处于水平;
上位机形成托盘沿Z轴步进信号,控制各步进电机带动相应丝杠转动,同步位移;
上位机周期地采集距离数据,形成各步进电机控制信号,在喷头喷射后,同步位移前采集距离数据;
直至打印结束。
还包括以下步骤:
上位机计算步进过程中粘合材料在托盘上的分布特征,例如质量分布特征、累积高度特征等;
在根据距离数据形成各步进电机控制信号的过程中,加入与分布特征相关的修正数据。
本发明的3D打印机托盘全自动调平装置利用XY轴水平面的移动机构适时测量沿Z轴步进的托盘承载面的平行程度,通过多点测量获得Z轴步进时各支撑机构间的微小误差,并及时进行调整,使得平行误差无法累计。耗材固化过程中的表面高度不会出现偏差,保证了打印精度。
本发明的3D打印机托盘全自动调平方法,利用合理的调平方法,将调平过程与打印过程相结合,保证了耗材固化过程中的表面高度不会出现偏差。
附图说明
图1为本发明3D打印机托盘全自动调平装置的主视示意图;
图2为本发明3D打印机托盘全自动调平装置的A-A方向剖视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1和图2所示,本实施例的3D打印机托盘全自动调平装置包括设置在固定框架01上,与Z轴平行的三根丝杠02,每根丝杠的丝杠螺母03嵌入支撑架04,支撑架04上固定托盘05;
固定框架01包括上层和下层平行的水平固定环11、垂直的四根立柱12,水平固定环11,水平固定环11的内外轮廓为相似的正五边形,在水平固定环11的第一、第二、第三、第四顶点位置开设立柱通孔13,在第五顶点位置、第一第二顶点的中点位置、第三第四顶点的中点位置开设丝杠通孔14,丝杠通孔14中设置滚动轴承,在上层和下层水平固定环11相应立柱通孔13间固定立柱12;通过上层和下层水平固定环11相应丝杠通孔14的滚动轴承固定丝杠02两端;也可以将较细的丝杠02两端插入相应丝杠通孔14中固定,省略滚动轴承,丝杠02同样可以平滑转动。
支撑架04为一环体,支撑架04的内外轮廓为相似三角形,在支撑架04的三个顶点位置分别开设螺母固定通孔31,用于固定丝杠螺母03;丝杠螺母03从下向上插入螺母固定通孔31,丝杠螺母03随丝杠02转动方向而上下移动,带动支撑架04做出相应位移。
在支撑架04顶部固定托盘05,托盘05为矩形,托盘05的两组相对侧边分别与X轴和Y轴平行;
移动机构06设置在上层的水平固定环11中,移动机构06的底部固定与Z轴平行的喷头61,在移动机构06底部喷头61的一侧,固定安装红外测距传感器62;本实施例选用FT25RA(-60-NSU-M4M)系列,红外测距传感器62的光线投射方向与Z轴平行;
丝杠02的上端通过联轴器63,连接固定在上层的水平固定环11上的步进电机64的主轴;
步进电机64和红外测距传感器62的控制信号输入端连接上位机的信号输出端。
本实施例中,利用三根丝杠02上的丝杠螺母03连接支撑架04,使支撑架04形成可沿Z轴进行平稳位移的最小的支撑面,利用支撑面的稳定性,在支撑架04上固定投影面积远大于支撑面的托盘05。该结构可以减小直接利用丝杠螺母03带动托盘05时,因托盘05形状和面积需要增加丝杠副才能保证托盘05平稳移动的缺陷。本结构这种对丝杠副的最小配置,也降低了位移精度控制的复杂性。进一步,固定框架01的水平固定环11采用五边形形状,既可以保证与立柱12的稳固连接,又可以与偏置的丝杠副相结合,获得固定框架01内的最大托盘面积,保证模型成品的加工尺寸。每个丝杠02配置的步进电机可以对托盘05位移过程中各丝杠螺母03的行程进行独立微调,红外测距传感器62的距离反馈信号通过上位机处理后行程步进电机的步进(及修正)控制信号,可以将托盘行程积累的位移误差进行调整消除。降低了打印对丝杠副加工精度的要求,有效降低设备制造成本。
本实施例中,托盘(矩形)05重心与固定框架01限定平面(五边形)的中心靠近或重合,与所述丝杠副顺序围成图形(三角形)的边界(一条边)接近的支撑结构,可以保证托盘在负载固化耗材时,重心受到以丝杠副为转折点的支撑架04的一条边框的稳定支撑,在固化耗材非均匀分布在托盘上时,水平误差会在远离托盘重心的丝杠副方向放大(相似杠杆作用),使得位移误差更容易为传感器采集。上位机可据此更准确地调整累积误差。
