CN105666867A - 一种三维打印机以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维打印机以及控制方法，属于机械工具技术领域。具体实施例中三维打印机，包括送料装置、机械臂装置、打印执行装置，送料装置和机械臂装置都固定在固定底板上，打印执行装置与机械臂装置的末端执行器相连接，送料装置通过保护软管与打印执行装置相连接。利用B样条进行对打印轮廓进行描述，进而实现打印机运动控制。本发明利用机械臂以及B样条插补算法进行三维打印机的运动控制，能够实现三维空间快速准确定位，并且其结构紧凑能够放置在狭窄的空间内，具有较高的位置精度。

Description

一种三维打印机以及控制方法

技术领域

本发明涉及一种三维打印机以及控制方法，属于机械工具技术领域。

背景技术

三维打印技术是快速成型制造技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或者塑料等可粘合材料，将一定厚度的材料逐层反复打印在平台上，循环往复，直到生成整个成型件。其工艺工程是先利用三维造型软件创建三维实体造型，再将设计出的实体造型通过快速成型设备的处理软件进行“分区”成逐层的截面切片，然后将处理过的数据输入设备进行制造，最后还需要进行一定的后处理以得到最终的成品。国内开发的三维立体打印快速成型设备一般设置可升降的工作台，喷嘴活动连接在工作台上，根据需要控制喷嘴的运动，由于工作台采用支架结构，喷嘴的位置调整，一般通过步进电机牵引同步带，同步带拉动丝杠转动来带动喷嘴移动，这种开环控制加上机构间隙等因素，并不能使喷嘴位置具有较高精度，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种三维打印机以及控制方法，解决现有技术的三维打印机机构复杂，不能准确有效定位，无法满足高精度的三维打印要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种三维打印机，包括送料装置、机械臂装置、打印执行装置，送料装置和机械臂装置都固定在固定底板上，打印执行装置与机械臂装置的末端执行器相连接，送料装置通过保护软管与打印执行装置相连接。

进一步地，所述打印执行装置包括连接架、加热机构、散热机构、金属散热管，连接架通过第一螺钉固定在机械臂装置的末端执行器上，同时与加热机构固定连接，机械臂装置带动连接架进行运动。

进一步地，所述末端执行器中间位置设置有通孔，金属散热管一端连接有保护软管并穿过末端执行器的通孔，另一端通过连接螺柱固定在加热机构上。

进一步地，所述连接螺柱为中空外螺纹结构，一端通过螺纹配合连接金属散热管另一端通过螺纹配合连接喷嘴。

进一步地，所述机械臂装置设置有控制机构，控制机构包括控制芯片和显示屏，控制芯片根据需要打印的位置信息，控制电机旋转，进而实现调整末端执行器位姿的目的。利用机械臂控制三维打印机的喷嘴能够实现三维空间快速准确定位，并且其结构紧凑能够放置在狭窄的空间内。优选地，机械臂装置为三自由度机械臂。

进一步地，所述送料装置包括绕线盘、送丝机构，耗材丝一端缠绕在绕线盘上，另一端通过送丝机构送到打印执行装置。

进一步地，所述送丝机构包括压线盒、送料轮、压线机构，压线盒设置有凹槽，用以放置送料轮和压线机构，压线盒一端与电机相连接，电机轴穿过压线盒与送料轮固定连接。压线盒设置有不规则凹槽，根据压线机构的形状设置凹槽的形状，这样凹槽能够有效固定压线机构和送料轮。

进一步地，所述压线机构为月牙形中间位置安装有轴承，压线机构安装在压线盒凹槽内与送料轮保持一定的间隔空隙，为调节送料轮与压线机构的间隙，在压线盒靠近压线机构的一端面设置有调节螺母。压线机构通过螺栓安装在压线盒凹槽内，压线机构并不完全固定，能够相对移动，用于调整压线机构与送料轮的间隙。

进一步地，所述送料轮设置有紧定螺钉，通过拧紧紧定螺钉能够使得电机轴与送料轮同步旋转。送料轮设置有齿结构，且齿轮的中间有浅凹槽，使得耗材丝容易定位。由于送料轮是圆柱形，耗材丝一般也是圆柱形，二者之间的摩擦力比较小，因此送料轮设置带齿结构并且中间设置有浅凹槽，使得耗材丝能够在浅凹槽中穿过，防止耗材丝滑动。

一种用于三维打印机的控制方法，包括以下步骤：第10步，控制芯片对打印轮廓利用B样条曲线进行描述；第20步，喷嘴需要匀速运动，利用B样条理论知识，求出对应的下一插补点参数u值，计算公式如下所示：

