CN107745520A - 一种3d打印机校准装置及其校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印机校准装置及其校准方法，用于测定喷嘴到打印平台的距离高度，进一步用于打印平台调平校准工作。所述3D打印机校准装置为高度校准模块，高度校准模块包括校准A片、校准B片以及间隔件，校准A片和校准B片均为具有弹性的薄片，且平行设置，两者的端头处通过插入间隔件实现两者的隔离；校准A片和校准B片的相对面上分别设有相对应的校准区域，校准区域内均设置电极；高度校准模块在校准模式下位于打印喷头与打印平台之间，并平行于打印平台以及喷嘴出丝口端面。本发明实现了全自动化校准过程，进一步提高了对高校准过程、高度测量过程及调平校准过程的稳定性、精准性及便捷性，也进一步提高了打印成型件的精度。

Description

一种3D打印机校准装置及其校准方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印机校准装置及其校准方法。

背景技术

3D打印技术(或快速成型技术)因其优异于现有减法加工工艺的诸多优势而得到快速发展，打印前，喷头与打印平台的精准对高校准过程是3D打印技术追求高稳定、高精度的重要前提。3D打印的对高校准过程，是控制系统明确记录喷头与打印平台之间的工作距离。对高校准过程的准确性，取决于对高校准模块的设计以及打印平台与校准模块之间的校准控制过程。

在3D打印技术中，良好的平台粘附是3D打印成型的基础，怎样既能完成材料和打印平台间的良好粘附，不会发生翘曲变形，又能满足模型的拆卸要求，是3D打印行业追求的目标。

现有的3D打印机的高度校准过程多是通过行程开关对打印平台进行高度的测量，这种校准方式不仅效率低，而且校准的效果并不理想，使最终的打印效果不能达到预期效果。

发明内容

为解决现有技术中3D打印平台校准过程中存在的问题，本发明提供了一种3D打印机校准装置及其校准方法，用于测定喷嘴到打印平台的距离高度，进一步用于打印平台调平校准工作，使整个测量、调平校准过程全自动化、易于操控，进一步提高工作效率及稳定性和准确度。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种3D打印机校准装置，所述3D打印机校准装置为高度校准模块，高度校准模块包括校准A片、校准B片以及间隔件，校准A片和校准B片均为具有弹性的薄片，且平行设置，两者的端头处通过插入间隔件实现两者的隔离；校准A片和校准B片的相对面上分别设有相对应的校准区域，校准区域内均设置电极，电极导通形成的电信号传递至控制系统；所述高度校准模块在校准模式下的位置状态特征是：位于打印喷头与打印平台之间，校准A片和校准B片平行于打印平台以及打印喷头的喷嘴出丝口端面，且打印喷头的喷嘴位于校准区域的正上方。

在上述技术方案中，校准A片和校准B片均为厚度可以忽略不计的薄片，挤压过后，可以恢复至原始状态，从而减少对喷嘴与打印平台之间高度值测量的影响。

本发明提供的3D打印机校准装置在校准过程中，校准A片与校准B片位于打印喷头和打印平台之间，移动打印喷头或打印平台，使校准B片与打印平台贴合，并使喷嘴出丝口端面挤压校准A片，直至校准A片和校准B片的两校准区域内的电极接触后形成电信号，电信号传递至控制系统，记录在此过程中打印喷头移动的竖直距离或打印平台移动的竖直距离，至此，控制系统判断为完成一次喷嘴出丝口端面与打印平台之间高度的测量工作，测量工作完成后，移开打印喷头或打印平台，校准A片和校准B片可以恢复至原始状态。在两校准区域内的电极接触时，两个校准片分别贴合打印平台和喷嘴出丝口端面，由于两个校准片和电极都很薄，可以忽略其厚度，所以，与打印平台贴合的校准片可以相当于打印平台的表面，与喷嘴出丝口端面贴合的校准片可以相当于喷嘴出丝口的端面，当两电极接触时即可认为喷嘴出丝口端面与打印平台上表面接触；在校准的整个过程中，利用电极接触产生的信号判断测量工作的完成，实现了全自动化的测量，减少了人为的估值误差，并且整个测量过程更为灵敏，校准过程的准确度更高。

