CN106476275A - 一种大幅面三维打印机打印平台调平方法及其调平系统 - Google Patents
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Abstract
一种大幅面三维打印机打印平台调平方法及其调平系统，打印平台固定不动，打印头和测距传感器受步进电机控制可以沿X、Y、Z三个垂直方向进行精确移动，打印头在垂直方向上受到直线电机控制可以实现Z方向伸缩，测距传感器用于测量打印平台和打印头之间的垂直距离，根据测量数据拟合出打印平台最高的理想水平面，所以在理想水平面和打印平台实际位置之间就形成了差体积；控制系统对差体积数据与模型数据结合，求构出补偿打印平台不水平度需要的部分，并通过控制打印头直线电机实现打印头的定量伸缩，以打印支撑的形式对补偿体积进行打印，从而弥补打印平台的不水平度。本发明省去了人工调节打印平台的步骤，大大减少平台调平的工作量。
Description
技术领域
本发明涉及一种大幅面三维打印机打印平台调平方法及其调平系统，该系统包括三维打印机机械结构零部件、结构运动控制部件及补偿调平方法，属于三维打印快速成型制造(快速增材制造技术)领域。
背景技术
三维打印俗称多种增材制造技术，区别于减材制造和等材制造技术，以三维模型数据为基础，采用逐层累加的方式来制造零件。如今，增材制造技术已经受到全球的广泛关注，主要是原因是该技术减少了传统制造过程中的零件图纸绘图、复杂工艺设计、模具制造等多个环节，由零件表面轮廓数据直接成型的离散-堆积方法打破了人们的设计思维，并又加工响应时间短，效率高，自动化集成度大，不再受传统加工方式的约束等优势，所以该技术广泛应用于消费品/电子、医疗、工业设备、交通运输、航天航空等行业。
目前，已经有多种成熟的工艺成型方式来支撑三维打印技术，例如选区激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)技术、选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLS)技术、光固化成型(Stereo Lithography Appearance，SLA)技术、熔融挤压成型技术(FusedDeposition Modeling，FDM)等。不同的成型工艺应用于不同的场合、适用于不同的材料、需要不同的成型条件。，例如SLS技术适用于非金属粉末成型，用高强度CO2激光作为能量源将粉末烧结在一起完成成型过程；SLM技术是采用高功率激光将金属粉末在无粘结剂的情况下实现冶金熔化，生成致密度接近铸件的零件；液态的光敏树脂是SLA技术的通用材料，光敏树脂在一定波长的紫外光照射下立刻引起聚合反应，完成固化成型工艺；FDM技术是在一定的加热容器中熔化热熔性材料，并按CAD分层数据控制的路径挤出沉积在指定的位置凝固成型。
可以看出，不同的成型工艺在设备需求、原料配置、成型条件等多个方面都有很大差异，但影响其打印精度或者能否打印成功有一个共同的条件：打印过程中打印平台必须保持一定精度范围内的水平。如果打印平台不能保持水平，在SLS技术和SLM技术实施过程中，打印平台有可能会与刮刀发生碰撞产生干涉；更严重的是在SLM技术打印件不能与打印平台进行牢靠粘连，导致打印失败。在FDM工艺实施过程中，如果打印平台不水平将导致打印头吐丝不均匀。当打印平台与打印头的距离过小时，打印头处于堵塞的状态不能顺利出丝；当打印平台与打印头的距离过大时，打印头挤出的丝材之间的结合力不够，不能正常完成成型工艺，甚至在打印基层时被挤出的丝材不能与打印平台粘接，直接导致打印失败。另外，当打印平台较大时，人工调节打印平台会非常费事，而且很难达到理想状态，调节打印平台的水平精度很难达到误差允许范围。
