CN107379531A - Fdm式3d打印机平台倾斜时的平路补偿装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FDM式3D打印机平台倾斜时的平路补偿装置，包括水平支撑台、热床、打印头、打印头缓冲装置和打印头限位开关机构，所述打印头居中地设置连接在所述打印头缓冲装置底部，所述打印头限位开关机构设置在所述打印头缓冲装置上。本发明还公开了一种FDM式3D打印机平台倾斜时的平路补偿方法。本发明通过打印头缓冲装置触发测定平台的若干子区域的高度差，通过分析计算对相应的高度差进行打印补偿进而创建一个水平基底，解决了普通3D打印机手动调节平台存在高度误差而影响打印件质量和自动调平仅在一个方向补偿打印高度、而会导致模型偏斜的问题，同时为在任意不平平面进行3D打印提供了一种解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种FDM式3D打印机平台倾斜时的平路补偿装置及方法。
背景技术
市场上的普通3D打印机的打印平台多为手动调平，极易存在高度误差导致平台不水平从而影响打印件质量。市场上还存在的一种半自动调平装置，其作用机制为利用探针(传感器)探测平台各角落的高度，然后利用手动拧动平台螺母来调节高度，需要重复多次操作才可以使平台水平，耗费时间过多，效率较低。另外市场上少数存在的自动调平平台的3D打印机对平台平整度的高要求，使自动调平平台3D打印机的普及率较低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在解决手动调平存在高度误差影响打印精度和质量，且耗费大量的人力成本和简单自动调平仅在一个方向补偿打印高度，而会导致模型偏斜等问题。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种FDM式3D打印机平台倾斜时的平路补偿装置，包括水平支撑台、设置在所述水平支撑台上的热床、位于热床上方的打印头，还包括打印头缓冲装置和打印头限位开关机构，所述的打印头居中地设置连接在所述打印头缓冲装置底部，所述打印头限位开关机构设置在所述打印头缓冲装置上，用于触发3D打印机测定平台的打印区域X、Y方向上若干呈矩阵分布的子区域高度。
进一步地，所述的打印头缓冲装置包括下活动板、上固定板、均匀连接在所述下活动板、上固定板之间的若干螺栓，所述的螺栓中部套设有弹簧，所述打印头与下活动板固定连接，所述上固定板中部设置有供打印头上下自由移动的U形槽。
进一步地，所述的打印头限位开关机构包括固定在所述上固定板上的限位开关、相对地固定在所述下活动板上的撞杆，所述的限位开关与3D打印机电路连接，用于触发3D打印机记录此时打印平台当前子区域的高度。
一种基于所述的平路补偿装置的平路补偿方法，包括步骤：
打印头下移，使打印头和打印平台接触挤压，当打印头限位开关机构5启动时，触发3D打印机记录此时打印平台的X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域的高度值，同时计算各子区域的相对最低高度值的高度差z；
根据各子区域的高度差z及预设的打印参数逐层地进行补偿打印得到一个边线与打印平台边线平行的水平基底。
进一步地，所述打印头下移，使打印头和打印平台接触挤压，当打印头限位开关机构启动时，触发3D打印机记录此时打印平台的X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域的高度值，同时计算各子区域的相对最低高度值的高度差z步骤具体包括：
打印区域各部分高度值检测：所述打印头下移，使打印头和打印平台接触挤压，当打印头限位开关机构启动时，触发3D打印机记录此时打印平台当前区域的高度值，依次类推，得到打印平台X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域的高度值；
高度差z的计算：将所有高度值与高度值中的最大值相比较，得出所有子区域相对最低点的高度差z。
