CN105751518B - 一种fdm3d打印机及其自动调平打印方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FDM3D打印机及其自动调平打印方法和系统，所述打印方法包括：a、采集打印平台上3个点的坐标；b、通过3个点的坐标确定打印平台所在平面的法向量；c、通过打印平台所在平面的法向量与水平面的单位法向量计算两者的夹角向量；d、缓存GCODE文件并提取GCODE文件中点的三维坐标；e、根据夹角向量计算出GCODE文件中三维坐标的修正系数矩阵；f、将GCODE文件中点的三维坐标乘以修正系数矩阵后得到新的坐标，对该新的坐标进行坐标解码实现坐标补偿；g、将实现坐标补偿后的坐标输出进行打印，本发明具有传感器采点少，处理耗时短，算法精准度高，并可对调平后的打印路径进行平滑优化的优点。
Description
技术领域
本发明涉及3d打印平台调平技术领域，特别是涉及一种FDM3D打印机及其自动调平打印方法和系统。
背景技术
目前，FDM 3D打印机在搬运过程中会造成固定打印平台的几个螺丝松紧不一，导致打印平台与打印头运动平面不平行。若在这种情况下进行打印，将会影响打印质量，甚至损坏打印头。为了避免上述现象的发生，在安放好FDM 3D打印机后，须事先对打印平台进行调平，方可进行打印。
现有的调平的方式大体分为以下3种：
1、通过使用者手动依次调节几个固定打印平台的螺丝松紧度进行调平。这种调平方式需要凭借使用者的丰富经验才能够达到要求。且耗时耗力，非常繁琐；
2、改变机械结构，通过在打印平台安装电机进行自动调平。这种调平方式虽然对使用者的使用经验要求降低且省去了繁琐的手动调试环节，但机械成本高昂，故不实用；
3、不改变机械结构，仅改变电气结构，在挤出头附近固定能够测量挤出头与打印平台距离的接近传感器或光电传感器。在打印之前通过测量挤出头在X-Y水平坐标的几个给定点与打印平台的垂直距离作为输入变量，纳入控制底层软件的一套补偿算法中进行位置补偿调平。在打印过程中，由于纳入了一套算法，使得打印每一层的运动平面作适当倾斜，刚好倾斜到与当前的打印平台平行。
由于上述第3种方法机械结构基本无须改动，电气部分只须进行少量改动，因而机械成本与电子成本低廉，在实施起来具有很大的可行性。
目前，利用上述第3种方法实现的自动调平设备，如中国专利CN 105014958 A公开了一种3D打印机及其自动调平方法，其装置包括设置在3D打印机的打印机构同表面上的喷头、接近传感器，以及设置在3D打印机内与所述打印机构相连的一控制器；还公开了一种3D打印机自动调平方法，包括：(1)接收所述接近传感器传送的第一检测信号，控制打印平台停止上升；(2)控制所述接近传感器检测打印平台上多个预设检测点，获取相应多个第二检测信号；(3)根据每一第二检测信号获取相应检测点在以3D打印机的X、Y、Z轴为指定方向建立的空间直角坐标系中的空间坐标，获取打印平台倾斜角度和方向；(4)调整打印机构移动线路，实现自动调平。进一步地，还公开了采用最小二乘法对每一检测点所对应的空间坐标进行空间平面拟合，获取平面方程，进而获取打印平台倾斜角度和方向。但它仍然存在以下不足：
1、传感器需要对打印平台的多个预设检测点进行检测，获取多个检测信号，导致传感器采点过多，处理的过程耗时较长；
2、采用最小二乘法对每一检测点所对应的空间坐标进行空间平面拟合，获取平面方程，进而获取打印平台倾斜角度和方向，算法不够精准，甚至没有纳入一套完整的算法；
