CN105538717A - 一种基于极坐标的圆截面物体3d打印方法和3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于极坐标的圆截面物体3D打印方法和3D打印机。目的是提供的3D打印方法应具有算法简单的特点；3D打印机应具有工作效率高的特点。技术方案是：一种基于极坐标的圆截面物体3D打印机，包括基座部分、打印平台部分及打印关节部分；基座部分包括基座、升降电机及两个丝杆带轮、至少两个Z向导杆、两个Z向升降丝杆；打印平台部分包括打印平台支架、XY向驱动组件及打印平台；打印关节部分包括顶板、打印头以及大臂板、小臂板。3D打印方法，包括以下步骤：1)建立极坐标系；2)改变P点的位置，打印半径为ρ的完整的圆；3)改变小壁板相对大臂板的转角φ，使的模为ρ在0到R之间均匀变化，从而得到完整的圆截面。

Description

一种基于极坐标的圆截面物体3D打印方法和3D打印机

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种基于极坐标的圆截面物体3D打印方法及相应3D打印机。

背景技术

现今3D打印机以三角形为3D模型的基本单元，因为任意的切片都可以拆解成多个三角形的组合，具有结构简单，通用性强的特点。但是采用这种方法打印圆形截面物体时，如果3D打印机精度不高，填充率(即线与线的间距)就会下降，导致打印效果较差。针对该问题，设计了一种基于极坐标的圆截面物体3D打印方法及相应3D打印机。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种基于极坐标的圆截面物体3D打印方法及相应3D打印机。该3D打印方法应具有算法简单、打印路径清晰的特点，该3D打印机应具有工作效率高、结构稳定、打印截面平滑的特点。

本发明采用的技术方案如下：一种基于极坐标的圆截面物体3D打印机，其特征在于：包括由下至上依次安装的基座部分、打印平台部分以及打印关节部分；所述基座部分包括基座、安装在基座上的升降电机以及两个丝杆带轮、活动安装在基座上的至少两个Z向导杆、与丝杆带轮的螺孔配合的两个Z向升降丝杆；升降电机通过同步带轮以及同步带分别与两个丝杆带轮连接，从而驱动两个Z向升降丝杆上下运动；所述打印平台部分包括打印平台支架、安装在打印平台支架上的XY向驱动组件以及安装在XY向驱动组件上的打印平台；打印平台支架上开设有若干个通孔，Z向导杆以及Z向升降丝杆分别穿过所述通孔；所述打印关节部分包括顶板、打印头以及等长的大臂板、小臂板，顶板安装在两个Z向升降丝杆以及两个Z向导杆的顶部，大臂板的第一端通过大臂轴转动安装在顶板底面并由大臂电机驱动，小壁板的第一端底部安装着打印头，小壁板的第二端通过小臂轴转动安装在大臂板的第二端底面并由小臂电机驱动。

作为优选，所述XY向驱动组件包括正交布置的X轴丝杆和Y轴丝杆，X轴丝杆由X轴电机驱动，X轴丝杆上安装着X轴螺母，X轴螺母通过X轴滑块、X轴T型滑轨与打印平台连接，X轴T型滑轨与Y轴丝杆平行布置；Y轴丝杆由Y轴电机驱动，Y轴丝杆上安装着Y轴螺母，Y轴螺母通过Y轴滑块、Y轴T型滑轨与打印平台连接，Y轴T型滑轨与X轴丝杆平行布置。

作为优选，所述大臂板的第一端固定在大臂轴上，大臂轴通过轴承安装在顶板上，大臂电机通过齿轮与大臂轴连接从而驱动大臂轴转动；小壁板的第二端固定在小臂轴上，小臂轴通过轴承安装在大臂板的第二端，小臂电机通过齿轮与小臂轴连接从而驱动小臂轴转动。

一种基于极坐标的圆截面物体3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，在XY平面内，以大臂轴横截面的中心为原点O建立极坐标系，小壁板上的打印头设为P点，P点的极坐标是(ρ,θ)，其中ρ≥0，0≤θ＜2π，的模为ρ；

第二步，改变P点的位置，使得θ在0～2π之间均匀变化，打印半径为ρ的完整的圆；

第三步；改变小壁板相对大臂板的转角φ，从而改变P点的位置，使的模为ρ在0到R之间均匀变化，从而得到半径为R的完整的圆截面。

本发明具有的有益效果如下：本发明通过打印头的旋转来实现一个完整圆的加工，并且通过改变打印头与大臂轴之间的距离从而连续改变打印的半径，实现一个圆截面的加工，同时，打印平台上可以放置多个工件，由打印头逐个打印，对于不同半径的圆截面，只需改变大臂板一小臂板之间的夹角即可改变打印头与大臂轴之间的距离，整体算法简单、打印路径清晰、设备使用方便、工作效率高、结构简单稳定、打印截面平滑。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的俯视结构示意图。