进一步地，所述水平基底的实际打印区域的确定过程包括：打印机按照在切片软件中划分出的裙边投影范围生成一个边长为L且大于所述裙边投影范围的正方形作为水平基底的实际打印区域。
进一步地，所述根据各子区域的高度差及预设的打印参数逐层地进行打印补偿得到一个边线与打印平台边线平行的水平基底的步骤具体包括：
根据设定的打印平台X方向、Y方向、垂直于XY平面的Z方向，对各高度差z进行最小二乘法直线拟合，算出X方向斜率kx和Y方向斜率ky；
根据所得的X方向斜率kx和Y方向斜率ky及打印参数逐层进行补偿打印，得到一个边线与打印平台边线平行的水平基底。
进一步地，所述根据所得的X方向斜率kx和Y方向斜率ky及打印参数逐层进行补偿打印的步骤具体包括：
计算第1层补偿打印边界的坐标：根据在切片软件中设定的每层层厚D及线宽，在打印平台的X方向根据公式得出第一层补偿打印在X方向最长边长度，其终点坐标为(x1,0,αD)；根据公式得出第1层在Y方向最长边长度，其终点坐标为(0，y1,αD)，以(0,0，αD)，(x1,0,αD)，(0，y1,αD)三点所构成的三角形进行第1层补偿打印，其中α为悬空率，具体为首层打印时的线条中心的最大悬空高度与层高的比值；
计算其余各层补偿打印边界的坐标：根据在切片软件中设定的每层层厚D及线宽，对于第n层，在打印平台的X方向根据公式得出第n层补偿打印在X方向最长边长度，其终点坐标为(xn，0，αD+nD)，根据公式得出第n层在Y方向最长边长度，其终点坐标为(0，yn，αD+nD)，以(0，0，αD+nD)，(xn，0，αD+nD)，(0，yn，αD+nD)三点所构成的三角形进行第n层补偿打印。
进一步地，在计算其余n层补偿打印边界的坐标时，若补偿打印在X方向最长边长度超过临界值xmax＝L、补偿打印在Y方向最长边长度超过临界值ymax＝L时，则有：
若此时yn先到达ymax，那么继续计算坐标为(x′n，ymax，αD+nD)，然后以(0，0，αD+nD)、(xn，0，αD+nD)、(0，ymax，αD+nD)和(x′n，ymax，αD+nD)四个坐标点所构成的平面图形进行补偿打印；如果此时xn到达最大值xmax，再通过公式计算出坐标为(xmax，y′n，αD+nD)，其中zy表示Y轴方向上最远端子区域的高度差，zx表示X轴方向上最远端子区域的高度差，最后根据坐标点(0，0，αD+nD)，(xn，0，αD+nD)，(0，ymax，αD+nD)，(x′n，ymax，αD+nD)和(xmax，y′n，αD+nD)五点所构成的平面图形进行补偿打印。
进一步地，进行补偿打印时，具体是：先用打印线依次联接各坐标点形成平面几何图形的打印外轮廓，然后对所述打印外轮廓所围成的中间区域用打印线填充满。
相比现有技术，本发明通过分析计算对相应的高度差进行打印补偿进而创建一个水平基底，解决了普通3D打印机手动调节平台存在高度误差而影响打印件质量和自动调平仅在一个方向补偿打印高度，而会导致模型偏斜的问题，同时为在任意不平平面进行3D打印提供了一种解决方案。
附图说明
图1为本发明实施例的平路补偿装置结构示意图。
图2是本发明实施例的打印区域中X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域分布示意图。
图3是本发明实施例的打印区域中X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域的高度差示意图。
图4是本发明实施例的悬空率示意图。
图5是本发明实施例的第1～3层补偿打印后的俯视示意图。
图6是本发明实施例的第1～3层补偿打印后的立体示意图。
图7是本发明实施例的第N层补偿打印在Y方向最长边长度先达到临界值ymax＝L时的俯视示意图。
图8是本发明实施例的第N层补偿打印在X方向最长边长度达到临界值xmax＝L时的俯视示意图。
图9是本发明实施例在完成所有补偿打印后的水平基底立体示意图。
图10是本发明实施例的的水平基底进行3D打印后的立体示意图。