3、空间坐标点经过修正后没有纳入两个相邻空间坐标点的路径平滑补偿算法，导致打印的质量不好。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本发明目的在于提出一种FDM3D打印机及其自动调平打印方法和系统，以解决上述现有技术存在的传感器采点过多，处理耗时长，算法精准度不够，没有平滑优化的技术问题。
为此，本发明提出一种FDM3D打印机的自动调平打印方法，包括以下步骤：
a、采集打印平台上3个点的坐标；
b、通过所述3个点的坐标确定打印平台所在平面的法向量；
c、通过所述打印平台所在平面的法向量与水平面的单位法向量计算两者的夹角向量；
d、缓存GCODE文件并提取GCODE文件中点的三维坐标；
e、根据所述夹角向量计算出所述GCODE文件中所述三维坐标的修正系数矩阵；
f、将所述GCODE文件中点的三维坐标乘以所述修正系数矩阵后得到新的坐标，对该新的坐标进行坐标解码实现坐标补偿；
g、将所述实现坐标补偿后的坐标输出进行打印。
优选地，本发明的打印方法还可以具有如下技术特征：
还包括对打印路径进行平滑优化的步骤。
步骤a中，包括获取一水平面上任意3个点的三维坐标，将所述3个点投影到打印平台所在平面上获得对应的3个投影点的三维坐标。
步骤d中，所述提取GCODE文件中点的三维坐标是提取预生成的GCODE命令中至少一个点的三维坐标。
步骤e中，通过角度换算公式计算得到所述修正系数矩阵。
步骤f中：根据连续的至少4个点的三维坐标构建待修正坐标阵列；所述待修正坐标阵列乘以所述修正系数矩阵得到修正坐标阵列，将所述修正坐标阵列替换所述待修正坐标阵列作为打印解码的参考坐标阵列，以实现坐标补偿。
所述平滑优化包括提取所述参考坐标阵列中连续的3个点，所述连续的3个点的第一点与第二点间具有第一中点，所述第二点与第三点间具有第二中点，所述第一点与第一中点间构成第一段路径，所述第一中点与所述第二点间构成第二段路径，所述第二点与所述第二中点间构成第三段路径，所述第二中点与第三点间构成第四段路径，对所述第一段路径和所述第三段路径采取运动加速，对所述第二段路径和所述第四段路径采取运动减速，所述平滑优化采用如下步骤：
S1、所述第一点与所述第二点连线为第一直线，所述第二点与所述第三点连线为第二直线，计算所述第一直线与所述第二直线的夹角；
S2、根据所述夹角和加速度函数计算运动加速度；
S3、将所述运动加速度纳入至所述第一段路径、第二段路径、第三段路径和第四段路径的运动控制之中。
此外，本发明还提出了一种FDM3D打印机的自动调平打印系统，包括：
a、坐标采集单元，用于采集打印平台上3个点的坐标；
b、法向量确定单元，通过所述3个点的坐标确定打印平台所在平面的法向量；
c、夹角向量确定单元，通过所述打印平台所在平面的法向量与水平面的单位法向量计算两者的夹角向量；
d、GCODE文件缓存及三维坐标提取单元，用于缓存GCODE文件并提取GCODE文件中点的三维坐标；
e、修正系数矩阵计算单元，根据所述夹角向量计算出所述GCODE文件中所述三维坐标的修正系数矩阵；
f、坐标补偿单元，用于将所述GCODE文件中点的三维坐标乘以所述修正系数矩阵后得到新的坐标，对该新的坐标进行坐标解码实现坐标补偿；
g、补偿后的坐标输出单元，用于将所述实现坐标补偿后的坐标输出进行打印。
优选地，本发明提出的打印系统还包括以下技术特征：
还包括对打印路径进行平滑优化的平滑优化单元。
