CN108621411A - 自动调平的3d打印机以及3d打印机的自动调平方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了自动调平的3D打印机以及3D打印机的自动调平方法，该3D打印机包括：一基台；一喷头，所述喷头相对于所述基台运动；以及一具有传感器的监测系统，建立一三维坐标系，检测所述基台的上表面在所述三维坐标系中的姿态数据，并根据所述姿态数据修正所述喷头在三维坐标系中的打印路径。本发明的3D打印机以及自动调平方法结构简单、调平快速，并且没有调节幅度限制，同时还有很高的准确度。

Description

自动调平的3D打印机以及3D打印机的自动调平方法

技术领域

本发明涉及3D打印设备领域，尤其涉及一种自动调平的3D打印机以及3D打印机的自动调平方法。

背景技术

3D打印(3DP)是即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。

日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。

在3D打印过程中，打印喷头与平台的相对距离决定了打印模型的底部与平台的结合情况。距离过远会使喷头挤出的材料脱离平台最终导致打印失败；距离过近会使喷头与平台之间存在过大的压力，影响喷头移动与材料挤出最终导致电机失步；距离相差过大还会影响到模型的尺寸。理想情况下应该是喷头降到Z轴零点时X轴和Y轴在任何位置，其与平台的距离都是恒定且弱接触。所谓弱接触即喷头与平台之间不产生压力且距离最小。

为达到最理想的打印效果，需要在打印之前调整喷头零点与平台的距离以及平台的水平。而现在的3D打印机通常会通过几项技术来实现：

(1)调节Z轴限位开关来调整喷头与平台的距离。

(2)通过平台下方调节螺母微调喷头与平台的距离，以及调节平台的水平。

(3)增加传感器向用户反馈当前平台与喷头之间的距离和姿态，以提供更好的手工调平体验和调平准确度。

(4)将调节螺母连接自动装置，如电机。与传感器配合以实现自动调平。

相对而言，任意一款3D打印机可以使用上述一种或多种技术。若使用得少，则装置相对简单，对用户的使用经验有较高的要求，调平的效果也不佳；而使用上述所有技术之后，调平装置过于复杂，同时增加了装置成本与失效率。用户使用虽然容易，但是调平需要较长的时间。无论什么方案用户体验都不理想。另外，使用调节螺母的方案能够对平台进行调整的范围受螺母长度限制，通过不能进行较大幅度的调节。

有鉴于此，发明人提供了一种自动调平的3D打印机以及3D打印机的自动调平方法。

发明内容

本发明的目的在于提供自动调平的3D打印机以及3D打印机的自动调平方法，克服了现有技术的困难，本发明结构简单、调平快速，并且没有调节幅度限制，同时还有很高的准确度。

根据本发明的一个方面，提供一种自动调平的3D打印机，包括：

一基台；

一喷头，所述喷头相对于所述基台运动；以及

一具有传感器的监测系统，建立一三维坐标系，检测所述基台的上表面在所述三维坐标系中的姿态数据，并根据所述姿态数据修正所述喷头在三维坐标系中的打印路径。

优选地，所述传感器包括距离检测传感器、光线检测传感器、微动开关检测传感器、电平翻转检测传感器中的至少一种。

优选地，所述监测系统记录所述喷头与所述基台弱接触时的三维坐标，来测得所述基台的上表面在所述三维坐标系中的姿态数据，并根据所述姿态数据修正所述喷头在三维坐标系中的打印路径。

优选地，所述监测系统包括一检测电平翻转的电压检测单元和一供电单元，所述基台的上表面设有至少一个导电触点，所述电压检测单元电连接所述喷头，所述供电单元电连接每个所述导电触点。

优选地，所述监测系统包括一检测电平翻转的电压检测单元和一供电单元，所述基台的上表面设有至少一个导电触点，所述电压检测单元电连接每个所述导电触点，所述供电单元电连接所述喷头。