$\begin{array}{c}{u}_{i+1}=u_i+\frac{vTs}{\sqrt{X^{,2}\left(u\right)+Y^{,2}\left(u\right)++Z^{,2}\left(u\right)}}-\\ \frac{{\left(vTs\right)}^2\×\left(X^{,}\right(u\left)X^{,,}\right(u)+Y^{,}(u\left)Y^{,,}\right(u)++Z^{,}(u\left)Z^{,,}\right(u\left)\right)}{2{\left(X^{,2}\right(u)+Y^{,2}(u)++Z^{,2}(u\left)\right)}^2}\end{array}$

Ts是采样周期，v喷嘴的运动速度，u_i为上一插补点的参数值，X’(u)为样条曲线X坐标的一阶导数，Y’(u)为样条曲线Y坐标的一阶导数，Z’(u)为样条曲线Z坐标的一阶导数，X”(u)为样条曲线X坐标的二阶导数，Y”(u)为样条曲线Y坐标的二阶导数，Z”(u)为样条曲线Z坐标的二阶导数；

第30步，根据计算出的参数u，计算下一插补点坐标，即控制芯片控制打印机喷嘴需要运动到坐标位置，插补点坐标计算公式：

$P_l\left(u\right)=\left(\begin{array}{cccc}{p}_{l+0}& p_{l+1}& p_{l+2}& p_{l+3}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\frac{1}{6}*{(1-u)}^3\\ \frac{1}{6}*(3u^3-6u^2+4)\\ \frac{1}{2}{u}^2+\frac{1}{2}u-\frac{1}{2}{u}^3+\frac{1}{6}\\ \frac{1}{6}{u}^3\end{array}\right)$

其中：P₁(u)表示第1段样条曲线，p_1+i表示第1段曲线第i个控制点，u表示样条参数；

第40步，控制芯片根据每个采样周期内的插补点坐标，计算出需要对每个电机的发送脉冲数，控制电机旋转，机械臂装置末端执行器进行运动，带动喷嘴运动到指定位置，进行打印。

B样条曲线是Bézier曲线的改进形式，主要区别在于基函数的构造方式不同，B样条理论的好处就是能保留Bézier方法的优点，同时增加了可局部修改的性质。B样条方法在表示与设计自由型曲线与曲面形状时显示了强大的威力。

进一步地，第10步进一步包括以下步骤：

第101步，采集轮廓离散点，输入到控制芯片；

第102步，控制芯片确定节点向量：u＝{-3，-2，-1，0，1，2，3，4}；

第103步，控制芯片根据节点向量计算样条四个基函数，计算公式如下：

$N_{n,3}\left(u\right)=\frac{1}{3!}\underset{j=0}{\overset{3}{\Σ}}{(-1)}^j{C}_{3+i}^j{(u+3-n-j)}^p$

第104步，反算控制点，由于控制点比轮廓离散点多2个，假设控制点与轮廓离散点的始末端点重合，这样未知量就减少2个，就可以直接利用关系矩阵反算出控制点，控制点的反算公式：

T_i表示轮廓离散点矢量，P_i表示控制点矢量

第105步，计算样条曲线的导矢，样条曲线的一阶导数，二阶导数，计算公式分别如下所示：

其中：P₁(u)表示第1段样条曲线，p_1+i表示第1段曲线第i个控制点，u表示样条参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用机械臂控制三维打印机的喷嘴能够实现三维空间快速准确定位，并且其结构紧凑能够放置在狭窄的空间内，具有较高的位置精度。