同时，本发明还提出了一种具有自动调平功能的FDM3D打印机，包括主机架、打印头、打印平台、位移调节机构、送料机构和控制器，打印头上设有用于采点的传感器，还设有分别与所述控制器和所述传感器相连接的如上所述的自动调平打印系统。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：本发明中，自动调平的过程仅采集了打印平台上3个点的坐标，后续的调平算法均利用该3个点的坐标以实现打印平台的调平补偿计算，不同于现有技术中需要采集3个以上的点进行调平计算，由于本发明仅仅只需采集3个点的坐标，可提高3d打印调平的效率，减小耗时，同时本发明的调平算法采用根据所述打印平台法向量和所述单位法向量计算夹角向量，根据所述夹角向量计算三维坐标的修正系数矩阵，将所述GCODE文件中点的三维坐标乘以所述修正系数矩阵后得到新的坐标，以实现对三维坐标的调平补偿的方法，相比而言，本发明比采用最小二乘法进行拟合坐标系的方式具有更高的精确度，调平更为准确，算法也具有较高的易处理性。
优选方案中，由于采用对打印路径进行平滑优化因而能够让预设的GCODE命令中连续的点在调平补偿后，使得各连续的点之间的路径在打印时做到尽可能平滑，从而具有打印的产品质量更为优异的进一步的技术效果。
进一步地，在提取GCODE文件中点的三维坐标时，为提取预生成的GCODE命令中至少一个点的三维坐标，可以对一个、两个以上乃至所有的三维坐标进行调平补偿，具有极高的处理效率。
进一步地，所述修正系数矩阵为通过角度换算公式计算得到的，提高了算法的精准度。
进一步地，所述平滑优化通过将连续的3个点之间划分4个打印路径，对各段路径交替采用运动加速或运动减速的运动控制方法，其运动加速度采用计算三点间直线夹角，结合加速度函数获得，已完成平滑优化，平滑优化效果好。
此外，本发明提出的FDM3D打印机的自动调平打印系统，结合上述方法提出了相适应的单元，实现了点的采集，文件的缓存与提取，向量的计算，调平补偿等功能。
同时，本发明提出的具有自动调平功能的FDM3D打印机，结合上述方法和系统提出相适应的机构，实现了自动调平功能。
附图说明
图1是本发明具体实施方式一的调平方法的流程图；
图2是本发明具体实施方式一的平滑优化的流程图；
图3是本发明具体实施方式一的打印系统的结构图。
1-坐标采集单元，2-法向量确定单元，3-夹角向量确定单元，4-GCODE文件缓存及三维坐标提取单元，5-修正系数矩阵计算单元，6-坐标补偿单元，7-补偿后的坐标输出单元，8-平滑优化单元。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。
实施例一：
如图1-3所示，本实施例提供了一种用于FDM3D打印机的自动调平打印方法，包括以下步骤：
a、采集打印平台上3个点的坐标；
b、通过所述3个点的坐标确定打印平台所在平面的法向量；
c、通过所述打印平台所在平面的法向量与水平面的单位法向量计算两者的夹角向量；
d、缓存GCODE文件并提取GCODE文件中点的三维坐标；
e、根据所述夹角向量计算出所述GCODE文件中所述三维坐标的修正系数矩阵；
f、将所述GCODE文件中点的三维坐标乘以所述修正系数矩阵后得到新的坐标，对该新的坐标进行坐标解码实现坐标补偿；
g、将所述实现坐标补偿后的坐标输出进行打印。
所述步骤a中，包括获取一水平面上任意3个点的三维坐标，将所述3个点投影到打印平台所在平面上获得对应的3个投影点的三维坐标。
所述步骤d中，所述提取GCODE文件中点的三维坐标是提取预生成的GCODE命令中至少一个点的三维坐标。
所述步骤e中，通过角度换算公式计算得到所述修正系数矩阵。
所述步骤f中：根据所述至少一个点的三维坐标构建待修正坐标阵列；所述待修正坐标阵列乘以所述修正系数矩阵得到修正坐标阵列，将所述修正坐标阵列替换所述待修正坐标阵列作为打印解码的参考坐标阵列，即可实现坐标补偿。
本实施例中，还包括对打印路径进行平滑优化的步骤。