针对以上所述，本发明所设计的大幅面三维打印机打印平台调平方法及其调平系统主要针对成型幅面较大的FDM三维打印机，用测距传感器检测打印平台的安装状态，通过控制系统软件对打印状态进行分析处理，以补偿打印的方式省去打印平台的调节过程，整个过程无需人工干涉，规避了传统人工调节方法既费时又费力的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对大幅面FDM三维打印机的打印平台调平方法及调平系统，该系统由三维打印机机械结构、打印头运动控制部分及数据处理系统组成，该调平方法以测距传感器的实际测量数据为基础，以软件补偿算法为手段，从而免除了繁琐而复杂的打印平台调平过程。该方法首先利用测距传感器测量打印头和打印平台间的垂直距离，并反馈给数据处理系统，数据处理系统对测量数据进行处理，拟合出理想的打印平台水平面，将理想水平面数据与平台实际位置数据进行对比，结合要打印的实体构造出需要补偿打印的部分，通过补偿打印的过程实现实际打印平台的不水平度补偿，以达到同调节打印平台到实际水平位置相同的效果。
本发明是采用以下技术手段实现的：
三维打印机的机械结构部分包括打印平台、打印头、打印头运动用X向导轨、Y向导轨和Z向导轨组成，打印过程中打印平台固定不动，打印头沿X、Y、Z三个方向运动完成打印动作。打印头处的结构主要由直线电机、T型螺母、打印头上固定件、打印头下固定件、加热块、喉管、散热片组成；打印头可以在直线电机的驱动下在z方向上进行精确位移的伸缩运动。打印头运动控制部分有两个作用，第一是打印工作开始前首先控制打印头按照指定的路线运动，从而得到测量结果；第二个作用是控制打印头完成正常的打印工作；数据处理系统主要完成对测量数据的处理以完成打印前的打印平台水平度补偿工作。
在距离打印平台边角非常近的位置处分别标定为A、B、C、D点，调平过程首先使打印头按从A到B到C到D的指定路线运动，当打印头运动到标定点的正上方时，测距传感器接受控制系统发出的信号，测量打印头与打印平台之间的垂直距离。测距传感器将测量数据传递给数据处理系统，数据处理系统根据控制算法对数据进行处理。数据处理的结果是为了求得用于补偿打印平台不水平度的差体积，借助打印头的伸缩功能实现差体积的打印，最终实现打印平台的不水平度补偿，从而达到与机械调节打印平台到实际水平位置相同的效果。
此发明的打印平台不水平度补偿过程无需人工干涉，在一定程度上减少了人为原因造成的调节误差甚至调节不合格，同时提高了调节效率，在一定程度上缩短了打印时间，并且最终的补偿结果能够打印平台处于最佳的打印位置。
附图说明
图1是三维打印机机械结构及数据处理系统示意图；
图2是三维打印机打印头及其附件连接方式示意图；
图3是打印实体时打印平台不水平度求补偿过程示意图；
其中：1-X向导轨，2-直线电机，3-打印头安装上固定件，4-测距传感器，5-Z向导轨，6-打印头，7-Y向导轨，8-打印平台，9-平台固定件，10-数据处理系统，11-固定螺钉，12-T型螺母，13-打印头加热块，14-喉管，15-打印头安装下固定件，16-散热片
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
一种针对大幅面FDM三维打印机的打印平台调平系统，该系统由三维打印机机械结构、打印头运动控制部分及数据处理系统组成；三维打印机机械结构中，打印头与打印平台之间的距离通过测距传感器量测，测距传感器与数据处理系统连接，三维打印机机械结构中的打印头由打印头运动控制部分控制。
