CN107791521B

CN107791521B - 一种三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统及方法

Info

Publication number: CN107791521B
Application number: CN201710812221.2A
Authority: CN
Inventors: 黄进; 南金政; 刘大川; 赵家勇; 孟凡博
Original assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Current assignee: Xian University of Electronic Science and Technology
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2037-09-11
Also published as: CN107791521A

Abstract

本发明属于三维打印技术及数控加工领域，公开了一种三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统及方法，夹具支架通过安装孔装于设备Z轴；设备Z轴通过第二容置孔上的紧定螺栓安装激光器；二维高精密PSD位置传感器固定于设备C轴工作转台中心区域；高精度PSD位置传感器信号采集处理板，用于处理PSD传感器采集到的信号，转化为可识别数字信号，安置于设备平面上分别与二维高精密PSD位置传感器和上位机连接。本发明有效解决3D喷墨打印中存在的打印喷头Z向对中问题以及数控加工中XOY平面中心的标定问题；设计简单、结构精巧、使用效果好、使用寿命长的用于3D喷墨打印喷头Z向对中以及数控加工中XOY平面对刀的PSD对中装置。

Description

一种三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统及方法

技术领域

本发明属于三维打印技术及数控加工领域，尤其涉及一种三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统及方法。

背景技术

三维打印技术是快速成型技术的一种，它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。随着材料科学、激光技术、制造科学和信息技术等有关3D打印技术的发展，3D打印系统及设备越来越完善。在3D打印过程中，影响产品精度的因素很多，如打印机本身的精度、材料的性能、打印过程中的工艺参数设定、制件翘曲等。其中打印机本身的制造和装配精度以及打印喷头的对中问题等都会影响其打印精度。因此3D喷墨打印过程中的对中心的设置问题，对3D喷墨打印质量，尤其是进行曲面打印时，因中心偏移，导致图形部分的曲率不一致，表面的成型精度受到影响，造成打印图形的质量问题。当设备的工作平台可移动或者可拆卸时，工作平台的原点或中心，往往需要多次标定，同时由于打印喷头本身易碎且不能和工件以及转台直接接触的特点，普通对刀仪又无法直接使用。在数控加工领域中，加工工件时，工件装卸，刀具调整等辅助时间，在整个加工过程中占据了很大的比例，其中刀具的调整既费时又费力，又容易产生误差，特别是刀具装好以后需要重新标定坐标中心等，更需要很大的时间和精力。现有的对中方案即为：①在三维打印设备上，目前没有较为规范的对中装置和方法，我们现在使用的方法是：在标定中心位置时，使用功率较大的激光器(约200mW)安装在Z轴上，激光器垂直于C轴工作平台，然后在C轴上平铺一块硬质材料，360°转动C轴，观察激光器在C轴硬质材料上烧结的痕迹，根据烧结轨迹半径，慢慢缩小其半径大小，直至激光器烧结成一点，则达到对中效果，这种方法重复次数多，花费约1个小时的时间，并且激光烧出的轨迹存在较大误差(误差约0.3mm)，既费时费力，精度也不高。②数控加工中，使用偏心棒对毛坯进行分中设置，需要将毛坯在4个方向上，移动，即当偏心棒触碰到毛坯时，方能确定该毛坯边的位置坐标，重复操作四个边后，定出毛坯的中心，这种方法不仅要进行换刀等繁琐步骤，而且耗时比较多；③使用百分表对回转体工件进行对中，在360°的范围内旋转C轴工作转台10，在慢速旋转过程中，每45°记录一个百分表的读数，然后分八个点进行记录，在这个过程，根据数值大小对工件中心进行调整，直到达到加工要求；缺点：使用百分表对中，不仅需要反复来回测量，并且读数麻烦，易读错，花费时间较多，且百分表对中只能针对回转曲面体进行对中。

综上所述，现有技术存在的问题是：①当设备的工作平台可移动或者可拆卸时，工作平台的原点或中心，往往需要多次标定；②现有的激光烧结或者百分表对中方法，操作复杂，不仅要花费大量的时间和精力，精度也不是很高；③同时由于打印喷头本身易碎且不能和工件以及转台直接接触，普通对刀仪又无法直接使用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统及方法。

本发明是这样实现的，一种三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统，所述三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统设置有：

夹具支架；

所述夹具支架通过安装孔装于设备Z轴上；所述设备Z轴通过第二容置孔上的紧定螺栓安装激光器；

二维高精密PSD位置传感器固定于设备C轴工作转台的中心区域，且保证PSD的XOY坐标平面与三维打印设备或数控设备的XOY平面平行；

高精度PSD位置传感器信号采集处理板，用于处理PSD传感器采集到的信号，转化为可识别的数字信号，安置于设备平面上分别与所述二维高精密PSD位置传感器和上位机连接。

