CN107229430A - 一种应用于3d打印的自动调平方法及其调平设备 - Google Patents

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Abstract

一种应用于3D打印的自动调平方法，包括：获取打印平台上的一个基准点与四个补偿点的三维坐标值；依据所述基准点及四个补偿点分别构建基准平面与拟合平面；计算拟合平面相对于基准平面的补偿值；依据所述补偿值调整打印头z轴高度进行打印。本申请有效降低了3D打印的误差。

Description

一种应用于3D打印的自动调平方法及其调平设备
技术领域
本申请涉及3D打印领域，尤其涉及一种应用于3D打印的自动调平方法及使用该算法的调谐方法。
背景技术
3D打印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。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，该技术已应用于珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支等领域。
3D打印是通过打印头逐层在打印平台上进行打印，每打印完一层，打印平台在Z轴方向向下移动一层，所述打印头再进行下一层的打印。但在打印设备中，所述打印平台并不能完全保证处于标准水平面上，而会产生倾斜的误差，打印头则始终以标准水平面为Z轴零点并在XY平面进行打印，如此，打印出来的产品会在存在一定的误差，影响最终产品的品质。
发明内容
本申请实施例提供一种应用于3D打印的自动调平方法及其调平设备，用以解决现有技术中打印平台倾斜导致打印误差较大的问题。
本申请实施例采用下述技术方案：
一种应用于3D打印的自动调平方法，包括：
获取打印平台上的一个基准点与四个补偿点的三维坐标值；
依据所述基准点及四个补偿点分别构建基准平面与拟合平面；
计算拟合平面相对于基准平面的补偿值；
依据所述补偿值调整打印头z轴高度进行打印。
优选地，获取打印平台上的一个基准点与四个补偿点的三维坐标值，包括：
检测基准点在z轴方向的距离，设该距离为H，建立以基准点为零点的三维坐标系xyz，则基准点的坐标值为(x0,y0,z0)；
检测四个补偿点在z轴方向的距离，设四个补偿点在z轴方向的距离为H1-H4，则基准点在z轴方向的距离H分别减去四个补偿点在z轴方向的距离H1-H4获得四个补偿点z轴的坐标值，打印平台上的四个补偿点x、y轴的坐标值是已知的，则四个补偿点的坐标值分别为：(x1,y1,H-H1)、(x2,y2,H-H2)、(x3,y3,H-H3)(x4,y4,H-H4)。
优选地，依据所述基准点及四个补偿点分别构建基准平面与拟合平面，包括：
依据坐标系的xy轴定义的平面及基准点建立基准平面，所述基准平面平行于xy轴定义的平面并经过基准点，设该基准平面的方程式为：A0x+B0y+C0z+D0＝0，变换得到：z＝(A0x+B0y+D0)/-C0；
利用四个补偿点的坐标值通过平面最小二乘估计法得到一个拟合平面，设该拟合平面的方程式为A1x+B1y+C1z+D1＝0，变换得到：z＝(A1x+B1y+D1)/-C1。
优选地，计算拟合平面相对于基准平面的补偿值，包括：
获取各打印点在xy平面的坐标值，设各打印点在xy平面的z轴坐标为Z0；
将各打印点xy平面的坐标值代入拟合平面的方程式z＝(A1x+B1y+D1)/-C1得到该打印点的Z轴的真实值Z1；
将各打印点(x,y,z)在Z轴的真实值Z1减去基准值Z0即得到打印头需要补偿的误差值G＝Z1-Z0。
优选地，依据所述补偿值调整打印头z轴高度进行打印，包括：
将对应打印点的补偿值输出给打印头控制系统；
打印头控制系统调整打印头z轴方向的高度后进行打印作业。
一种应用于3D打印的自动调平系统，包括：
打印平台；
打印头，用于喷出打印材料；