图中所示：1-水平支撑台、2-热床、3-打印头，4-打印头缓冲装置；5-打印头限位开关机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例一
如图1所示，一种FDM式3D打印机平台倾斜时的平路补偿装置，包括水平支撑台、设置在所述水平支撑台上的热床、位于热床上方的打印头，还包括打印头缓冲装置4和打印头限位开关机构5，所述的打印头居中地设置连接在所述打印头缓冲装置4底部，所述打印头限位开关机构5设置在所述打印头缓冲装置4上，用于触发3D打印机测定平台的打印区域X、Y方向上若干呈矩阵分布的子区域高度值。
所述的打印头缓冲装置4包括下活动板、上固定板、均匀连接在所述下活动板、上固定板之间的若干螺栓，所述的螺栓中部套设有弹簧，所述打印头与下活动板固定连接，所述上固定板中部设置有供打印头上下自由移动的U形槽。
所述的打印头限位开关机构5包括固定在所述上固定板上的限位开关、相对地固定在所述下活动板上的撞杆，所述的限位开关与3D打印机电路连接，用于触发3D打印机记录此时打印平台当前子区域的高度。
当打印头和打印平台接触挤压时，下活动板和上固定板间距减少，下活动板上的撞杆撞击到限位开关时，触发3D打印机测定平台的打印区域X、Y方向上若干呈矩阵分布的子区域高度值，当打印头上抬，和打印平台脱离接触时，下活动板和上固定板在弹簧的作用下恢复原有距离，下活动板和上固定板的间距可以通过螺母进行调节。
实施例二
一种基于所述的平路打印装置的平路补偿方法，包括步骤：
打印头下移，使打印头和打印平台接触挤压，当打印头限位开关机构5启动时，触发3D打印机记录此时打印平台的X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域的高度值，同时计算各子区域的相对最低高度值的高度差z；
根据各子区域的高度差z及预设的打印参数逐层地进行补偿打印得到一个边线与打印平台边线平行的水平基底。
具体而言，如图2所示，在本实施例中，所述水平基底的实际打印区域的确定过程包括：打印机按照在切片软件中划分出的裙边投影范围生成一个边长为L且大于所述裙边投影范围的正方形作为水平基底的实际打印区域。同时，将正方形分为A、B、C、D、E、F、G、H、I九个呈矩阵分布的子区域，我们为了叙述方便，所述L取值为16mm，并开始检测此实际范围的各子区域的高度值。
具体而言，如图3所示，在本实施例中，打印头下移，使打印头和打印平台接触挤压，当打印头限位开关机构5启动时，触发3D打印机记录此时打印平台的X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域的高度值，同时计算各子区域的相对最低高度值的高度差z的步骤具体包括：
打印区域各部分高度值检测：所述打印头下移，使打印头和打印平台接触挤压，当打印头限位开关机构启动时，触发3D打印机记录此时打印平台当前区域的高度值，以此类推，打印头沿X、Y方向移动，对正方形中的子区域A、B、C、D、E、F、G、H、I九个呈矩阵分布的子区域进行测距，得到九个区域边角定点测量出高度值；
高度差z的计算：将所有子区域的高度值与高度值中的最大值相比较，得出所有子区域相对最低点的高度差za、zb、…zi，图3中的数字即为各字区域高度差具体值，单位为0.1mm。
具体而言，所述根据各子区域的高度差及预设的打印参数逐层地进行打印补偿得到一个边线与打印平台边线平行的水平基底的步骤具体包括：
根据设定的打印平台GI方向为X方向、GA为Y方向、垂直于XY平面的为Z方向，对各高度差进行最小二乘法直线拟合，算出X方向斜率kx和Y方向斜率ky，本实施例中，kx＝0.1mm，ky＝0.05mm；
根据所得的X方向斜率kx和Y方向斜率ky及打印参数逐层进行补偿打印，得到一个边线与打印平台边线平行的水平基底。
具体而言，本实施例中，所述根据所得的X方向斜率kx和Y方向斜率ky及打印参数逐层进行补偿打印的步骤具体包括：