进一步，所述夹具支架上开设有第一容置孔、第二容置孔；所述第一容置孔、第二容置孔分别用于安装打印喷头和激光器。

进一步，打印喷头保护套、打印喷头安装于第一容置孔的上方，通过紧定螺栓固定在支架上。

本发明的另一目的在于提供一种所述三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统的三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中方法，所述三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中方法包括：开启数控设备和激光器，通过升降Z轴和旋转激光器的旋钮，对光斑大小进行调试，使激光照射在PSD的接收光敏面上，查看PSD的信号接收情况，同时微调PSD的放置位置，使PSD系统的XOY坐标平面与三维打印设备或者数控设备的XOY坐标平面严格平行；调试完成后，360°转动设备C轴工作转台，在PSD位置传感器上，查看激光生成的轨迹，标定平台中心，轨迹半径为Rmm；移动刀具或打印喷头位置至激光轨迹的中心处，完成对中。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统的3D打印机。

本发明的优点及技术效果为：可以有效的解决3D喷墨打印中存在的打印喷头Z向对中问题以及数控加工中XOY平面中心的标定问题。本发明的设计简单、结构精巧、使用效果好、使用寿命长的用于3D喷墨打印中Z向对中以及数控加工中XOY平面对刀的新型PSD对中装置。本发明的优点及技术效果为：可以有效的解决3D喷墨打印中存在的打印喷头Z向对中问题以及数控加工中XOY平面中心的标定问题。通过使用精密的PSD位置传感器(分辨率约为3—5μm)，将对中的误差精度，由之前的较大偏差得到有效的降低，和现有对种方法对比结果如下表所示：

附图说明

图1是本发明实施例提供的三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的夹具支架结构示意图；

图3是本发明实施例提供的激光在PSD上的坐标和轨迹图；

图中：1、基座；2、设备龙门支架；3、设备Z轴；4、夹具支架；4-1、第一容置孔；4-2、第二容置孔；4-3、夹具支架安装孔；5、打印喷头；6、打印喷头夹具；7、打印喷头保护套；8、激光器；9、二维精密PSD位置传感器；10、设备C轴工作转台；11、高精密PSD位置传感器信号采集处理板；A点-轨迹圆心坐标；B点-激光起始坐标。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明可以有效的解决3D喷墨打印中存在的打印喷头Z向对中问题以及数控加工中XOY平面中心的标定问题。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统包括：基座1、设备龙门支架2、设备Z轴3、夹具支架4、打印喷头5、打印喷头夹具6、打印喷头保护套7、激光器8、二维精密PSD位置传感器9、设备C轴工作转台10、高精密PSD位置传感器信号采集处理板11。

夹具支架4上开设有第一容置孔4-1、第二容置孔4-2，第一容置孔4-1、第二容置孔4-2保持一定的中心距dmm和轴线平行度，且分别用于安装打印喷头5和激光器8。第二容置孔4-2距数控主轴中心距为Dmm；夹具支架4安装于设备Z轴3方向上，可随Z轴上下移动。保证夹具支架4平面平行于C轴工作转台10，且垂直于设备Z轴3；打印喷头保护套7，随打印喷头5安装于夹具支架4上的第一容置孔4-1的上方，使用紧定螺栓将其固定在夹具支架4上，打印喷头5和第一容置孔4-1的配合为紧配合；高精密PSD位置传感器10分辨率为3—5μm，能够有效的识别不同波段的光束，其检测范围为9mm×9mm的方形区域，安装于设备C轴工作转台的中心区域，在安装过程中保证其和台面平行；所述高精度PSD位置传感器信号采集处理板11，用于处理PSD传感器采集到的信号，将其转化为可是识别的数字信号，其固定于基座1上分别与PSD传感器和上位机软件连接；激光器8使用紧定螺栓安装于第二容置孔4-2，其轴心和打印喷头5中心的中心距为dmm，且激光器8为直线式激光器，其光斑大小可调。应用于数控加工领域和3D喷墨打印时，只需新型PSD对中装置在安装好以后，开启数控设备和激光器8，通过升降Z轴和旋转激光器8的旋钮，对光斑大小进行调试，使激光照射在PSD的接收光敏面上，查看PSD的信号接收情况；调试完成后，360°转动设备C轴工作转台10，在PSD位置传感器上，查看激光生成的轨迹，即可标定平台中心，轨迹半径为Rmm；然后移动打印喷头5或刀具位置至激光轨迹的中心处，即可完成对中。