检测单元，用于检测一个基准点与四个补偿点的三维坐标值；
计算控制单元，用于依据所述一个基准点与四个补偿点构建基准平面与拟合平面，再依据拟合平面的方程式计算出各打印点补偿值。
优选地，检测单元，用于检测一个基准点与四个补偿点的三维坐标值，包括：
检测基准点在z轴方向的距离，设该距离为H，建立以基准点为零点的三维坐标系xyz，则基准点的坐标值为(x0,y0,z0)；
检测四个补偿点在z轴方向的距离，设四个补偿点在z轴方向的距离为H1-H4，则基准点在z轴方向的距离H分别减去四个补偿点在z轴方向的距离H1-H4获得四个补偿点z轴的坐标值，打印平台上的四个补偿点x、y轴的坐标值是已知的，则四个补偿点的坐标值分别为：(x1,y1,H-H1)、(x2,y2,H-H2)、(x3,y3,H-H3)(x4,y4,H-H4)。
优选地，计算控制单元，用于依据所述一个基准点与四个补偿点构建基准平面与拟合平面，再依据拟合平面的方程式计算出各打印点补偿值，包括：
依据坐标系的xy轴定义的平面及基准点建立基准平面，所述基准平面平行于xy轴定义的平面并经过基准点，设该基准平面的方程式为：A0x+B0y+C0z+D0＝0，变换得到：z＝(A0x+B0y+D0)/-C0；
利用四个补偿点的坐标值通过平面最小二乘估计法得到一个拟合平面，设该拟合平面的方程式为A1x+B1y+C1z+D1＝0，变换得到：z＝(A1x+B1y+D1)/-C1；
获取各打印点在xy平面的坐标值，设各打印点在xy平面的z轴坐标为Z0；
将各打印点xy平面的坐标值代入拟合平面的方程式z＝(A1x+B1y+D1)/-C1得到该打印点的Z轴的真实值Z1；
将各打印点(x,y,z)在Z轴的真实值Z1减去基准值Z0即得到打印头需要补偿的误差值G＝Z1-Z0。
优选地，所述打印头包括挤出头固定架、安装于所述挤出头固定架下端的挤出头、及设于所述挤出头底端的喷嘴。
优选地，所述检测单元包括安装于所述打印头上的电磁铁、支点、可转动地安装于所述支点上且一端连接所述电磁铁的旋转臂、及安装于所述旋转臂另一端部的轻触开关。
本申请通过在打印头上设置检测单元，在打印平台上选择一个基准点与四个补偿点以构架一个基准平面与一个拟合平面，所述基准平面表示系统预定的打印平面，而所述拟合平面表示打印平台真实的位置，再通过计算各打印点的拟合平面与基准平面之间在z轴上的差值得到打印头需要的补偿值，将所述补偿值输入计算控制单元以调整打印头在z轴上的位置进行补偿，解决了现有技术中3D打印误差大的问题，实现3D打印的3轴联动。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请应用于3D打印的自动调平系统的打印台俯视图；
图2为本申请应用于3D打印的自动调平方法构建平面的示意图；
图3为本申请应用于3D打印的自动调平系统的打印头剖视图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
实施例1
本申请应用于3D打印的自动调平方法是指先构建基准平面与打印平台的拟合平面，拟合平面即是打印平台的真实平面，而后，再通过一定的算法计算真实平面各点位置与基准平面之间的误差值，从而得出打印头在z轴上需要的补偿值。包括如下步骤：
S11：获取打印平台上的一个基准点与四个补偿点的三维坐标值。
如图1所示，本步骤是指通过设于打印头上的检测单元检测出打印平台上一个基准点与四个补偿点的三维坐标值，该检测单元具体为轻触开关或者光检测仪器。包括：
检测单元确定基准点，检测基准点在z轴方向的距离，设该距离为H，建立以基准点为零点的三维坐标系xyz，则基准点的坐标值为(x0,y0,z0)；所述基准点位于所述打印平台的中心位置；