进一步地，校准A片和校准B片之间的距离为0.1mm-10mm。该高度的设置可以很好地保证两个校准片上的电极接触的灵敏性。

进一步地，校准A片和校准B片均为聚偏氟乙烯高分子薄膜。

进一步地，校准A片和校准B片均为金属薄片。

进一步地，高度校准模块通过机械联动结构连接在可移动的打印喷头上，打印喷头连接在机架结构上，机械联动结构与喷头电机连接，喷头电机与控制系统连接。通过设置机械联动结构实现打印喷头与高度校准模块的同步运动及相对运动，电极导通形成的电信号经由喷头电机传递至控制系统。

本发明的另一个目的在于提供一种利用上述任一所述的3D打印机校准装置进行校准的方法，所述校准方法包括以下步骤：

步骤1：将高度校准模块移动至校准模式的位置，使校准A片和校准B片平行于打印平台和喷嘴出丝口端面，校准A片靠近喷嘴出丝口端面；

步骤2：在打印平台上选择对高点，同步控制打印喷头及高度校准模块移动至对高点正上方；

步骤3:控制打印平台自其初始位置向打印喷头的喷嘴方向竖直向上运动，或同步控制打印喷头及高度校准模块自其初始位置向打印平台方向竖直向下运动，首先使打印平台与校准B片的下表面贴合接触，然后使喷嘴的出丝口端面与校准A片的上表面贴合接触，且继续挤压校准A片向校准B片运动，直至校准B片的校准区域和校准A片的校准区域相接触，两校准区域接触后，其中的电极产生电信号，电信号传递至控制系统，控制系统发出停止竖直运动指令，并记录打印平台或打印喷头在该过程中的竖直运动距离，将此距离值赋值为喷嘴在对高点的高度值，同时控制打印平台、打印喷头及高度校准模块恢复至初始位置，控制系统判断为完成对高测量工作，对高点的校准过程结束。

在上述校准方法中，通过移动打印平台或喷嘴，使两校准片的电极接触，两电极导通形成电信号是打印平台与喷嘴接触的标志，打印平台或喷嘴的移动距离即可认为是打印平台与喷嘴初始位置之间的高度值，从而完成喷嘴到打印平台距离高度的测定，该方法灵敏、快速、稳定性高、准确度高。

进一步地，高度校准模块通过机械联动结构连接在可移动的打印喷头上，打印喷头连接在机架结构上，机械联动结构与喷头电机连接，喷头电机与控制系统连接。

在上述技术方案中，喷头电机可以是固定在打印喷头上的，随打印喷头一起移动，也可以是固定在打印喷头的机架机构上，从而减轻打印喷头移动部分的重量，例如远程送丝的机型；打印喷头连接的机架结构、喷头电机、打印平台以及打印喷头均由控制系统控制，控制系统通过控制喷头电机进而控制机械联动结构使高度校准模块移动到校准位置以及恢复至初始位置,通过控制打印喷头连接的机架结构实现打印喷头和高度校准模块同步运动，通过控制打印平台或打印喷头的竖直移动完成两校准片电极接触，电极接触导通形成的电信号经由喷头电机传递至控制系统。

进一步地，为了实现打印平台的调平校准工作，上述校准方法还包括以下步骤：

步骤4:在打印平台上选取N个校准点，对每一个校准点进行步骤2和步骤3的对高测量工作过程；具体如下：

401：选择一个校准点，控制打印喷头连接的机架结构使打印喷头及高度校准模块同步移动至校准点正上方；

402：控制打印平台自其初始位置向打印喷头的喷嘴方向竖直向上运动或控制打印喷头连接的机架结构自其初始位置向打印平台方向竖直向下运动，首先使打印平台与校准B片的下表面贴合接触，然后使喷嘴的出丝口端面与校准A片的上表面贴合接触，且继续挤压校准A片向校准B片运动，直至校准B片的校准区域和校准A片的校准区域相接触，两校准区域接触后，其中的电极导通产生电信号，电信号传递至控制系统，控制系统发出停止竖直运动指令，并记录打印平台或打印喷头连接的机架结构在该过程中的竖直运动距离，将此距离值赋值为喷嘴在该校准点的高度值，同时控制打印平台或喷头连接的机架结构恢复至初始位置，控制系统判断为完成该校准点的对高测量工作，该校准点的校准过程结束；