本发明的新型高精密PSD对中装置应用于数控设备刀具对中时，包括夹具支架4、激光器8、二维高精密PSD位置传感器9以及高精度PSD位置传感器信号采集处理板11；夹具支架4通过安装孔装于设备Z轴3上，可沿Z轴上下运动，其上开设第二容置孔4-2，与主轴的中心距为Dmm，用于安装激光器8；激光器8使用两个紧定螺栓安装于第二容置孔4-2，且激光器8为直线式激光器，其光斑大小可调。二维高精密PSD位置传感器9，其分辨率为3—5μm，其检测范围为9×9mm方形区域，固定于设备C轴工作转台10的中心区域，在安装过程中使用量具进行检测，以调整好二维高精密PSD位置传感器9与设备C轴工作转台10平面的平行度；高精度PSD位置传感器信号采集处理板11，用于处理PSD传感器采集到的信号，将其转化为可是识别的数字信号，安置于设备平面上分别与PSD传感器和上位机接线，保证接线良好。新型PSD对中装置安装完成以后，开启数控设备和激光器8、二维高精密PSD传感器9，开始对中调试；首先将激光器8移动到二维高精密PSD传感器的上方，将激光照射在PSD的接收光敏面上，使PSD传感器上显示相应的光斑位置信息，然后调节光斑大小，使系统达到最佳状态；然后转动设备C轴工作转台10，使PSD记录激光的运动轨迹。

如图1安装完成以后，开启打印设备和激光器8、二维高精密PSD传感器9，开始对中调试；在进行三维打印设备喷头对中时，首先将激光器8移动到二维高精密PSD传感器的上方，将激光照射在PSD的接收光敏面上，使PSD传感器上显示相应的光斑位置信息，然后调节光斑大小，使系统达到最佳状态；然后转动设备C轴工作转台10，使PSD记录激光的运动轨迹，如图3所示，在上位机软件上可显示为半径一定的圆形轨迹，其中B(X1，Y1)为激光起始位置，圆心A(X0，Y0)则为所求的中心点；标定出激光圆形运动轨迹的半径，记为R，则；沿X方向使设备龙门支架2沿导轨移动(d+|(X₀-X₁)|)mm，沿Y方向使打印喷头沿导轨移动(|(Y₀-Y₁)|)mm至激光运动轨迹中心，然后在程序中输入打印喷头新的XY位置坐标，则完成对中设置。在进行数控设备对中时，PSD的上位机软件上可显示为半径一定的圆形轨迹，其中B(X1，Y1)为激光起始位置，圆心A(X0，Y0)则为所求的中心点；标定出激光圆形运动轨迹的半径，记为R，则

；沿X方向使龙门支架2沿导轨移动(D+|(X₀-X₁)|)mm，沿Y方向使主轴沿导轨移动(|(Y₀-Y₁)|)mm至激光运动轨迹中心，然后在程序中输入刀具新的XY位置坐标则完成数控机床XY平面的中心标定。

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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统，其特征在于，所述三维打印设备的打印喷头及数控设备刀具对中系统设置有：

夹具支架；

二维高精密PSD位置传感器固定于设备C轴工作转台的中心区域；

高精度PSD位置传感器信号采集处理板，用于处理PSD传感器采集到的信号，转化为可识别的数字信号，安置于设备平面上分别与所述二维高精密PSD位置传感器和上位机连接；

所述夹具支架上开设有第一容置孔、第二容置孔；所述第一容置孔、第二容置孔分别用于安装打印喷头和激光器。

2.如权利要求1所述的三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统，其特征在于，打印喷头保护套、打印喷头安装于第一容置孔的上方，通过紧定螺栓固定在支架上。

3.一种如权利要求1所述三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统的三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中方法，其特征在于，所述数控设备刀具及三维打印设备喷头的对中方法包括：开启数控设备和激光器，通过升降Z轴和旋转激光器的旋钮，对光斑大小进行调试，使激光照射在PSD的接收光敏面上，查看PSD的信号接收情况，同时微调PSD的放置位置，使PSD系统的XOY坐标与三维打印设备或者数控设备的XOY坐标平面严格平行；调试完成后，360°转动设备C轴工作转台，在PSD位置传感器上，查看激光生成的轨迹，标定平台中心，轨迹半径为Rmm；移动刀具或打印喷头位置至激光轨迹的中心处，完成对中。

4.一种安装有权利要求1～2任意一项所述三维打印设备喷头及数控设备刀具的对中系统的3D打印机或数控设备。