计算第1层补偿打印边界的坐标：根据在切片软件中设定的每层层厚D及线宽(此处均取常用值0.2mm)，在打印平台的X方向根据公式(此处示例中α为50％)，得出第一层补偿打印在X方向最长边长度1mm，其终点坐标为(x1，0，αD)；根据公式得出第1层在Y方向最长边长度为2mm，其终点坐标为(0，y1，αD)，以(0，0，αD)，(x1，0，αD)，(0，y1，αD)三点所构成的三角形进行第1层补偿打印(见图5)，其中α为悬空率，具体为首层打印时的线条中心的最大悬空高度与层高的比值，因为此补偿方案的核心思想是近似代替，有些地方线条会产生悬空，无法紧紧贴靠倾斜平面，所以我们引入悬空率的概念(见图4)；
如图6所示，计算其余各层补偿打印边界的坐标：根据在切片软件中设定的每层层厚D及线宽，对于第n层，在打印平台的X方向根据公式(此处示例中α为50％)，得出第n层补偿打印在X方向最长边长度，其终点坐标为(xn，0，αD+nD)，根据公式得出第n层在Y方向最长边长度，其终点坐标为(0，yn，αD+nD)，以(0，0，αD+nD)，(xn，0，αD+nD)，(0，yn，αD+nD)三点所构成的三角形进行第n层补偿打印。
具体而言，如图7和图8所示，在本实施例中，在计算其余n层补偿打印边界的坐标时，若补偿打印在X方向最长边长度达到临界值xmax＝L、补偿打印在Y方向最长边长度达到临界值ymax＝L时，则有：
若此时yn先到达ymax，那么继续计算坐标为(x′n，ymax，αD+nD)，然后以(0，0，αD+nD)、(xn，0，αD+nD)、(0，ymax，αD+nD)和(x′n，ymax，αD+nD)四个坐标点所构成的平面图形进行补偿打印；如果此时xn到达最大值xmax，再通过公式计算出坐标为(xmax，y′n，αD+nD)，其中zy表示Y轴方向上最远端子区域的高度差，本实施例即为子区域A的高度差；zx表示X轴方向上最远端子区域的高度差，本实施例中即为子区域I的高度差；最后根据坐标点(0，0，αD+nD)，(xn，0，αD+nD)，(0，ymax，αD+nD)，(x′n，ymax，αD+nD)和(xmax，y′n，αD+nD)五点所构成的平面图形进行补偿打印。当yn和xn均达到各自的临界值时，则补偿打印结束。
具体而言，在确定了各层的各个坐标值之后，进行补偿打印时，具体是：先用打印线依次联接各坐标点形成平面几何图形的打印外轮廓，然后对所述打印外轮廓所围成的中间区域用打印线填充满。
如图9和图10所示，补偿打印结束后，我们可以从倾斜的平台得到一个近似水平的水平基底，然后可以按照一般3D打印的方法，在新的水平基底上进行打印。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种FDM式3D打印机平台倾斜时的平路补偿装置，包括水平支撑台、设置在所述水平支撑台上的热床、位于热床上方的打印头，其特征在于：还包括打印头缓冲装置4和打印头限位开关机构5，所述的打印头居中地设置连接在所述打印头缓冲装置4底部，所述打印头限位开关机构5设置在所述打印头缓冲装置4上，用于触发3D打印机测定平台的打印区域X、Y方向上若干呈矩阵分布的子区域高度。
2.根据权利要求1所述的一种FDM式3D打印机平台倾斜时的平路补偿装置，其特征在于：所述的打印头缓冲装置4包括下活动板、上固定板、均匀连接在所述下活动板、上固定板之间的若干螺栓，所述的螺栓中部套设有弹簧，所述打印头与下活动板固定连接，所述上固定板中部设置有供打印头上下自由移动的U形槽。
3.根据权利要求1所述的一种FDM式3D打印机平台倾斜时的平路补偿装置，其特征在于：所述的打印头限位开关机构5包括固定在所述上固定板上的限位开关、相对地固定在所述下活动板上的撞杆，所述的限位开关与3D打印机电路连接，用于触发3D打印机记录此时打印平台当前子区域的高度。
4.一种基于权利要求1至3中任一项所述的平路补偿装置的平路补偿方法，其特征在于，包括步骤：
打印头下移，使打印头和打印平台接触挤压，当打印头限位开关机构5启动时，触发3D打印机记录此时打印平台的X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域的高度值，同时计算各子区域的相对最低高度值的高度差z；