三维打印机机械结构部分如图1所示，三维打印机机械结构包括打印平台(8)、打印头(6)、X向导轨(1)、Y向导轨(7)和Z向导轨(5)组成，X向导轨(1)与打印平台(8)相平行，X向导轨(1)与Y向导轨(7)垂直，Z向导轨(5)与Y向导轨(7)垂直，两条Y向导轨(7)平行设置在打印平台(8)的两侧，X向导轨(1)、Y向导轨(7)和Z向导轨(5)共同组成打印头(6)的X、Y、Z三向调节结构，打印头(6)在直线电机的驱动下能够完成沿X、Y、Z三向运动；打印头(6)、测距传感器(4)均设置在X向导轨(1)上，打印头(6)与测距传感器(4)相平行；直线电机(2)安装在X向导轨(1)上，直线电机(2)的输出轴与打印头安装上固定件(3)通过固定螺钉(11)和T型螺母(12)相配合完成；打印头下固定件(15)与打印头安装上固定件(3)之间设有散热片(16)；喉管(14)与打印头下固定件(15)的底部连接，加热块(13)与喉管(14)连接，打印头(6)设置在加热块(13)的底部。打印头(6)能够在直线电机(2)的驱动下在Z方向上进行精确位移的伸缩运动。
一种大幅面三维打印机打印平台调平方法，在靠近打印平台(8)四个端点的位置处分别标定为A、B、C、D点，首先使打印头按从A到B到C到D的指定路线运动；当打印头移动到打印平台上标定点的正上方位置处时，测距传感器测量打印头与打印平台之间的垂直距离，以a、b、c、d分别表示，采集得到拟合打印平台理想水平面的数据基础。测距传感器的数据输出端与数据处理系统(10)中的控制器数据输入端相连，测距传感器将测量数据传递到控制器中，控制器根据控制算法对数据进行处理。
数据处理器首先判断四个测量值a、b、c、d之间的差值是否在平台允许的误差范围内，如果四个测量值之间的差值在打印平台允许的误差范围内，则不必经过补偿过程即可打印；如果四点测量值的差值大于调平误差所允许的范围，进一步求出四个测量值中的最小值。这里以a最小为例进行说明。当a最小的时候，根据前文所述A、B、C、D点为实际打印平台的边缘点，分别以(b-a)、(c-a)、(d-a)为长度在B、C、D点的垂直正上方建立点B’、C’、D’点，此时A、B’、C’、D’点所在的平面AB’C’D’即为拟合出的打印平台的理想水平面。这时，在打印平台理想水平面和打印平台实际平面之间形成了空间六面体，这里称之为打印平台实际位置与理想位置的差体积。
将差体积数据与实际打印工件相结合，求出在打印工件时对应位置的差体积，这部分体积即为补偿打印平台不水平度的补偿体积，对补偿体积进行打印即完成了打印平台的不水平度的补偿。过程如下：以打印工件V为例进行说明，如图3所示，打印工件V与打印平台理想水平面的交截面为L’，其中L’为已知截面，差体积六面体ABCD-AB’C’D’已经在上述过程中求得；根据截面L’和差体积六面体ABCD-AB’C’D’即可求得截面L’在打印平台实际位置上的投影L。而截面L’与L之间的截得差体积六面体ABCD-AB’C’D’的体积即为所求的补偿体积。
对数据完成处理后即可进行打印工作，打印过程首先根据补偿体积的数据对打印平台的不水平度进行补偿打印，接下来进行打印工件的实体打印。
对补偿体积的打印通过直线电机(2)驱动打印头的伸缩功能来实现，如图2所示。根据补偿体积的数据控制直线电机(2)的转动方向及速度，打印头与T型螺母链接，所以在直线电机(2)转动的同时，打印头实现了精确位移的伸缩运动，通过打印头的伸缩运动来实现补偿体积的打印，进而完成了打印平台不水平度的补偿。
在补偿后的打印平台基础上进行打印工件的打印实体工作。
以上对本发明所提供的一种针对大幅面三维打印机的打印平台调平方法及调平系统进行了详细介绍。本发明中应用了具体实例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种针对大幅面FDM三维打印机的打印平台调平系统，其特征在于：该系统由三维打印机机械结构、打印头运动控制部分及数据处理系统组成；三维打印机机械结构中，打印头与打印平台之间的距离通过测距传感器量测，测距传感器与数据处理系统连接，三维打印机机械结构中的打印头由打印头运动控制部分控制；