403：依次选择其余校准点，依据步骤401和402的方法进行其余校准点的校准过程，得到喷嘴在其余校准点的高度值；

404：根据记录的喷嘴在对高点的高度值以及喷嘴在各校准点的高度值对打印平台进行调平校准。

进一步地，喷嘴在对高点的高度值与喷嘴在各校准点的高度值的距离差值的绝对值≤0.5mm。这个高度差值可以认定打印平台在打印过程中处于水平状态。

本发明提供的3D打印机校准装置及校准方法的有益效果为：实现了全自动化校准过程，为用户提供了更好的体验效果，进一步提高了对高校准过程、高度测量过程及调平校准过程的稳定性、精准性及便捷性，也进一步提高了打印成型件的精度。

附图说明

图1为高度校准模块中两校准片的校准区域未接触时的结构示意图。

图2为高度校准模块中两校准片的校准区域接触时的结构示意图。

图中，1、喷嘴；2、校准A片；3、间隔件；4、校准B片；5、电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构进行详细解释说明。

本发明公开的3D打印机校准装置为高度校准模块，如图1和2所示，高度校准模块包括校准A片2、校准B片4以及间隔件3，校准A片2和校准B片4呈上下分布，且均为具有弹性的薄片，厚度可忽略不计，两者平行设置，且两者的端头处通过插入间隔件3实现隔离固定，使两者之间形成空间结构；校准A片2的下表面和校准B片4的上表面的中间位置上分别设有相对应的校准区域，两校准区域内均设置电极5，电极5可以是喷涂在校准区域的导电涂层，电极5与喷头电机连接，喷头电机与控制系统连接由控制系统控制，控制系统还控制打印喷头连接的机架结构(也即轴结构)、打印平台以及打印喷头的运动，从而控制3D打印机的X、Y、Z三轴方向。高度校准模块通过机械联动结构连接在可移动的打印喷头上，打印喷头安装在机架结构上，机械联动结构与喷头电机连接由喷头电机控制，喷头电机可以安装在打印喷头上或打印喷头连接的机架结构上，控制系统通过控制打印喷头连接的机架结构的运动使高度校准模块、机械联动结构、打印喷头同步运动，控制系统通过控制喷头电机使机械联动结构带动高度校准模块相对于打印喷头运动，从而实现高度校准模块配合打印喷头与打印平台的运动特征，实现打印平台测试点的高度确认，进一步实现打印平台的校准过程，机械联动结构可选择舵机，通过舵机控制高度校准模块的移动。喷头电机的作用至少包括以下4种：1.控制打印喷头的丝材送进；2.控制机械联动结构的运动，使高度校准模块与打印喷头发生相对运动；3.接收高度校准模块电极接触时产生的电信号；4.将高度校准模块产生的电信号传递至控制系统。

高度校准模块在校准模式下，位于3D打印平台与3D打印喷头之间，校准A片和校准B片平行于3D打印平台以及3D打印喷头的喷嘴1出丝口端面，且打印喷头的喷嘴位于校准区域的正上方，如图1所示。由于喷头的喷嘴呈锥形结构，喷嘴在挤压校准A片上表面时，其出丝口端面最先接触校准A片上表面，所以保证喷嘴出丝口端面的纵轴线位于校准区域的中垂线方向上，方便校准A片和校准B片的电极相接触形成导通信号，如图2所示，从而提高整个校准过程的高效性和准确性。通过控制机械联动结构即可将高度校准模块移动至校准模式的位置。