所述平滑优化包括提取所述参考坐标阵列中连续的3个点，所述连续的3个点的第一点与第二点间具有第一中点，所述第二点与第三点间具有第二中点，所述第一点与第一中点间构成第一段路径，所述第一中点与所述第二点间构成第二段路径，所述第二点与所述第二中点间构成第三段路径，所述第二中点与第三点间构成第四段路径，对所述第一段路径和所述第三段路径采取运动加速，对所述第二段路径和所述第四段路径采取运动减速，所述平滑优化采用如下步骤：
S1、所述第一点与所述第二点连线为第一直线，所述第二点与所述第三点连线为第二直线，计算所述第一直线与所述第二直线的夹角；
S2、根据所述夹角和加速度函数计算运动加速度；
S3、将所述运动加速度纳入至所述第一段路径、第二段路径、第三段路径和第四段路径的运动控制之中。
此外，本实施例还提出了一种FDM3D打印机的自动调平打印系统，包括：
a、坐标采集单元1，用于采集打印平台上3个点的坐标；
b、法向量确定单元2，通过所述3个点的坐标确定打印平台所在平面的法向量；
c、夹角向量确定单元3，通过所述打印平台所在平面的法向量与水平面的单位法向量计算两者的夹角向量；
d、GCODE文件缓存及三维坐标提取单元4，用于缓存GCODE文件并提取GCODE文件中点的三维坐标；
e、修正系数矩阵计算单元5，根据所述夹角向量计算出所述GCODE文件中所述三维坐标的修正系数矩阵；
f、坐标补偿单元6，用于将所述GCODE文件中点的三维坐标乘以所述修正系数矩阵后得到新的坐标，对该新的坐标进行坐标解码实现坐标补偿；
g、补偿后的坐标输出单元7，用于将所述实现坐标补偿后的坐标输出进行打印。
本实施例的打印系统还包括对打印路径进行平滑优化的平滑优化单元8。
同时，本实施例中还提出一种具有自动调平功能的FDM3D打印机，包括主机架、打印头、打印平台、位移调节机构、送料机构和控制器，打印头上设有用于采点的传感器，还设有分别与所述控制器和所述传感器相连接的如上所述的自动调平打印系统，本实施例的传感器为接近传感器，当然本领域的技术人员还可以采用光电传感器来替换接近传感器，只要能满足点的采集即可。
本实施例中，利用自动调平装置的设于所述打印头上的接近传感器来采集点，本实施例中步骤a中，利用坐标采集单元1并通过打印头驱动接近传感器在水平面上任意采3个点，其坐标分别为A'(Xa,Ya,Za)、B'(Xb,Yb,Za)和C'(Xc,Yc,Za)，然后再通过打印头驱动所述接近传感器沿Z轴方向向下运动，将3个点投影到打印平台上，以确定打印平台上3个点的空间坐标A(Xa,Ya,Za)、B(Xb,Yb,Zb)、C(Xc,Yc,Zc)。
本实施例的步骤b中，法向量确定单元2通过所述3个点的坐标确定打印平台所在平面的法向量具体为：
其中，和分别代表A点到B点的向量和A点到C点的向量；法向量由两者相乘，通过等号最右侧的行列式即可求出。
本实施例中步骤c，夹角向量确定单元3并通过所述打印平台所在平面的法向量与水平面的单位法向量计算两者的夹角向量，具体为：
令水平面的单位法向量所在的直角坐标系为XYZO，令法向量所在空间直角坐标系为X'Y'Z'O，将X'Y'Z'O看作是XYZO经过绕X轴旋转角度α，绕Y轴旋转角度β，绕Z轴旋转角度γ后得出。已知法向量而水平面的单位法向量为(0 0 1)T，则可求得两个法向量所在的两个不同空间直角坐标系的的旋转角向量(α β γ)T，α、β根据和单位法向量即可求得，γ可任意取值，无论取何值都可实现自动调平打印，但调平后打出来的方向随着γ的取值不同而不同。为简化起见，通常将γ取值为0，此时在实现自动调平打印的前提下，模型不会绕Z轴旋转。