三维打印机机械结构包括打印平台(8)、打印头(6)、X向导轨(1)、Y向导轨(7)和Z向导轨(5)组成，X向导轨(1)与打印平台(8)相平行，X向导轨(1)与Y向导轨(7)垂直，Z向导轨(5)与Y向导轨(7)垂直，两条Y向导轨(7)平行设置在打印平台(8)的两侧，X向导轨(1)、Y向导轨(7)和Z向导轨(5)共同组成打印头(6)的X、Y、Z三向调节结构，打印头(6)在直线电机的驱动下能够完成沿X、Y、Z三向运动；打印头(6)、测距传感器(4)均设置在X向导轨(1)上，打印头(6)与测距传感器(4)相平行；直线电机(2)安装在X向导轨(1)上，直线电机(2)的输出轴与打印头安装上固定件(3)通过固定螺钉(11)和T型螺母(12)相配合完成；打印头下固定件(15)与打印头安装上固定件(3)之间设有散热片(16)；喉管(14)与打印头下固定件(15)的底部连接，加热块(13)与喉管(14)连接，打印头(6)设置在加热块(13)的底部；打印头(6)能够在直线电机(2)的驱动下在Z方向上进行精确位移的伸缩运动。
2.利用权利要求1所述系统进行的一种大幅面三维打印机打印平台调平方法，其特征在于：在靠近打印平台(8)四个端点的位置处分别标定为A、B、C、D点，首先使打印头按从A到B到C到D的指定路线运动；当打印头移动到打印平台上标定点的正上方位置处时，测距传感器测量打印头与打印平台之间的垂直距离，以a、b、c、d分别表示，采集得到拟合打印平台理想水平面的数据基础；测距传感器的数据输出端与数据处理系统(10)中的控制器数据输入端相连，测距传感器将测量数据传递到控制器中，控制器根据控制算法对数据进行处理；
数据处理器首先判断四个测量值a、b、c、d之间的差值是否在平台允许的误差范围内，如果四个测量值之间的差值在打印平台允许的误差范围内，则不必经过补偿过程即可打印；如果四点测量值的差值大于调平误差所允许的范围，进一步求出四个测量值中的最小值；当a最小的时候，根据前文所述A、B、C、D点为实际打印平台的边缘点，分别以(b-a)、(c-a)、(d-a)为长度在B、C、D点的垂直正上方建立点B’、C’、D’点，此时A、B’、C’、D’点所在的平面AB’C’D’即为拟合出的打印平台的理想水平面；这时，在打印平台理想水平面和打印平台实际平面之间形成了空间六面体，这里称之为打印平台实际位置与理想位置的差体积；
将差体积数据与实际打印工件相结合，求出在打印工件时对应位置的差体积，这部分体积即为补偿打印平台不水平度的补偿体积，对补偿体积进行打印即完成了打印平台的不水平度的补偿；过程如下：以打印工件V为例进行说明，打印工件V与打印平台理想水平面的交截面为L’，其中L’为已知截面，差体积六面体ABCD-AB’C’D’已经在上述过程中求得；根据截面L’和差体积六面体ABCD-AB’C’D’即可求得截面L’在打印平台实际位置上的投影L；而截面L’与L之间的截得差体积六面体ABCD-AB’C’D’的体积即为所求的补偿体积。
3.根据权利要求2所述的一种大幅面三维打印机打印平台调平方法，其特征在于：对数据完成处理后即可进行打印工作，打印过程首先根据补偿体积的数据对打印平台的不水平度进行补偿打印，接下来进行打印工件的实体打印。
4.根据权利要求2所述的一种大幅面三维打印机打印平台调平方法，其特征在于：对补偿体积的打印通过直线电机(2)驱动打印头的伸缩功能来实现；根据补偿体积的数据控制直线电机(2)的转动方向及速度，打印头与T型螺母链接，所以在直线电机(2)转动的同时，打印头实现了精确位移的伸缩运动，通过打印头的伸缩运动来实现补偿体积的打印，进而完成了打印平台不水平度的补偿。
5.根据权利要求2所述的一种大幅面三维打印机打印平台调平方法，其特征在于：在补偿后的打印平台基础上进行打印工件的打印实体工作。
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