校准A片和校准B片之间的距离选优0.1mm-10mm；校准A片和校准B片均可选择聚偏氟乙烯高分子薄膜或金属薄片。

为了测定喷嘴到打印平台的距离高度，本发明还提供一种利用上述3D打印机校准装置进行校准的方法，包括如下步骤：

步骤1：控制机械联动结构将高度校准模块移动至校准模式的位置，使校准A片和校准B片平行于打印平台和喷嘴出丝口端面，校准A片靠近喷嘴出丝口端面；

步骤2：在打印平台上选择对高点，控制打印喷头连接的机架结构使喷头及高度校准模块同步移动至对高点正上方；

步骤3:控制打印平台自其初始位置向打印喷头的喷嘴方向竖直向上运动，并保持打印喷头的位置不变，首先使打印平台与校准B片的下表面贴合接触，打印平台推动高度校准模块继续竖直向上运动，机械联动结构相对于打印喷头发生运动，然后使喷嘴的出丝口端面与校准A片的上表面贴合接触，喷嘴的出丝口端面继续挤压校准A片向校准B片运动，直至校准B片的校准区域和校准A片的校准区域相接触，两校准区域接触后，其中的电极产生电信号，电信号传递至控制系统，控制系统发出停止竖直运动指令，并记录打印平台在该过程中的竖直运动距离，将此距离值赋值为喷嘴到打印平台的对高距离值，即喷嘴在对高点的高度值，同时控制打印平台、打印喷头及高度校准模块恢复至初始位置，控制系统判断为完成对高点的对高测量工作，对高点的校准过程结束；

或者，控制打印喷头连接的机架结构使打印喷头及高度校准模块同步自其初始位置向打印平台方向竖直向下运动，并保持打印平台的位置不变，首先使校准B片的下表面与打印平台贴合接触，然后控制打印喷头连接的机架结构使打印喷头相对于高度校准模块继续竖直向下运动，使喷嘴的出丝口端面与校准A片的上表面贴合接触，喷嘴的出丝口端面继续挤压校准A片向校准B片运动，直至校准B片的校准区域和校准A片的校准区域相接触，两校准区域接触后，其中的电极产生电信号，电信号传递至控制系统，控制系统发出停止竖直运动指令，并记录打印喷头在该过程中的竖直运动距离，将此距离值赋值为喷嘴到打印平台的对高距离值，即喷嘴在对高点的高度值，同时控制打印喷头及高度校准模块恢复至初始位置，控制系统判断为完成对高点的对高测量工作，对高点的校准过程结束。

在步骤2中，对高点可以在打印平台上任意选定，需要打印平台处于初步校准的状态，例如，打印机出厂时都会有打印平台调平和校准的步骤，但是由于运输，打印平台的水平度会出现变化，但都处于正常范围内，这时可以认为打印平台处于初步校准的状态下。

为了实现打印平台调平校准工作，在上述校准方法的基础上，还包括以下步骤：步骤4:在打印平台上选取N个校准点，分别测量喷嘴在每个校准点的高度值，即对每一个校准点进行步骤2和步骤3的对高测量工作，具体步骤如下：

401：选择一个校准点，控制打印喷头连接的机架结构使打印喷头及高度校准模块同步移动至校准点正上方；

402：控制打印平台自其初始位置向打印喷头的喷嘴方向竖直向上运动或控制打印喷头连接的机架结构自其初始位置向打印平台方向竖直向下运动，首先使打印平台与校准B片的下表面贴合接触，然后使喷嘴的出丝口端面与校准A片的上表面贴合接触，且继续挤压校准A片向校准B片运动，直至校准B片的校准区域和校准A片的校准区域相接触，两校准区域接触后，其中的电极导通产生电信号，电信号传递至控制系统，控制系统发出停止竖直运动指令，使打印平台或打印喷头停止运动，并记录打印平台或打印喷头连接的机架结构在该过程中的竖直运动距离，将此距离值赋值为喷嘴到打印平台上该校准点的对高距离值，即喷嘴在该校准点的高度值，同时控制打印平台或打印喷头连接的机架结构恢复至初始位置，控制系统判断为完成该校准点的对高测量工作，该校准点的校准过程结束；

403：依次选择其余校准点，依据步骤401和402的方法进行其余校准点的校准过程，得到喷嘴在其余校准点的高度值；

404：根据记录的喷嘴在对高点的高度值及喷嘴在各校准点的高度值对打印平台进行调平校准。

在步骤404中，根据记录的喷嘴在对高点的高度值和喷嘴在各校准点的高度值对打印平台进行调平校准，使其满足以下限定：喷嘴在对高点的高度值与喷嘴在各校准点的高度值的距离差值的绝对值≤0.5mm。