检测单元再次选取除基准点外的四个点作为补偿点，检测四个补偿点在z轴方向的距离，设四个补偿点在z轴方向的距离为H1-H4，则基准点在z轴方向的距离H分别减去四个补偿点在z轴方向的距离H1-H4获得四个补偿点z轴的坐标值，打印平台上的四个补偿点x、y轴的坐标值是已知的，则四个补偿点的坐标值分别为：(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)(x4,y4,z4)。
S12：依据所述基准点构建基准平面。
如图2所示，本步骤是指依据坐标系的xy轴定义的平面及基准点建立基准平面，所述基准平面平行于xy轴定义的平面并经过基准点。设该基准平面的方程式为：A0x+B0y+C0z+D0＝0，变换得到：z＝(A0x+B0y+D0)/-C0。
S13：依据四个补偿点构建拟合平面。
本步骤利用四个补偿点的坐标值通过平面最小二乘估计法得到一个拟合平面。设该拟合平面的方程式为A1x+B1y+C1z+D1＝0，变换得到：z＝(A1x+B1y+D1)/-C1。
S14：计算拟合平面相对于基准平面的补偿值。
如图2所示，当3D打印的打印头在真实的拟合平面进行打印时，因为拟合平面与基准平面之间存在一定的误差值，所以需要计算出拟合平面上各打印点相对于基准平面之间在z轴上的差值。包括：
当打印头打印至系统设定的打印点(x,y,z)时，将该打印点的x,y轴的坐标值代入基准平面的方程式z＝(A0x+B0y+D0)/-C0得到该打印点的Z轴的基准值Z0；
再将该打印点(x,y,z)的x,y轴的坐标值代入拟合平面的方程式z＝(A1x+B1y+D1)/-C1得到该打印点的Z轴的真实值Z1；
将该打印点(x,y,z)在Z轴的真实值Z1减去基准值Z0即得到打印头需要补偿的误差值G＝Z1-Z0。
依上述方法，可计算出拟合平面上所有打印点的补偿值，并将所有打印点上的补偿值建立对应的映射表。而后依据所述映射表进行打印。
在具体实施方式中，所述打印点z轴的基准值可以是已知的，即基准平面的z轴值为零，仅需将x,y坐标值代入拟合平面方程式计算出补偿值G即可。
S15：依据所述补偿值调整打印头z轴高度进行打印。
本步骤是指将打印点(x,y,z)的补偿值G输入系统，系统依据补偿值G调整打印头再z轴方向的高度后，以拟合平面为基准进行打印。
实施例2
如图1、图3所示，本申请应用于3D打印的自动调平系统包括打印平台10、用于喷射打印材料的打印头20、检测单元30、计算控制单元(未图示)。所述检测单元30安装于所述打印头20上，所述打印头20包括挤出头固定架21、安装于所述挤出头固定架21下端的挤出头22、及设于所述挤出头22底端的喷嘴23。所述检测单元30包括安装于所述打印头22上的电磁铁31、支点32、可转动地安装于所述支点32上且一端连接所述电磁铁31的旋转臂33、及安装于所述旋转臂33另一端部的轻触开关34。在调平检测时，所述电磁铁21通电，所述检测单元30的轻触开关34a被放下并在所述打印平台10进行检测；在非调平检测状态时，所述电磁铁21断电，所述检测单元30的轻触开关34b被复位，此时，所述轻触开关34b高于所述喷嘴23。
所述检测单元30用于获取打印平台10上的一个基准点与四个补偿点的三维坐标值。
如图1所示，设于打印头上的检测单元检30测出打印平台10上的一个基准点与四个补偿点的三维坐标值，该检测单元具体为轻触开关或者光检测仪器。包括：
检测单元确定基准点，检测基准点在z轴方向的距离，设该距离为H，建立以基准点为零点的三维坐标系xyz，则基准点的坐标值为(x0,y0,z0)；所述基准点位于所述打印平台的中心位置；
检测单元再次选取除基准点外的四个点作为补偿点，检测四个补偿点在z轴方向的距离，设四个补偿点在z轴方向的距离为H1-H4，则基准点在z轴方向的距离H分别减去四个补偿点在z轴方向的距离H1-H4获得四个补偿点z轴的坐标值，打印平台上的四个补偿点x、y轴的坐标值是已知的，则四个补偿点的坐标值分别为：(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)(x4,y4,z4)。