图3是图2中A-A向剖视图。

图4是基座部分的立体结构示意图。

图5是基座部分的主视结构示意图。

图6是打印关节部分的剖视图。

图7、图8是打印关节部分的立体结构示意图。

图9、图10是打印平台部分的立体结构示意图。

图11是3D打印方法的原理图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1到图3所示，一种基于极坐标的圆截面物体3D打印机，包括由下至上依次安装的基座部分、打印平台部分以及打印关节部分。

如图4、图5所示，所述基座部分包括升降电机311、同步带轮312、同步带313、丝杆带轮314(制有螺纹孔或内置有螺母)、同步带315、丝杆带轮316、底板上架32、连接柱33、底板电机架34、底板35、两个Z向导杆14-2以及两个Z向升降丝杆14-1。所述升降电机固定在底板电机架上(底板电机架通过连接柱固定在底板上)，丝杆带轮在Z向被底板上架32和底板电机架34限位，通过同步带轮带动一组同步带，从而带动两个丝杆带轮同步运动，带动两个Z向升降丝杆运动，以控制所述整个打印平台部分相对于所述打印机底板在Z轴的方向上的移动。底板上架以及底板电机架上开设有通孔14-3，两个Z向导杆以及两个Z向升降丝杆活动安装在通孔内，Z向升降丝杆与丝杆带轮的螺孔配合。

如图9、10所示，所述打印平台部分包括包括X轴电机211、X轴电机架212、X轴丝杠213、X轴滑块214、X轴T型滑轨215、X轴螺母216、X轴丝杠保持架217、Y轴电机221、Y轴电机架222、Y轴丝杠223、Y轴滑块224、Y轴T型滑轨225、Y轴螺母226、Y轴丝杠保持架227、打印平台23、打印部分上架24、升降螺母25、打印部分下架26、升降直线滑块27。

打印部分上架24与打印部分下架26组成打印平台支架，打印部分上架24与打印部分下架26上开设有若干个通孔，Z向导杆以及Z向升降丝杆分别穿过所述通孔。X轴丝杠213与Y轴丝杠223正交布置并组成XY向驱动组件。X轴丝杆由X轴电机211驱动，X轴丝杆213上安装着X轴螺母216，X轴螺母216通过X轴滑块214、X轴T型滑轨215与打印平台连接，X轴T型滑轨215与Y轴丝杆223平行布置；Y轴丝杆223由Y轴电机221驱动，Y轴丝杆上安装着Y轴螺母226，Y轴螺母226通过Y轴滑块224、Y轴T型滑轨225与打印平台连接，Y轴T型滑轨225与X轴丝杆213平行布置。通过设计丝杠和滑轨相互垂直的结构，一是起到并联效果，二是可以使打印平台重心一直位于由四个支点组成的四边形内部，提高了打印平台的稳定性。所述的X轴电机通过X轴电机架固定在打印部分上下架上，X轴电机带动X轴丝杠转动，从而带动X轴螺母，因为X轴螺母与X轴滑块固连，所以带动打印平台沿X方向滑动；Y轴电机通过Y轴电机架固定在打印部分上下架上，Y轴电机带动Y轴丝杠转动，从而带动Y轴螺母，因为Y轴螺母与Y轴滑块固连，所以带动打印平台沿Y方向滑动。其中四条T型滑轨固定在打印平台下部，随打印平台一起运动，从而实现打印平台在XY平面内的位置的改变。

如图6、7、8所示，所述打印关节部分包括大臂电机111、大臂电机架112、大臂小齿轮113、大臂电机支柱114、大臂大齿轮115、大臂轴116、大臂轴上轴承盖117、大臂轴下轴承盖118、大臂板119，小臂电机121、小臂小齿轮122、小臂大齿轮126、小臂轴123、与大臂板等长的小臂板127、打印头15、小臂轴上轴承盖124、小臂轴下轴承盖125、顶板13、升降丝杆固定端14。所述大臂电机通过大臂电机架、大臂电机支柱固定在顶架上，大臂电机端子与大臂小齿轮连接，大臂小齿轮和大臂大齿轮相啮合，大臂大齿轮同轴固连在大臂轴上。大臂轴由大臂轴上轴承、大臂轴上轴承盖和大臂轴下轴承、大臂轴下轴承盖实现轴向固定。大臂轴下端和大臂板固连。所述小臂电机固定在大臂板上，小臂电机端子与小臂小齿轮连接，小臂小齿轮和小臂大齿轮相啮合，小臂大齿轮同轴固连在小臂轴上，同时和小臂板固连。小臂轴由小臂轴上轴承、小臂轴上轴承盖和小臂轴下轴承、小臂轴下轴承盖实现轴向固定。打印头安装在小臂板的末端(即第一端)。升降丝杆固定端用来固定升降丝杠的上端，丝杠可在其中做定轴转动。

