CN108943726B - 一种桌面式3d打印机的调平装置及调平方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种桌面式3D打印机的调平装置及调平方法，包括打印机机架、固定平台、打印平台、升降装置、激光测距装置及控制器，所述激光测距装置包括激光器、透光镜和光栅副，本发明所述的桌面式3D打印机通过控制器控制激光器发出激光，通过透光镜反射到光栅副上，使得光栅副上形成亮暗交替的莫尔条纹，并由光电元件测得实际光栅副上莫尔条纹中心点与理论调平莫尔条纹中心点之间的位移并反馈给控制器，进而控制升降装置调整打印平台的偏移量，实现桌面式3D打印机打印平台水平方向的调平，为提高桌面式3D打印机成型精度的打印提供了支持，且进一步提高桌面式3D打印机的自动化程度。

Description

一种桌面式3D打印机的调平装置及调平方法
技术领域
本发明涉及3D打印机技术领域，特别涉及一种桌面式3D打印机的调平装置及调平方法。
背景技术
3D打印机又称三维打印机，是一种应用于增材制造技术领域的设备，现阶段三维打印机技术采用逐层打印的方式来构造物体，3D打印技术可用于珠宝，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，和许多其他领域。它是一种以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维实体。
3D打印时，若打印平台不是水平放置，打印喷头尖嘴经过凸起部分时将会造成喷头尖嘴与平台碰撞，损伤喷嘴，而经过打印平台低洼部分时将造成打印喷头接触不到打印平台使挤出的丝难以和打印平台牢固粘接。因此，调平打印平台，对于避免造成3D打印机损伤，保证3D打印产品成型质量具有重要意义。
为实现打印平台调平，目前主要采用人工调平的方式。打印平台与正下方固定底座间加上弹簧和螺母进行调节，通过人工把打印喷头移动至打印平台上不同位置，通过肉眼观察喷头与打印平台间的距离是否一致，当距离不一致时，通过旋转调节螺母实现打印喷头与打印平台上各处距离一致。但是该方法需要多次尝试，效率较低，且主要需要通过肉眼观察判断，调平精度不高，不适用于对打印精度较高的产品。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种桌面式3D打印机的调平装置及调平方法，通过控制打印平台处的多个丝杆步进电机，实现打印平台水平方向上的精确调平，为提高桌面式3D打印机成型精度的打印提供了支持，且进一步提高桌面式3D打印机的自动化程度。
一种桌面式3D打印机的调平装置，包括打印机机架、固定平台、打印平台、激光测距装置及控制器，所述固定平台固定在打印机机架上，所述打印平台通过四个支点安装在所述固定平台上方，一条对角线上的两个支点为一组，一个支点处设有连接打印平台和固定平台的固定件，另一个支点处设有调节打印平台上升或下降的升降装置，所述激光测距装置包括激光器、透光镜和光栅副，所述激光器和透光镜分别设置在一条对角线上的两个所述支点处，所述光栅副设置在透光镜一侧的打印机机架上，所述控制器控制激光器发出激光穿过透光镜，聚焦给光栅副，并通过光栅副上莫尔条纹的偏移量控制升降机构运动，调节打印平台上升或下降。
进一步的，所述升降装置为滚珠丝杠机构，所述滚珠丝杠机构包括丝杠步进电机和丝杠螺母，所述丝杠步进电机通过固定平台安装在打印平台下方，所述丝杆螺母安装在所述打印平台上，所述丝杠步进电机的输出轴竖直方向设置且穿设于所述丝杠螺母。
进一步的，所述升降装置为电动推杆。
进一步的，所述固定件为垫片、球面副或螺母。
本发明还提出一种桌面式3D打印机的调平方法，包括以下步骤：
步骤一、控制器控制激光器发射光源，发出的光源穿过透光镜，将光源聚焦给光栅副；
步骤二、光栅副上的光电元件通过将自身产生的莫尔条纹亮暗的光信号转换成电脉冲信号，并将其反馈给控制器，控制器通过控制升降装置运动，调节打印平台上升或下降；
一本发明还提出一种桌面式3D打印机的调平方法，包括以下步骤：
步骤一、控制器控制激光器发射光源，发出的光源穿过透光镜，将光源聚焦给光栅副；
步骤二、光栅副上的光电元件通过将自身产生的莫尔条纹亮暗的光信号转换成电脉冲信号，并将其反馈给控制器，控制器通过控制滚珠丝杠机构运动，调节打印平台上升或下降。
进一步的，步骤一还包括以下步骤：
步骤101、令光栅副的中心点为A点，打印平台偏移时光栅副上的莫尔条纹中心位置为A’点，激光器的中心点为B点，透光镜的中心点为C点，则光栅副的莫尔条纹的偏移量为LA'A，激光测距装置中的激光器与透光镜的水平距离为LAB，激光器与透光镜的水平距离为LBC；
步骤102、以C点竖直向下的垂线与AB连线的交点为D点，LCD表示打印平台透光镜处的支点相对于激光镜处的支点竖直方向的偏移量。LDB为透光镜到激光器的水平距离，由于
Figure GDA0002277025190000023
根据相似三角形的定理，可得
Figure GDA0002277025190000021
因此
Figure GDA0002277025190000022
其中，LA'A为实际莫尔条纹中心点与理论调平莫尔条纹中心点之间的位移，该段位移由光电元件测得并反馈给控制器，LDB和LAB均为固定长度；
所述步骤二具体包括如下步骤：