2.本发明利用送料轮与压线机构的摩擦力实现耗材丝的输送，结构简单，可靠性高。

3.本发明利用B样条插补算法能精确表示轮廓曲线，能够有效提高三维打印精度。

附图说明

图1为本发明具体实施例的三维打印机装配图；

图2为本发明具体实施例的三维打印机爆炸视图；

图3为本发明具体实施例的三维打印机局部爆炸视图；

图4为本发明具体实施例的送丝机构装配图；

图5为本发明具体实施例的送丝机构爆炸视图；

图6为本发明具体实施例的控制流程图。

其中：100-送料装置，200-机械臂装置，300-打印执行装置，1-绕线盘，2-固定轴，3-支撑套筒，4-第一轴承，5-保护软管，6-送丝机构，7-支撑竖架，9-末端执行器，10-耗材丝，11-金属散热管，12-第一螺钉，13-连接螺柱，14-连接架，15-第二螺钉，16-加热机构，17-喷嘴，18-散热机构，19-机械臂底座，20-固定底板，601-电机，602-调节螺母，603-弹簧，604-圆垫片，605-辅助进丝件，606-第二轴承，607-压线机构，610-固定螺栓，611-紧定螺钉，612-送料轮，613-压线盒，614-辅助豁口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1、2所示的具体实施例中，一种三维打印机，包括送料装置100、机械臂装置200、打印执行装置300，送料装置100和机械臂装置200都固定在固定底板20上，打印执行装置300与机械臂装置200的末端执行器9相连接，送料装置100通过保护软管5与打印执行装置300相连接。送料装置100包括绕线盘1、送丝机构6，耗材丝10一端缠绕在绕线盘1上，另一端通过送丝机构6送到打印执行装置300，送丝机构6与打印执行装置300之间连接有保护软管5一方面用以保护耗材丝10，另一方面限制耗材丝10的运动路径。打印执行装置300设置有加热机构16，使得耗材丝10熔化通过喷嘴17进行三维打印，同时在机械臂装置200带动下，打印执行装置300能够灵活的选择打印位置，进行立体成型。

具体实施例中送料装置100包括绕线盘1、送丝机构6、支撑套筒3、第一轴承4、固定轴2，固定底板20一端面固定有支撑竖架7，支撑竖架7上端设置有固定轴2，固定轴2与支撑套筒3通过第一轴承4相连接，使得支撑套筒3一方面能够在固定轴2上旋转另一方面同绕线盘1固定连接，使得绕线盘1能够在固定轴2上旋转。

具体实施例中机械臂装置200包括机械臂本体、控制机构，控制机构包括控制芯片和显示屏，控制芯片根据需要打印的位置信息，控制三个直流伺服电机601旋转，进而实现调整机械臂本体的末端执行器9位姿的目的。

如图3所示具体实施例中打印执行装置300包括连接架14、加热机构16、散热机构18、金属散热管11。连接架14通过第一螺钉12固定在末端执行器9上，同时与加热机构16固定连接，机械臂装置200带动连接架14进行运动。末端执行器9中间位置设置有通孔，金属散热管11一端连接有保护软管5并穿过末端执行器9的通孔，另一端通过连接螺柱13固定在加热机构16上。连接螺柱13为中空外螺纹结构，一端通过螺纹配合连接金属散热管11另一端通过螺纹配合连接喷嘴17。耗材丝10通过保护软管5进入金属散热管11，加热机构16对其加热，使得耗材丝10熔化，通过喷嘴17流出到规划位置，逐步层叠形成三维实体。连接架14为L型结构，外侧有三个螺纹孔，散热机构18通过第二螺钉15固定连接架14外端面上，用于整个机构散热。

如图4、5所示具体实施例中，送丝机构6包括压线盒613、送料轮612、压线机构607、辅助进丝件605、电机601。压线盒613设置有凹槽，用以放置送料轮612和压线机构607，压线盒613一端与电机601相连接，电机601轴穿过压线盒613与送料轮612固定连接，为保证电机601轴与送料轮612的有效连接，送料轮612设置有紧定螺钉611，通过拧紧紧定螺钉611能够使得电机601轴与送料轮612同步旋转，电机601带动送料轮612旋转。送料轮612设置有齿结构，且齿轮的中间有浅凹槽，使得耗材丝10容易定位。

压线机构607为月牙形中间位置安装有轴承，压线机构607固定在压线盒613凹槽内与送料轮612保持一定的间隔空隙，使得耗材丝10穿过并且对耗材丝10形成一定的挤压摩擦力，当送料轮612旋转时，送料轮612在压线机构607的配合下，带动耗材丝10往一个方向运动。压线机构607中间位置安装有第二轴承606，并通过螺栓固定在压线盒613凹槽内，第二轴承606用以同送料轮612相配合。为调节送料轮612与压线机构607的间隙，在压线盒613靠近压线机构607的一端面开有螺栓孔，并安装有弹簧603，弹簧603一端在压线盒613内与压线机构607相接触，另一端在压线盒613侧面的螺栓孔内并处于压缩状态，压线盒613装配有调节螺母602、圆垫片604，调节螺母602从压线盒613的螺栓孔内旋进推动圆垫片604，圆垫片604压缩弹簧603，进而弹簧603被压缩产生弹性力推动压线机构607移动，进行实现调节压线机构607的目的。通过调节螺母602改变送料轮612与压线机构607之间的间隙，来适用不同线径的耗材丝10。同时在压线盒613用以耗材丝10通过的端口处安装有辅助进丝件605，方便耗材丝10通过。由于紧定螺钉611安装在凹槽内，为方便调节紧定螺钉611，在压线盒613靠近送料轮612一端设置有辅助豁口614。