优选地，所述导电触点分别位于所述基台的上表面的边沿，且所述导电触点与所述基台的上表面平齐。

优选地，包括四个所述导电触点，分别位于所述基台的上表面的四角。

根据本发明的另一个方面，还提供一种3D打印机的自动调平方法，采用上述的自动调平的3D打印机，包括以下步骤：

S110、建立一三维坐标系，包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴；

S120、驱动所述喷头分别与至少三个所述导电触点弱接触，并记录弱接触时的三维坐标；

S130、根据至少三个所述导电触点的三维坐标，建立所述基台的上表面在所述三维坐标系中的平面方程z’＝f(x，y)；以及

S140、根据所述平面方程z’＝f(x，y)修正所述喷头在三维坐标系中的打印路径。

优选地，所述步骤S130中所述平面方程的方程值为所述基台的上表面的每个投影点(x，y，0)与三维坐标系中零点的Z轴的高度差z’。

优选地，所述步骤S140中包括根据所述喷头在三维坐标系中的打印路径的每个投影点(x，y，0)与零点的Z轴的高度差z’，来修正所述喷头在三维坐标系中的打印路径的每个点的坐标(x，y，z1)，其中z1＝z+z’。

优选地，所述步骤S120中，所述弱接触为所述喷头靠近所述导电触点的进程中，发生电平翻转时刻的接触状态。

优选地，在所述步骤S120中，每次所述喷头与所述导电触点弱接触的过程包括：

所述喷头移动至所述导电触点上方；

所述喷头向所述导电触点缓慢下降；

直至检测到发生电平翻转时所述喷头停止下降，记录此时所述喷头的三维坐标；

所述喷头上升。

优选地，所述喷头下降的位移精度为0.001毫米。

优选地，在所述步骤S120中，驱动所述喷头分别与所有所述导电触点弱接触。

优选地，在所述步骤S120之间还包括步骤S100、驱动所述基台下降。

优选地，所述步骤S130中的平面方程z’＝ax+by+c，其中，-0.5<a<0.5，-0.5<b<0.5，-10<c<10，且a、b、c均为有理数。

由于采用了以上技术，本发明的自动调平的3D打印机以及3D打印机的自动调平方法结构简单、调平快速，并且没有调节幅度限制，同时还有很高的准确度。

附图说明

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。

图1为本发明的第一种自动调平的3D打印机的立体图；

图2为本发明的第一种自动调平的3D打印机中基台的示意图；

图3为本发明的第一种自动调平的3D打印机的调平电路的第一状态示意图；

图4为本发明的第一种自动调平的3D打印机的调平电路的第二状态示意图；

图5为本发明的第一种3D打印机的自动调平方法的流程图；

图6至9为本发明的第一种自动调平的3D打印机工作原理示意图；

图10为本发明的第二种自动调平的3D打印机中基台的示意图；以及

图11为本发明的第三种自动调平的3D打印机中基台的示意图。

附图标记

1 基台

11 第一导电触点

12 第二导电触点

13 第三导电触点

14 第四导电触点

15 第五导电触点

16 第六导电触点

17 第七导电触点

18 第八导电触点

2 喷头

3 监测系统

31 电压检测单元

32 供电单元

4 打印组件

5 底座

6 三维系统装置

A 开关器件

B 打印机内阻

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的结构和部件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

第一实施例

本发明的自动调平的3D打印机，包括：基台、喷头以及具有传感器的监测系统。喷头相对于基台运动。监测系统建立一三维坐标系，检测基台的上表面在三维坐标系中的姿态数据，并根据姿态数据修正喷头在三维坐标系中的打印路径。本发明中的传感器包括距离检测传感器、光线检测传感器、微动开关检测传感器、电平翻转检测传感器中的至少一种，但不以此为限。监测系统记录喷头与基台弱接触时的三维坐标，来测得基台的上表面在三维坐标系中的姿态数据，并根据姿态数据修正喷头在三维坐标系中的打印路径。以下将以电平翻转检测传感器为例，检测喷头与基台之间的弱接触，以此测得基台的上表面在三维坐标系中的姿态数据，但本发明的自动调平的3D打印机并不限于电平翻转检测传感器以及检测弱接触。