在步骤4中，在选取校准点时，需要保证校准点均匀分布，当打印平台面积较大时，校准点应较多，当打印平台面积较小时，校准点的数量可少些。

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，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种3D打印机校准装置，其特征在于，所述3D打印机校准装置为高度校准模块，高度校准模块包括校准A片(2)、校准B片(4)以及间隔件(3)，校准A片和校准B片均为具有弹性的薄片，且平行设置，两者的端头处通过插入间隔件实现两者的隔离；校准A片和校准B片的相对面上分别设有相对应的校准区域，校准区域内均设置电极(5)，电极导通形成的电信号传递至控制系统；所述高度校准模块在校准模式下的位置状态特征是：位于打印喷头与打印平台之间，校准A片和校准B片平行于打印平台以及打印喷头的喷嘴(1)出丝口端面，且打印喷头的喷嘴位于校准区域的正上方。

2.根据权利要求1所述的3D打印机校准装置，其特征在于，校准A片和校准B片之间的距离为0.1mm-10mm。

3.根据权利要求1所述的3D打印机校准装置，其特征在于，校准A片和校准B片均为聚偏氟乙烯高分子薄膜。

4.根据权利要求1所述的3D打印机校准装置，其特征在于，校准A片和校准B片均为金属薄片。

5.根据权利要求1所述的3D打印机校准装置，其特征在于，高度校准模块通过机械联动结构连接在可移动的打印喷头上，机械联动结构与喷头电机连接，喷头电机与控制系统连接。

6.一种利用权利要求1、2、3、4任一所述3D打印机校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将高度校准模块移动至校准模式的位置，使校准A片和校准B片平行于打印平台和喷嘴出丝口端面，校准A片靠近喷嘴出丝口端面；

步骤2：在打印平台上选择对高点，同步控制打印喷头及高度校准模块移动至对高点正上方；

步骤3:控制打印平台自其初始位置向打印喷头的喷嘴方向竖直向上运动，或同步控制打印喷头及高度校准模块自其初始位置向打印平台方向竖直向下运动，首先使打印平台与校准B片的下表面贴合接触，然后使喷嘴的出丝口端面与校准A片的上表面贴合接触，且继续挤压校准A片向校准B片运动，直至校准B片的校准区域和校准A片的校准区域相接触，两校准区域接触后，其中的电极产生电信号，电信号传递至控制系统，控制系统发出停止竖直运动指令，并记录打印平台或打印喷头在该过程中的竖直运动距离，将此距离值赋值为喷嘴在对高点的高度值，同时控制打印平台、打印喷头及高度校准模块恢复至初始位置，控制系统判断为完成对高测量工作，对高点的校准过程结束。

7.根据权利要求6所述的利用3D打印机校准装置的校准方法，其特征在于，高度校准模块通过机械联动结构连接在可移动的打印喷头上，打印喷头连接在机架结构上，机械联动结构与喷头电机连接，喷头电机与控制系统连接。

8.根据权利要求7所述的利用3D打印机校准装置的校准方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤4:在打印平台上选取N个校准点，对每一个校准点进行步骤2和步骤3的对高测量工作过程；具体如下：

401：选择一个校准点，控制打印喷头连接的机架结构使打印喷头及高度校准模块同步移动至校准点正上方；

402：控制打印平台自其初始位置向打印喷头的喷嘴方向竖直向上运动或控制打印喷头连接的机架结构自其初始位置向打印平台方向竖直向下运动，首先使打印平台与校准B片的下表面贴合接触，然后使喷嘴的出丝口端面与校准A片的上表面贴合接触，且继续挤压校准A片向校准B片运动，直至校准B片的校准区域和校准A片的校准区域相接触，两校准区域接触后，其中的电极导通产生电信号，电信号传递至控制系统，控制系统发出停止竖直运动指令，并记录打印平台或打印喷头连接的机架结构在该过程中的竖直运动距离，将此距离值赋值为喷嘴在该校准点的高度值，同时控制打印平台或打印喷头连接的机架结构恢复至初始位置，控制系统判断为完成该校准点的对高测量工作，该校准点的校准过程结束；

403：依次选择其余校准点，依据步骤401和402的方法进行其余校准点的校准过程，得到喷嘴在其余校准点的高度值；

404：根据记录的喷嘴在对高点的高度值以及喷嘴在各校准点的高度值对打印平台进行调平校准。

9.根据权利要求8所述的3D打印机校准装置的校准方法，其特征在于，喷嘴在对高点的高度值与喷嘴在各校准点的高度值的距离差值的绝对值≤0.5mm。