喷头附近的红外测距传感器(精度0.02mm)与喷头固定在一起,测量方向与喷头喷射方向一致,两者间的基准误差可以精确测量。在此基础上,可以精确检测到喷头到托盘的距离。利用本实施例进行全自动调平的控制方法包括以下步骤:
红外测距传感器初始化,确定托盘承载面处于初始位置时的距离;
红外测距传感器采样喷头至托盘的离散点的距离数据,反馈上位机;
上位机根据距离数据形成各步进电机控制信号,各步进电机主轴带动相应丝杠转动,调整托盘承载面,使处于水平;
上位机形成托盘沿Z轴步进信号,控制各步进电机带动相应丝杠转动,同步位移;
上位机周期地采集距离数据,形成各步进电机控制信号,在喷头喷射后,同步位移前采集距离数据;
直至打印结束。
本实施例的控制方法可以在以上结构的基础上,在步进过程中有效消除由于结构误差、公差精度导致的水平累积误差。可以避免支撑架位移中出现过度或不足,延长丝杠的使用周期,保持其加工精度。在上述控制方法中,上位机利用距离数据和喷头的喷射量,可以进一步形成对水平精度的控制方法,具体如下:
上位机计算步进过程中粘合材料在托盘上的分布特征,例如质量分布特征、累积高度特征等;
在根据距离数据形成各步进电机控制信号的过程中,加入与分布特征相关的修正数据。
修正数据可以起到前反馈作用,消除固有的趋势性误差,使得在步进过程的累积性误差的累积趋势平缓。可以有效改善在粘合材料凝固过程的初始阶段的流体特性,使每一个凝固层的高度差趋于平衡。
离散点由沿X轴和Y轴步进的移动机构带动喷头随机或规则移动后定位,利用红外测距传感器对托盘距离进行采样获得。随机移动优选线性离散,规则移动优选熵增离散。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种3D打印机托盘全自动调平装置,包括托盘、固定红外测距传感器和喷头的移动机构、固定框架、若干平行的丝杠副与配套的步进电机,移动机构带动喷头在固定框架内水平移动,步进电机带动固定在固定框架上的丝杠副转动,带动承载的托盘竖直移动,其特征在于:所述托盘重心与所述固定框架限定平面的中心靠近或重合,与沿所述丝杠副顺序围成图形的边界接近;
所述固定框架(01)包括上层和下层平行的水平固定环(11)和垂直的立柱(12),水平固定环(11)的内外轮廓为相似的正五边形,在水平固定环(11)的第一、第二、第三、第四顶点位置开设立柱通孔(13),在第五顶点位置、第一第二顶点的中点位置、第三第四顶点的中点位置开设丝杠通孔(14),通过上层和下层水平固定环(11)的相应立柱通孔(13)固定立柱(12)两端;通过上层和下层水平固定环(11)的相应丝杠通孔(14)固定丝杠(02)两端。
2.如权利要求1所述的3D打印机托盘全自动调平装置,其特征在于:还包括支撑架(04),支撑架(04)为一环体,支撑架(04)的内外轮廓为相似三角形,在支撑架(04)的三个顶点位置分别开设螺母固定通孔(31),丝杠螺母(03)从下向上插入螺母固定通孔(31);
在支撑架(04)顶部固定托盘(05),托盘(05)为矩形,托盘(05)的两组相对侧边分别与移动机构的X轴和Y轴平行。
3.如权利要求2所述的3D打印机托盘全自动调平装置,其特征在于:所述移动机构(06)设置在上层的水平固定环(11)中,移动机构(06)的底部固定与Z轴平行的喷头(61),在移动机构(06)底部喷头(61)的一侧,固定安装红外测距传感器(62),红外测距传感器(62)的光线投射方向与Z轴平行。
4.一种应用权利要求1至3任一项所述的3D打印机托盘全自动调平装置的全自动调平控制方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
红外测距传感器初始化,确定托盘承载面处于初始位置时的距离;
红外测距传感器采样喷头至托盘的离散点的距离数据,反馈上位机;
上位机根据距离数据形成各步进电机控制信号,各步进电机主轴带动相应丝杠转动,调整托盘承载面,使处于水平;
上位机形成托盘沿Z轴步进信号,控制各步进电机带动相应丝杠转动,同步位移;
上位机周期地采集距离数据,形成各步进电机控制信号,在喷头喷射后,同步位移前采集距离数据;直至打印结束;
其中,上位机计算步进过程中粘合材料在托盘上的分布特征,所述分布特征包括质量分布特征和累积高度特征;
在上位机根据距离数据形成各步进电机控制信号的过程中,加入与分布特征相关的修正数据。
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