图1为本发明的第一种自动调平的3D打印机的立体图。图2为本发明的第一种自动调平的3D打印机中基台的示意图。如图1和2所示(为了更清楚地显示基台1与喷头2的位置关系，后续图2、6至11等图中都不再示出打印组件4、三维移动系统6等部件)，本发明的第一种自动调平的3D打印机，包括：基台1、监测系统3、打印组件4以及三维移动系统6。基台1的上表面设有四个导电触点(第一导电触点11、第二导电触点12、第三导电触点13、第四导电触点14)。打印组件4，位于基台1的一侧，打印组件4包括至少一喷头2，喷头2位于打印组件4的下表面。由于3D打印机是需要借助于重力来堆积材料，所以，本发明中的“下方”、“下表面”都是代表了朝着重力方向的方向或是朝着重力方向的表面，但不以此为限。本实施例中的喷头2本身是金属材质，并通过导线引出连接到监测系统3。三维移动系统6连接打印组件4，带动打印组件4的喷头2相对于基台1进行三维方向上的同步移动，使得喷头2可以进行精确地、缓慢地的下降，以便与导电触点发生弱接触。监测系统3建立一个三维坐标系，记录喷头2分别与四个导电触点弱接触时的三维坐标，来测得基台1的上表面在三维坐标系中的姿态数据，并根据姿态数据修正喷头在三维坐标系中的打印路径。本发明中的所谓弱接触即喷头与平台之间不产生压力且距离最小。本发明中的基台1为矩形，但不以此为限，本发明的基台也可以是圆形、方形、三角形的基台。本实施例中，四个导电触点分别位于基台1的上表面边沿的四角，以便提升调平的精确度。导电触点可以是金属触点，但不以此为限。本发明的基台1至少需要具有三个不在一直线上的导电触点，应为三个不在一直线上三个点可以确定一个平面在空间坐标系上的位置。并且，每个导电触点与基台1的上表面平齐，以便每个导电触点都能准确测量基台1在三维坐标系中的姿态数据。本发明中的姿态数据是基台1的上表面在三维坐标系中的平面方程。

本发明通过一个或多个安装于喷头或者平台上的传感器获取平台调整前与喷头之间的距离及姿态。例如：的喷头与电源正极相连，平台连接一个电压传感器上，四角有与喷头接触的触点。当喷头与触点接触，电压传感器会与电源正极导通以测得高电平。图3为本发明的第一种自动调平的3D打印机的调平电路的第一状态示意图。如图3所示，本实施例中，本发明的监测系统3包括一检测电平翻转的电压检测单元31和一供电单元32(例如：5伏电源的正极)，电压检测单元31电连接喷头2，供电单元32电连接每个导电触点。其中，A区域代表了喷头2与导电触点之间的接触关系。当喷头2与导电触点未接触时，喷头2与导电触点断路，相当于A区域的开关断开，则此时电压检测单元31与供电单元32不导通，电压检测单元31持续测得到低电平。B代表了3D打印机的内阻。

图4为本发明的第一种自动调平的3D打印机的调平电路的第二状态示意图。如图4所示，本实施例中，当喷头2与导电触点弱接触时，喷头2与导电触点导通，相当于A区域的开关关闭，则此时电压检测单元31与供电单元32导通，电压检测单元31开始测得到高电平，电压检测单元31根据这种电平的翻转来判断喷头2在缓慢下降的过程中，喷头2与导电触点是否弱接触。获取平台姿态的过程中，喷头从平台上方预设高度开始，依次移动到与平台四角上的触点对应的位置。喷头缓慢下降，直到电压传感器侦测到高电平，下降过程停止，电平翻转时Z轴的位置对应的就是平台在触点位置与喷头预设高度之间的距离。收集完所有四个角的距离数据即表示平台的距离及姿态。根据获取到的平台姿态数据，将每一个喷头运动目标位置换算。使得每一条打印路径与平台或之前打印完的材料完全贴合。

在一个变化例中，也可以交换电压检测单元31和供电单元32的连接关系，同样可以达到检测弱接触的目的，例如：电压检测单元31电连接每个导电触点，供电单元32电连接喷头2，实现原理如前，此处不再赘述。

图5为本发明的第一种3D打印机的自动调平方法的流程图。如图5所示，本发明的3D打印机的自动调平方法，采用上述的自动调平的3D打印机，包括以下步骤：

S100、驱动基台下降。平台可以下降任意距离，(在本实施案例将其设置为10毫米)，此时可以确保喷头与平台是非接触状态，则电压检测单元31与供电单元32不导通，电压检测单元31检测到低电平。