所述计算控制单元依据所述基准点与四个补偿点的坐标值建立基准平面与拟合平面。首先，依据坐标系的xy轴定义的平面及基准点建立基准平面，所述基准平面平行于xy轴定义的平面并经过基准点。设该基准平面的方程式为：A0x+B0y+C0z+D0＝0，变换得到：z＝(A0x+B0y+D0)/-C0。
再依据四个补偿点的坐标值构建通过平面最小二乘估计法得到一个拟合平面。设该拟合平面的方程式为A1x+B1y+C1z+D1＝0，变换得到：z＝(A1x+B1y+D1)/-C1。
所述计算控制单元还用于计算拟合平面相对于基准平面的补偿值，当3D打印的打印头在真实的拟合平面进行打印时，因为拟合平面与基准平面之间存在一定的误差值，所以需要计算出拟合平面上各打印点相对于基准平面之间在z轴上的差值。包括：
当打印头打印至系统设定的打印点(x,y,z)时，将该打印点的x,y轴的坐标值代入基准平面的方程式z＝(A0x+B0y+D0)/-C0得到该打印点的Z轴的基准值Z0；
再将该打印点(x,y,z)的x,y轴的坐标值代入拟合平面的方程式z＝(A1x+B1y+D1)/-C1得到该打印点的Z轴的真实值Z1；
将该打印点(x,y,z)在Z轴的真实值Z1减去基准值Z0即得到打印头需要补偿的误差值G＝Z1-Z0。
依上述方法，可计算出拟合平面上所有打印点的补偿值，并将所有打印点上的补偿值建立对应的映射表。而后依据所述映射表进行打印。
在具体实施方式中，所述打印点z轴的基准值可以是已知的，即基准平面的z轴值为零，仅需将x,y坐标值代入拟合平面方程式计算出补偿值G即可。
所述计算控制单元依据所述补偿值调整打印头z轴高度进行打印，计算控制单元先指将打印点(x,y,z)的补偿值G输入系统，系统依据补偿值G调整打印头再z轴方向的高度后，以拟合平面为基准进行打印。
本申请通过在打印头上设置检测单元，在打印平台上选择一个基准点与四个补偿点以构架一个基准平面与一个拟合平面，所述基准平面表示系统预定的打印平面，而所述拟合平面表示打印平台真实的位置，再通过计算各打印点的拟合平面与基准平面之间在z轴上的差值得到打印头需要的补偿值，将所述补偿值输入计算控制单元以调整打印头在z轴上的位置进行补偿，解决了现有技术中3D打印误差大的问题，实现3D打印的3轴联动。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程对象聚类设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程对象聚类设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程对象聚类设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程对象聚类设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于3D打印的自动调平方法，其特征在于，包括：
获取打印平台上的一个基准点与四个补偿点的三维坐标值；
依据所述基准点及四个补偿点分别构建基准平面与拟合平面；
计算拟合平面相对于基准平面的补偿值；
依据所述补偿值调整打印头z轴高度进行打印。
2.如权利要求1所述的算法，其特征在于，获取打印平台上的一个基准点与四个补偿点的三维坐标值，包括：
检测基准点在z轴方向的距离，设该距离为H，建立以基准点为零点的三维坐标系xyz，则基准点的坐标值为(x0,y0,z0)；
检测四个补偿点在z轴方向的距离，设四个补偿点在z轴方向的距离为H1-H4，则基准点在z轴方向的距离H分别减去四个补偿点在z轴方向的距离H1-H4获得四个补偿点z轴的坐标值，打印平台上的四个补偿点x、y轴的坐标值是已知的，则四个补偿点的坐标值分别为：(x1,y1,H-H1)、(x2,y2,H-H2)、(x3,y3,H-H3)(x4,y4,H-H4)。
3.如权利要求2所述的算法，其特征在于，依据所述基准点及四个补偿点分别构建基准平面与拟合平面，包括：