本实施例中，步骤d中，GCODE文件缓存及三维坐标提取单元4，缓存GCODE文件并提取GCODE文件中点的三维坐标，具体为：缓存来自SD卡或后台(上位机或服务器)的GCODE文件；提取GCODE文件中包含切片文件至少4个点的三维坐标(这里仅是举例，提取GCODE文件中包含切片文件一个或两个以上乃至全部点的三维坐标均可实现发明目的)。
本实施例中，步骤e中，修正系数矩阵计算单元5，根据所述夹角向量计算出所述GCODE文件中所述三维坐标的修正系数矩阵，具体为：
I、通过多刚体系统运动学与动力学中的角度换算公式，以下等式成立：
其中，fjk(α,β,λ)(j＝1,2,3；k＝1,2,3)为9个与α、β、γ形成特定三角关系的函数，均为定值，代表修正前的某个原始坐标点，代表修正后的新坐标点；代表修正系数矩阵，其中γ取值为0。
II、根据步骤c中的夹角向量，可以求得修正系数矩阵MT：
III、本实施例中，为了便于计算，设打印平台沿X轴旋转15°夹角，即α＝15°，沿着Y轴旋转-10°夹角，即β＝-10°，将α＝15°，β＝-10°代入MT中，经计算得：
本实施例的步骤f中，坐标补偿单元6，将所述GCODE文件中点的三维坐标乘以所述修正系数矩阵后得到新的坐标，对该新的坐标进行坐标解码即可实现坐标补偿，具体的为：根据连续的4个点的三维坐标构建待修正坐标阵列；所述待修正坐标阵列乘以所述修正系数矩阵得到修正坐标阵列，将所述修正坐标阵列替换所述待修正坐标阵列作为打印解码的参考坐标阵列，即可实现坐标补偿。
其中设GCODE中连续4个点的G1命令如下：
第i个点：G1 X 108.93 Y 92.51 E 0.96399。
第i+1个点：G1 X 109.55 Y 93.31 E 1.01473。
第i+2个点：G1 X 110.10 Y 94.17 E 1.06553。
第i+3个点：G1 X 110.56 Y 95.07 E 1.11616。
并且，这4个点在同一个Z平面，Z此时的坐标为0。其中，G1指令在GCODE中指明了用于路径规划的坐标点，X、Y分别表示当前X、Y的坐标，E表示当前进料电机的进给料。
由此，可推断出这4个点的坐标矩阵对应的待修正坐标阵列为：
则GCODE变量中，第i～i+3个点经换算后的修正坐标阵列与换算前的修正坐标阵列的变换关系如下：
利用补偿后的坐标输出单元7，本实施例中的自动调平装置的控制器在执行GCODE解码程序时，将修正后的空间坐标阵列替换原GCODE中的空间坐标阵列作为打印解码的参考坐标阵列即可。
利用平滑优化单元8，在上述参考坐标阵列中，还要通过一套平滑算法来实现以下三段路径的平滑优化：
包括提取所述参考坐标阵列中连续的3个点，所述连续的3个点的第一点与第二点间具有第一中点，所述第二点与第三点间具有第二中点，所述第一点与第一中点间构成第一段路径，所述第一中点与所述第二点间构成第二段路径，所述第二点与所述第二中点间构成第三段路径，所述第二中点与第三点间构成第四段路径，对所述第一段路径和所述第三段路径采取运动加速，对所述第二段路径和所述第四段路径采取运动减速，所述平滑优化采用如下步骤：
S1、所述第一点与所述第二点连线为第一直线，所述第二点与所述第三点连线为第二直线，计算所述第一直线与所述第二直线的夹角；
S2、根据所述夹角和加速度函数计算运动加速度；
S3、将所述运动加速度纳入至所述第一段路径、第二段路径、第三段路径和第四段路径的运动控制之中。
本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。
Claims (10)
1.一种FDM3D打印机的自动调平打印方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、采集打印平台上3个点的坐标；
b、通过所述3个点的坐标确定打印平台所在平面的法向量；