S110、建立一三维坐标系，包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴。

S120、驱动喷头依次与基台上的全部四个导电触点弱接触，并记录四次弱接触时的三维坐标。将喷头在XY平面上运动到其中一个导电触点上方，随后缓慢上升平台，直到喷头与导电触点接触，电压检测单元31与供电单元32导通，则电压检测单元31检测到高电平。该导电触点位置调平任务完成，记录下弱接触时刻的喷头坐标位置。重复以上步骤直到所有导电触点均完成调平，收集所有坐标点位置。具体来说，本实施例中的弱接触为喷头靠近导电触点的进程中，发生电平翻转时刻的接触状态。图6至9为本发明的第一种自动调平的3D打印机工作原理示意图。如图6至9所示，喷头2依次去弱接触第一导电触点11、第二导电触点12、第三导电触点13以及第四导电触点14。每次喷头与导电触点弱接触的过程包括：喷头移动至导电触点上方。喷头向导电触点缓慢下降。直至检测到发生电平翻转时喷头停止下降，记录此时喷头的三维坐标。喷头上升。本发明的三维移动系统6中的步进电机走一步为旋转1.8度，通过驱动电路还可对每步进一步细分，如1/2步、1/8步、1/64步、1/256步。同时电机旋转会通过机械传动以一定比率转化为高度方向的直线运动。这些参数不同的实现会导致不同的高度精度，本实施例中，喷头下降的位移精度为0.001毫米，但不以此为限。本发明的方法中至少需要弱接触三个不在一直线上的导电触点，应为三个不在一直线上三个点可以确定一个平面在空间坐标系上的位置。

S130、根据四个导电触点的三维坐标，建立基台的上表面在三维坐标系中的平面方程z’＝f(x，y)。步骤S130中平面方程的方程值为基台的上表面的每个投影点(x，y，0)与三维坐标系中零点的Z轴的高度差z’。例如：步骤S130中的平面方程可以是z’＝ax+by+c，其中，-0.5<a<0.5，-0.5<b<0.5，-10<c<10，且a、b、c均为有理数，但不以此为限。在本实施例中，喷头2与第一导电触点11、第二导电触点12、第三导电触点13、第四导电触点14分别弱接触时的点坐标为P1(0，0，0.5)，P2(0，100，1)，P3(100，0，1)，P4(100，100，1.5)。则所求得的最佳平面方程为：z’＝f(x，y)＝0.005X+0.005Y+0.005。其中：a＝0.005，b＝0.005，c＝0.005。

S140、根据平面方程z’＝f(x，y)修正喷头在三维坐标系中的打印路径。步骤S140中包括根据喷头在三维坐标系中的打印路径的每个投影点(x，y，0)与零点的Z轴的高度差z’，来修正喷头在三维坐标系中的打印路径的每个点的坐标(x，y，z1)，其中z1＝z+z’。在本实施例中，喷头在三维坐标系中的打印路径的每一个点(x，y，z)都需要根据其投影点(x，y，0)带入到平面方程为：z’＝f(x，y)＝0.005X+0.005Y+0.005，求得每个点对应的z’，从而来修正打印路径的每一个点为(x，y，z1)，其中z1＝z+z’＝z+0.005X+0.005Y+0.005，即修正后的打印路径的每一个点为(x，y，z+0.005X+0.005Y+0.005)。

如果喷头在三维坐标系中的打印路径的一个点为(1，10，100)则通过本发明调平后，该点的在三维坐标系中的位置修正为(1，10，100.06)。如果喷头在三维坐标系中的打印路径的一个点为(20，50，90)则通过本发明调平后，该点的在三维坐标系中的位置修正为(20，50，90.355)。如果喷头在三维坐标系中的打印路径的一个点为(200，30，100)则通过本发明调平后，该点的在三维坐标系中的位置修正为(200，30，101.155)，以此类推，不再赘述。通过本发明3D打印机的自动调平方法修正后的打印路径能够有效避免基台不水平带来的打印偏差，大大提高了打印的准确度。

第二实施例

图10为本发明的第二种自动调平的3D打印机中基台的示意图。如图10所示，本发明的第二种自动调平的3D打印机中基台1的上表面设有八个导电触点(第一导电触点11、第二导电触点12、第三导电触点13、第四导电触点14、第五导电触点15、第六导电触点16、第七导电触点17、第八导电触点18)。其中，第一导电触点11、第二导电触点12、第三导电触点13、第四导电触点14分别位于基台1的上表面的四个角，第五导电触点15、第六导电触点16、第七导电触点17、第八导电触点18分别位于基台1的条边的中央。喷头2可以分别与这八个导电触点进行弱接触，以便更准确地获得基台1的上表面在三维坐标系中的姿态数据，更准确地建立基台1的上表面在三维坐标系中的平面方程。以此类推，在本发明的基础上检测更多的导电触控点以便提高测量准确性的技术方案也落在本发明的保护范围之内。