依据坐标系的xy轴定义的平面及基准点建立基准平面，所述基准平面平行于xy轴定义的平面并经过基准点，设该基准平面的方程式为：A0x+B0y+C0z+D0＝0，变换得到：z＝(A0x+B0y+D0)/-C0；
利用四个补偿点的坐标值通过平面最小二乘估计法得到一个拟合平面，设该拟合平面的方程式为A1x+B1y+C1z+D1＝0，变换得到：z＝(A1x+B1y+D1)/-C1。
4.如权利要求3所述的算法，其特征在于，计算拟合平面相对于基准平面的补偿值，包括：
获取各打印点在xy平面的坐标值，设各打印点在xy平面的z轴坐标为Z0；
将各打印点xy平面的坐标值代入拟合平面的方程式z＝(A1x+B1y+D1)/-C1得到该打印点的Z轴的真实值Z1；
将各打印点(x,y,z)在Z轴的真实值Z1减去基准值Z0即得到打印头需要补偿的误差值G＝Z1-Z0。
5.如权利要求4所述的算法，其特征在于，依据所述补偿值调整打印头z轴高度进行打印，包括：
将对应打印点的补偿值输出给打印头控制系统；
打印头控制系统调整打印头z轴方向的高度后进行打印作业。
6.一种应用于3D打印的自动调平系统，其特征在于，包括：
打印平台；
打印头，用于喷出打印材料；
检测单元，用于检测一个基准点与四个补偿点的三维坐标值；
计算控制单元，用于依据所述一个基准点与四个补偿点构建基准平面与拟合平面，再依据拟合平面的方程式计算出各打印点补偿值。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，检测单元，用于检测一个基准点与四个补偿点的三维坐标值，包括：
检测基准点在z轴方向的距离，设该距离为H，建立以基准点为零点的三维坐标系xyz，则基准点的坐标值为(x0,y0,z0)；
检测四个补偿点在z轴方向的距离，设四个补偿点在z轴方向的距离为H1-H4，则基准点在z轴方向的距离H分别减去四个补偿点在z轴方向的距离H1-H4获得四个补偿点z轴的坐标值，打印平台上的四个补偿点x、y轴的坐标值是已知的，则四个补偿点的坐标值分别为：(x1,y1,H-H1)、(x2,y2,H-H2)、(x3,y3,H-H3)(x4,y4,H-H4)。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，计算控制单元，用于依据所述一个基准点与四个补偿点构建基准平面与拟合平面，再依据拟合平面的方程式计算出各打印点补偿值，包括：
依据坐标系的xy轴定义的平面及基准点建立基准平面，所述基准平面平行于xy轴定义的平面并经过基准点，设该基准平面的方程式为：A0x+B0y+C0z+D0＝0，变换得到：z＝(A0x+B0y+D0)/-C0；
利用四个补偿点的坐标值通过平面最小二乘估计法得到一个拟合平面，设该拟合平面的方程式为A1x+B1y+C1z+D1＝0，变换得到：z＝(A1x+B1y+D1)/-C1；
获取各打印点在xy平面的坐标值，设各打印点在xy平面的z轴坐标为Z0；
将各打印点xy平面的坐标值代入拟合平面的方程式z＝(A1x+B1y+D1)/-C1得到该打印点的Z轴的真实值Z1；
将各打印点(x,y,z)在Z轴的真实值Z1减去基准值Z0即得到打印头需要补偿的误差值G＝Z1-Z0。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述打印头包括挤出头固定架、安装于所述挤出头固定架下端的挤出头、及设于所述挤出头底端的喷嘴。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述检测单元包括安装于所述打印头上的电磁铁、支点、可转动地安装于所述支点上且一端连接所述电磁铁的旋转臂、及安装于所述旋转臂另一端部的轻触开关。
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