如图1、2、3、4、5所示具体实施例中，电机601带动送料轮612旋转，送料轮612靠摩擦力带动耗材丝10从辅助进丝孔进入，穿过送料轮612与压线机构607的间隙，从另一个辅助进丝孔穿出，进入保护软管5，保护软管5一端连接在送丝机构6的辅助进丝孔另一端与金属散热管11相连接，耗材丝10在送料轮612的推动下，从保护软管5穿过，进入金属散热管11，加热机构16对其加热，耗材丝10在高温条件熔化从喷嘴17喷出。同时机械臂装置200在控制芯片的控制下按照规划方案控制末端执行器9运动，末端执行器9同连接架14连接，喷嘴17固定在连接架14上，进而喷嘴17随着末端执行器9运动而运动，喷嘴17在运动的同时喷出耗材丝10液体，最终实现立体打印、快速成型的目的。

如图6所示的具体实施例中，一种用于三维打印机的控制方法，包括以下步骤：第10步，控制芯片对打印轮廓利用B样条曲线进行描述；第20步，喷嘴需要匀速运动，利用B样条理论知识，求出对应的下一插补点参数_u值，计算公式如下所示：

$\begin{array}{c}{u}_{i+1}=u_i+\frac{vTs}{\sqrt{X^{,2}\left(u\right)+Y^{,2}\left(u\right)++Z^{,2}\left(u\right)}}-\\ \frac{{\left(vTs\right)}^2\×\left(X^{,}\right(u\left)X^{,,}\right(u)+Y^{,}(u\left)Y^{,,}\right(u)++Z^{,}(u\left)Z^{,,}\right(u\left)\right)}{2{\left(X^{,2}\right(u)+Y^{,2}(u)++Z^{,2}(u\left)\right)}^2}\end{array}$

Ts是采样周期，V喷嘴的运动速度，u_i为上一插补点的参数值，X’(u)为样条曲线X坐标的一阶导数，Y’(u)为样条曲线Y坐标的一阶导数，Z’(u)为样条曲线Z坐标的一阶导数，X”(u)为样条曲线X坐标的二阶导数，Y”(u)为样条曲线Y坐标的二阶导数，Z”(u)为样条曲线Z坐标的二阶导数；

第30步，根据计算出的参数u，计算下一插补点坐标，即控制芯片控制打印机喷嘴需要运动到坐标位置，插补点坐标计算公式：

$P_l\left(u\right)=\left(\begin{array}{cccc}{p}_{l+0}& p_{l+1}& p_{l+2}& p_{l+3}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\frac{1}{6}*{(1-u)}^3\\ \frac{1}{6}*(3u^3-6u^2+4)\\ \frac{1}{2}{u}^2+\frac{1}{2}u-\frac{1}{2}{u}^3+\frac{1}{6}\\ \frac{1}{6}{u}^3\end{array}\right)$

其中：P₁(u)表示第1段样条曲线，p_1+i表示第1段曲线第i个控制点，u表示样条参数；

第40步，控制芯片根据每个采样周期内的插补点坐标，计算出需要对每个电机的发送脉冲数，控制电机旋转，机械臂装置末端执行器进行运动，带动喷嘴运动到指定位置，进行打印。

具体实施例中，第10步进一步包括以下步骤：

第101步，采集轮廓离散点信息包括X坐标、Y坐标、Z坐标信息，输入到控制芯片；

第102步，控制芯片确定节点向量：u＝{-3，-2，-1，0，1，2，3，4}；

第103步，控制芯片根据节点向量计算样条四个基函数，计算公式如下：

$N_{n,3}\left(u\right)=\frac{1}{3!}\underset{j=0}{\overset{3}{\Σ}}{(-1)}^j{C}_{3+i}^j{(u+3-n-j)}^p$

第104步，反算控制点，由于控制点比轮廓离散点多2个，假设控制点与轮廓离散点的始末端点重合，这样未知量就减少2个，就可以直接利用关系矩阵反算出控制点，控制点的反算公式：

T_i表示轮廓离散点信息组成的矢量，P_i表示控制点信息组成的矢量

第105步，计算样条曲线的导矢，样条曲线的一阶导数，二阶导数，计算公式分别如下所示：

其中：P₁(u)表示第1段样条曲线，p_1+i表示第1段曲线第i个控制点，u表示样条参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维打印机，其特征在于，包括送料装置(100)、机械臂装置(200)、打印执行装置(300)，送料装置(100)和机械臂装置(200)都固定在固定底板(20)上，打印执行装置(300)与机械臂装置(200)的末端执行器(9)相连接，送料装置(100)通过保护软管(5)与打印执行装置(300)相连接。