c、通过所述打印平台所在平面的法向量与水平面的单位法向量计算两者的夹角向量；
d、缓存GCODE文件并提取GCODE文件中点的三维坐标；
e、根据所述夹角向量计算出所述GCODE文件中所述三维坐标的修正系数矩阵；
f、将所述GCODE文件中点的三维坐标乘以所述修正系数矩阵后得到新的坐标，对该新的坐标进行坐标解码实现坐标补偿；
g、将所述实现坐标补偿后的坐标输出进行打印。
2.如权利要求1所述的FDM3D打印机的自动调平打印方法，其特征在于：还包括对打印路径进行平滑优化的步骤。
3.如权利要求2所述的FDM3D打印机的自动调平打印方法，其特征在于，步骤a中，包括获取一水平面上任意3个点的三维坐标，将所述3个点投影到打印平台所在平面上获得对应的3个投影点的三维坐标。
4.如权利要求3所述的FDM3D打印机的自动调平打印方法，其特征在于，步骤d中，所述提取GCODE文件中点的三维坐标是提取预生成的GCODE命令中至少一个点的三维坐标。
5.如权利要求4所述的FDM3D打印机的自动调平打印方法，其特征在于：步骤e中，通过角度换算公式计算得到所述修正系数矩阵。
6.如权利要求5所述的FDM3D打印机的自动调平打印方法，其特征在于，步骤f中：根据连续的至少4个点的三维坐标构建待修正坐标阵列；所述待修正坐标阵列乘以所述修正系数矩阵得到修正坐标阵列，将所述修正坐标阵列替换所述待修正坐标阵列作为打印解码的参考坐标阵列，以实现坐标补偿。
7.如权利要求6所述的FDM3D打印机的自动调平打印方法，其特征在于，所述平滑优化包括提取所述参考坐标阵列中连续的3个点，所述连续的3个点的第一点与第二点间具有第一中点，所述第二点与第三点间具有第二中点，所述第一点与第一中点间构成第一段路径，所述第一中点与所述第二点间构成第二段路径，所述第二点与所述第二中点间构成第三段路径，所述第二中点与第三点间构成第四段路径，对所述第一段路径和所述第三段路径采取运动加速，对所述第二段路径和所述第四段路径采取运动减速，所述平滑优化采用如下步骤：
S1、所述第一点与所述第二点连线为第一直线，所述第二点与所述第三点连线为第二直线，计算所述第一直线与所述第二直线的夹角；
S2、根据所述夹角和加速度函数计算运动加速度；
S3、将所述运动加速度纳入至所述第一段路径、第二段路径、第三段路径和第四段路径的运动控制之中。
8.一种FDM3D打印机的自动调平打印系统，其特征在于包括：
a、坐标采集单元，用于采集打印平台上3个点的坐标；
b、法向量确定单元，通过所述3个点的坐标确定打印平台所在平面的法向量；
c、夹角向量确定单元，通过所述打印平台所在平面的法向量与水平面的单位法向量计算两者的夹角向量；
d、GCODE文件缓存及三维坐标提取单元，用于缓存GCODE文件并提取GCODE文件中点的三维坐标；
e、修正系数矩阵计算单元，根据所述夹角向量计算出所述GCODE文件中所述三维坐标的修正系数矩阵；
f、坐标补偿单元，用于将所述GCODE文件中点的三维坐标乘以所述修正系数矩阵后得到新的坐标，对该新的坐标进行坐标解码实现坐标补偿；
g、补偿后的坐标输出单元，用于将所述实现坐标补偿后的坐标输出进行打印。
9.如权利要求8所述的FDM3D打印机的自动调平打印系统，其特征在于：还包括对打印路径进行平滑优化的平滑优化单元。
10.一种具有自动调平功能的FDM3D打印机，包括主机架、打印头、打印平台、位移调节机构、送料机构和控制器，其特征在于，打印头上设有用于采点的传感器，还设有分别与所述控制器和所述传感器相连接的如权利要求8或9所述的自动调平打印系统。
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