根据各子区域的高度差z及预设的打印参数逐层地进行补偿打印得到一个边线与打印平台边线平行的水平基底。
5.根据权利要求4所述的平路补偿方法，其特征在于：所述打印头下移，使打印头和打印平台接触挤压，当打印头限位开关机构5启动时，触发3D打印机记录此时打印平台的X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域的高度值，同时计算各子区域的相对最低高度值的高度差z步骤具体包括：
打印区域各部分水平度检测：所述打印头下移，使打印头和打印平台接触挤压，当打印头限位开关机构5启动时，触发3D打印机记录此时打印平台当前区域的高度值，依次类推，得到打印平台X、Y方向上呈矩阵分布的若干子区域的高度值；
高度差z的计算：将所有高度值与高度值中的最大值相比较，得出所有子区域相对最低点的高度差z。
6.根据权利要求4所述的平路补偿方法，其特征在于：所述水平基底的实际打印区域的确定过程包括：打印机按照在切片软件中划分出的裙边投影范围生成一个边长为L且大于所述裙边投影范围的正方形作为水平基底的实际打印区域。
7.根据权利要求4所述的平路补偿方法，其特征在于：所述根据各子区域的高度差及预设的打印参数逐层地进行打印补偿得到一个边线与打印平台边线平行的水平基底的步骤具体包括：
根据设定的打印平台X方向、Y方向、垂直于XY平面的Z方向，对各高度差z进行最小二乘法直线拟合，算出X方向斜率kx和Y方向斜率ky；
根据所得的X方向斜率kx和Y方向斜率ky及打印参数逐层进行补偿打印，得到一个边线与打印平台边线平行的水平基底。
8.根据权利要求7所述的平路补偿方法，其特征在于：所述根据所得的X方向斜率kx和Y方向斜率ky及打印参数逐层进行补偿打印的步骤具体包括：
计算第1层补偿打印边界的坐标：根据在切片软件中设定的每层层厚D及线宽，在打印平台的X方向根据公式得出第一层补偿打印在X方向最长边长度，其终点坐标为(x1,0,αD)；根据公式得出第1层在Y方向最长边长度，其终点坐标为(0，y1,αD)，以(0,0，αD)，(x1,0,αD)，(0，y1,αD)三点所构成的三角形进行第1层补偿打印，其中α为悬空率，具体为首层打印时的线条中心的最大悬空高度与层高的比值；
计算其余各层补偿打印边界的坐标：根据在切片软件中设定的每层层厚D及线宽，对于第n层，在打印平台的X方向根据公式得出第n层补偿打印在X方向最长边长度，其终点坐标为(xn，0，αD+nD)，根据公式得出第n层在Y方向最长边长度，其终点坐标为(0，yn，αD+nD)，以(0，0，αD+nD)，(xn，0，αD+nD)，(0，yn，αD+nD)三点所构成的三角形进行第n层补偿打印。
9.根据权利要求8所述的平路补偿方法，其特征在于：在计算其余n层补偿打印边界的坐标时，若补偿打印在X方向最长边长度超过临界值xmax＝L、补偿打印在Y方向最长边长度超过临界值ymax＝L时，则有：
若此时yn先到达ymax，那么继续计算坐标为(x′n，ymax，αD+nD)，然后以(0，0，αD+nD)、(xn，0，αD+nD)、(0，ymax，αD+nD)和(x′n，ymax，αD+nD)四个坐标点所构成的平面图形进行补偿打印；如果此时xn到达最大值xmax，再通过公式计算出坐标为(xmax，y′n，αD+nD)，其中zy表示Y轴方向上最远端子区域的高度差，zx表示X轴方向上最远端子区域的高度差，最后根据坐标点(0，0，αD+nD)，(xn，0，αD+nD)，(0，ymax，αD+nD)，(x′n，ymax，αD+nD)和(xmax，y′n，αD+nD)五点所构成的平面图形进行补偿打印。
10.根据权利要求8或9所述的平路补偿方法，其特征在于：进行补偿打印时，具体是：先用打印线依次联接各坐标点形成平面几何图形的打印外轮廓，然后对所述打印外轮廓所围成的中间区域用打印线填充满。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171124 |