上述打印机的工作原理是：

首先，将工件放到打印平台上，通过X、Y轴电机调整打印平台的位置，使得工件处于打印头下方；之后根据圆截面的半径，启动小臂电机，调整小臂板与大臂板之间的夹角，改变打印头与大臂轴之间的距离，即改变打印的圆半径，之后大臂电机111，使得打印头随着大臂板转动一周，即加工出一个完整的圆；接下来连续改变小臂板与大臂板之间的夹角来实现半径的变化，从而打印出一个完整的圆，同时，基座部分的升降电机311通过驱动丝杆升降，来带动打印头上下运动，加工出不同高度的圆截面；当一个工件打印完成后，打印平台移动，将下一个工件送到打印头下方，继续进行打印。

如图11所示，一种基于极坐标的圆截面物体3D打印方法，包括以下步骤：

第一步，在XY平面内，以大臂轴(116)横截面的中心为原点O建立极坐标系，小壁板上的打印头15设为P点，P点的极坐标是(ρ,θ)，其中ρ≥0，0≤θ＜2π，的模为ρ；

第二步，改变P点的位置，使得θ在0～2π之间均匀变化，打印半径为ρ的完整的圆；

第三步；改变小壁板相对大臂板(119)的转角φ，从而改变P点的位置，使的模为ρ在0到R之间均匀变化，从而得到半径为R的完整的圆截面。

上述方法的原理是：以圆截面圆心为原点O建立极坐标系，当限制ρ≥0，0≤θ＜2π时，截面上除原点O以外，其他每一点都有唯一的一个极坐标P(ρ,θ)。所以对于半径为R的圆截面的打印，设的模为ρ,通过θ在0～2π间变化就可以打印一个半径为ρ的完整的圆。故而令ρ从0到打印半径R之间均匀变化，就可以打印一个半径为R的完整的圆截面。所以基于极坐标的圆截面物体3D打印机的数学模型是形成一个模ρ可以从0到打印半径R之间均匀变化的而且θ可以在XY平面内0～2π间变化。

以上所述仅为本发明的优选实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于极坐标的圆截面物体3D打印机，其特征在于：包括由下至上依次安装的基座部分、打印平台部分以及打印关节部分；

所述基座部分包括基座、安装在基座上的升降电机(311)以及两个丝杆带轮、活动安装在基座上的至少两个Z向导杆(14-2)、与丝杆带轮的螺孔配合的两个Z向升降丝杆(14-1)；升降电机通过同步带轮(312)以及同步带(313)分别与两个丝杆带轮连接，从而驱动两个Z向升降丝杆上下运动；

所述打印平台部分包括打印平台支架、安装在打印平台支架上的XY向驱动组件以及安装在XY向驱动组件上的打印平台；打印平台支架上开设有若干个通孔(14-3)，Z向导杆以及Z向升降丝杆分别穿过所述通孔；

所述打印关节部分包括顶板(13)、打印头(15)以及等长的大臂板(119)、小臂板(127)，顶板安装在两个Z向升降丝杆以及两个Z向导杆的顶部，大臂板(119)的第一端通过大臂轴(116)转动安装在顶板底面并由大臂电机(111)驱动，小壁板的第一端底部安装着打印头，小壁板的第二端通过小臂轴(123)转动安装在大臂板的第二端底面并由小臂电机(121)驱动。

2.根据权利要求1所述的一种基于极坐标的圆截面物体3D打印机，其特征在于：所述XY向驱动组件包括正交布置的X轴丝杆(213)和Y轴丝杆(223)，X轴丝杆由X轴电机(211)驱动，X轴丝杆(213)上安装着X轴螺母(216)，X轴螺母(216)通过X轴滑块(214)、X轴T型滑轨(215)与打印平台连接，X轴T型滑轨(215)与Y轴丝杆(223)平行布置；Y轴丝杆(223)由Y轴电机(221)驱动，Y轴丝杆上安装着Y轴螺母(226)，Y轴螺母(226)通过Y轴滑块(224)、Y轴T型滑轨(225)与打印平台连接，Y轴T型滑轨(225)与X轴丝杆(213)平行布置。

3.根据权利要求1所述的一种基于极坐标的圆截面物体3D打印机，其特征在于：所述大臂板(119)的第一端固定在大臂轴(116)上，大臂轴(116)通过轴承安装在顶板上，大臂电机通过齿轮与大臂轴(116)连接从而驱动大臂轴(116)转动；小壁板的第二端固定在小臂轴(123)上，小臂轴(123)通过轴承安装在大臂板(119)的第二端，小臂电机通过齿轮与小臂轴(123)连接从而驱动小臂轴(123)转动。

4.一种基于极坐标的圆截面物体3D打印方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，在XY平面内，以大臂轴(116)横截面的中心为原点O建立极坐标系，小壁板上的打印头(15)设为P点，P点的极坐标是(ρ,θ)，其中ρ≥0，0≤θ＜2π，的模为ρ；

第二步，改变P点的位置，使得θ在0～2π之间均匀变化，打印半径为ρ的完整的圆；

第三步；改变小壁板相对大臂板(119)的转角φ，从而改变P点的位置，使的模为ρ在0到R之间均匀变化，从而得到半径为R的完整的圆截面。