2.如权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述打印执行装置(300)包括连接架(14)、加热机构(16)、散热机构(18)、金属散热管(11)，连接架(14)通过螺钉固定在机械臂装置(200)的末端执行器(9)上，同时与加热机构(16)固定连接。

3.如权利要求2所述的三维打印机，其特征在于，所述末端执行器(9)中间位置设置有通孔，金属散热管(11)一端连接有保护软管(5)并穿过末端执行器(9)的通孔，另一端通过连接螺柱(13)固定在加热机构(16)上。

4.如权利要求3所述的三维打印机，其特征在于，所述连接螺柱(13)为中空外螺纹结构，一端通过螺纹配合连接金属散热管(11)另一端通过螺纹配合连接喷嘴(17)。

5.如权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述机械臂装置(200)设置有控制机构，控制机构包括控制芯片和显示屏。

6.如权利要求1所述的三维打印机，其特征在于，所述送料装置(100)包括绕线盘(1)、送丝机构(6)，耗材丝(10)一端缠绕在绕线盘(1)上，另一端通过送丝机构(6)送到打印执行装置(300)。

7.如权利要求6所述的三维打印机，其特征在于，所述送丝机构(6)包括压线盒(613)、送料轮(612)、压线机构(607)，压线盒(613)设置有用以放置送料轮(612)和压线机构(607)的凹槽，压线盒(613)一端与电机(601)相连接，电机(601)轴穿过压线盒(613)与送料轮(612)固定连接，所述送料轮(612)设置有用以实现电机(601)轴与送料轮(612)同步旋转的紧定螺钉(611)，送料轮(612)设置有齿结构，且齿轮的中间设置有用以定位耗材丝(10)的凹槽。

8.如权利要求6所述的三维打印机，其特征在于，所述压线机构(607)为月牙形中间位置安装有轴承，压线机构(607)固定在压线盒(613)凹槽内与送料轮(612)保持一定的间隔空隙，在压线盒(613)靠近压线机构(607)的一端面设置有调节螺母(602)。

9.如权利要求1～8任一所述的用于三维打印机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第10步，控制芯片对打印轮廓利用B样条曲线进行描述；第20步，喷嘴需要匀速运动，利用B样条理论知识，求出对应的下一插补点参数u值，计算公式如下所示：

Ts是采样周期，v喷嘴的运动速度，u_i为上一插补点的参数值，X’(u)为样条曲线X坐标的一阶导数，Y’(u)为样条曲线Y坐标的一阶导数，Z’(u)为样条曲线Z坐标的一阶导数，X”(u)为样条曲线X坐标的二阶导数，Y”(u)为样条曲线Y坐标的二阶导数，Z”(u)为样条曲线Z坐标的二阶导数；

第30步，根据计算出的参数u，计算下一插补点坐标，即控制芯片控制打印机喷嘴需要运动到坐标位置，插补点坐标计算公式：

$P_l\left(u\right)=\left(\begin{array}{cccc}{p}_{l+0}& p_{l+1}& p_{l+2}& p_{l+3}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\frac{1}{6}*{(1-u)}^3\\ \frac{1}{6}*(3u^3-6u^2+4)\\ \frac{1}{2}{u}^2+\frac{1}{2}u-\frac{1}{2}{u}^3+\frac{1}{6}\\ \frac{1}{6}{u}^3\end{array}\right)$

第40步，控制芯片根据每个采样周期内的插补点坐标，计算出需要对每个电机的发送脉冲数，控制电机旋转，机械臂装置末端执行器进行运动，带动喷嘴运动到指定位置，进行打印。

10.如权利要求9所述的用于三维打印机的控制方法，其特征在于，

第10步进一步包括以下步骤：

第101步，采集轮廓离散点，输入到控制芯片；

第102步，控制芯片确定节点向量：u＝{-3，-2，-1，0，1，2，3，4}；

第103步，控制芯片根据节点向量计算样条四个基函数，样条四个基函数，计算公式如下：

$N_{n,3}\left(u\right)=\frac{1}{3!}\underset{j=0}{\overset{3}{\Σ}}{(-1)}^j{C}_{3+i}^j{(u+3-n-j)}^p$

第104步，反算控制点，由于控制点比轮廓离散点多2个，假设控制点与轮廓离散点的始末端点重合，这样未知量就减少2个，就可以直接利用关系矩阵反算出控制点，控制点的反算公式：

T_i表示轮廓离散点矢量，P_i表示控制点矢量

第105步，计算样条曲线的导矢，样条曲线的一阶导数，二阶导数，计算公式分别如下所示：

其中：P₁(u)表示第1段样条曲线，p_1+i表示第1段曲线第i个控制点，u表示样条参数。