第三实施例

图11为本发明的第三种自动调平的3D打印机中基台的示意图。如图10所示，本发明的第二种自动调平的3D打印机中基台1的上表面设有三个导电触点(第一导电触点11、第二导电触点12、第三导电触点13)，其中第一导电触点11位于上表面一边的中央，而第二导电触点12、第三导电触点13分别位于对边的两端，第一导电触点11、第二导电触点12、第三导电触点13在基台1的上表面形成一个三角形。喷头2可以分别与这三个导电触点进行弱接触，由于需要弱接触的导电触点数量减少了，所以能更快速地获得台1的上表面在三维坐标系中的姿态数据，更快速地建立基台1的上表面在三维坐标系中的平面方程。

综上可知，本发明的自动调平的3D打印机以及3D打印机的自动调平方法结构简单、调平快速，并且没有调节幅度限制，同时还有很高的准确度。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种自动调平的3D打印机，其特征在于，包括：

一基台(1)；

一喷头(2)，所述喷头(2)相对于所述基台(1)运动；以及

一具有传感器的监测系统(3)，建立一三维坐标系，检测所述基台(1)的上表面在所述三维坐标系中的姿态数据，并根据所述姿态数据修正所述喷头在三维坐标系中的打印路径。

2.如权利要求1所述的自动调平的3D打印机，其特征在于：所述传感器包括距离检测传感器、光线检测传感器、微动开关检测传感器、电平翻转检测传感器中的至少一种。

3.如权利要求1所述的自动调平的3D打印机，其特征在于：所述监测系统(3)记录所述喷头(2)与所述基台(1)弱接触时的三维坐标，来测得所述基台(1)的上表面在所述三维坐标系中的姿态数据，并根据所述姿态数据修正所述喷头在三维坐标系中的打印路径。

4.如权利要求3所述的自动调平的3D打印机，其特征在于：所述监测系统(3)包括一检测电平翻转的电压检测单元(31)和一供电单元(32)，所述基台(1)的上表面设有至少一个导电触点，所述电压检测单元(31)电连接所述喷头(2)，所述供电单元(32)电连接每个所述导电触点。

5.如权利要求3所述的自动调平的3D打印机，其特征在于：所述监测系统(3)包括一检测电平翻转的电压检测单元(31)和一供电单元(32)，所述基台(1)的上表面设有至少一个导电触点，所述电压检测单元(31)电连接每个所述导电触点，所述供电单元(32)电连接所述喷头(2)。

6.如权利要求4或5所述的自动调平的3D打印机，其特征在于：所述导电触点分别位于所述基台(1)的上表面的边沿，且所述导电触点与所述基台(1)的上表面平齐。

7.一种3D打印机的自动调平方法，其特征在于，采用如权利要求1至6中任意一项所述的自动调平的3D打印机，包括以下步骤：

S110、建立一三维坐标系，包括相互垂直的X轴、Y轴和Z轴；

S120、驱动所述喷头分别与所述导电触点弱接触，并记录弱接触时的三维坐标；

S130、根据所述导电触点的三维坐标，建立所述基台的上表面在所述三维坐标系中的平面方程z’＝f(x，y)；以及

S140、根据所述平面方程z’＝f(x，y)修正所述喷头在三维坐标系中的打印路径。

8.如权利要求7所述的3D打印机的自动调平方法，其特征在于：所述步骤S120中，驱动所述喷头分别与所有所述导电触点弱接触，所述弱接触为所述喷头靠近所述导电触点的进程中，发生电平翻转时刻的接触状态；

每次所述喷头与所述导电触点弱接触的过程包括：

所述喷头移动至所述导电触点上方；

所述喷头向所述导电触点缓慢下降；

直至检测到发生电平翻转时所述喷头停止下降，记录此时所述喷头的三维坐标；

所述喷头上升。

9.如权利要求7所述的3D打印机的自动调平方法，其特征在于：所述步骤S130中所述平面方程的方程值为所述基台的上表面的每个投影点(x，y，0)与三维坐标系中零点的Z轴的高度差z’。

10.如权利要求7所述的3D打印机的自动调平方法，其特征在于：所述步骤S140中包括根据所述喷头在三维坐标系中的打印路径的每个投影点(x，y，0)与零点的Z轴的高度差z’，来修正所述喷头在三维坐标系中的打印路径的每个点的坐标(x，y，z1)，其中z1＝z+z’。