步骤201、通过LA'A、LDB和LAB可求得LCD，将LCD反馈给控制器，控制器通过计算，算出脉冲数发给丝杆步进电机，丝杆步进电机转动，带动透光镜处的支点偏移，对打印平台的一条对角线进行调平。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明公开的一种桌面式3D打印机的调平装置及调平方法，通过激光器发射光源，并经过透光镜反射，将光源聚焦于光栅副上，光栅副上的光电元件将光栅副上莫尔条纹亮暗的光信号转换成电脉冲信号，可精确得到打印平台的偏移量。
2.本发明公开的一种桌面式3D打印机的调平装置及调平方法，通过控制打印平台处的升降机构，实现打印平台水平方向上的精确调平。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的打印平台、固定平台和激光器连接的局部结构示意图。
图3为本发明的打印平台、固定平台和丝杠步进电机的连接的结构示意图。
图4为本发明打印平台的俯视图。
图5为本发明调平时的激光测距装置和打印平台的位置关系图。
图6为本发明第一种实施方式激光测距装置和打印平台的位置关系图。
图7为本发明第二种实施方式激光测距装置和打印平台的位置关系图。
图8为本发明的控制流程图
其中，1、打印机机架；2、光栅副；21、第一光栅副；22、第二光栅副；3、透光镜；31、第一透光镜；32、第一透光镜；4、丝杠步进电机；41、第一丝杠步进电机；42、第二丝杠步进电机；5、激光器；51、第一激光器；32、第二激光器；6、固定平台；7、打印平台；71、第一支点；72、第二支点；73、第三支点；74、第四支点；75、支点；8、固定件；9、控制器；10、丝杠螺母；101、第一丝杠螺母；102、第二丝杠螺母；11、滚珠丝杠机构；111、第一滚珠丝杠机构；112、第二滚珠丝杠机构；12、激光测距装置；121、第一激光测距装置；122、第二激光测距装置；13、升降装置。
具体实施方式
下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，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，都属于本发明创造保护的范围。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，一种桌面式3D打印机的自动调平装置，包括打印机机架1、固定平台6、打印平台7、升降装置13、激光测距装置12及控制器9。其中，升降装置13可以为电动推杆或滚珠丝杠机构11。
如图1-图4所示，固定平台6固定在打印机机架1上，打印平台7设在固定平台6上方，打印平台7为矩形板且包括四个支点75，分别为第一支点71、第二支点72、第三支点73和第四支点74。
如图3所示，本发明通过滚珠丝杠机构对打印平台7进行调平。滚珠丝杠机构11包括丝杠步进电机和丝杠螺母。本发明中，设有两组滚珠丝杠机构11，分别是第一滚珠丝杠机构111和第二滚珠丝杠机构112，第一滚珠丝杠机构111包括第一丝杠步进电机41和第一丝杠螺母101，第二滚珠丝杠机构112包括第二丝杠步进电机42和第二丝杠螺母102。第一丝杠步进电机41安装在固定平台6上且设在打印平台7的第一支点71下方，打印平台7的第一支点71处设有第一丝杠螺母101，第一丝杠步进电机41的输出轴竖直方向设置并与第一丝杠螺母101连接，用于调节打印平台7上升或下降。第二丝杠步进电机42安装在固定平台6上且设在打印平台7的第二支点72下方，打印平台7的第二支点72处设有第二丝杠螺母102，第二丝杠步进电机42的输出轴竖直方向设置并与第二丝杠螺母102连接，用于调节打印平台7上升或下降。
如图1、图2和图4激光测距装置12包括激光器5、透光镜3和光栅副2。本发明中，激光测距装置12设有两组，分别是第一激光测距装置121和第二激光测距装置122。第一激光测距装置121包括第一激光器51、第一透光镜31和第一光栅副21。第二激光测距装置122包括第二激光器52、第二透光镜32和第二光栅副22。第一透光镜31安装在打印平台7的第一支点71处，第一激光器51安装在打印平台7的第三支点73处，使得第一透光镜31和第一激光器51设置在打印平台7的一条对角线上，第一光栅副21设在设置在第一透光镜31一侧的打印机机架1上。在调节过程中，控制器9控制第一激光器51发出激光，通过第一透光镜31反射到第一光栅副21上，使得第一光栅副21上形成亮暗交替的莫尔条纹。第二透光镜32安装在打印平台7的第二支点72处，第二激光器52安装在打印平台7的第四支点74处，使得第二透光镜32和第二激光器52设置在打印平台7的另一条对角线上，第二光栅副22设在设置在第二透光镜32一侧的3D打印机立柱上。在调节过程中，控制器9控制第二激光器52发出激光，通过第二透光镜32反射到第二光栅副22上，使得第二光栅副22上形成亮暗交替的莫尔条纹。
如图1-图3打印平台7的第三支点73和第四支点74与固定平台6通过固定件8连接，固定件8可以为垫片、球面副或螺母等。
如图5所示，为本发明桌面式3D打印机的打印平台7理论调平时的位置关系图，以通过第一激光测距装置121调节打印平台7的偏移为例，令第一光栅副21的中心点为A点，则打印平台7调平时的第一光栅副21的莫尔条纹中心位置为A，第一激光器51的中心点为B点，第一透光镜31的中心点为C点，则第一激光测距装置121中的第一激光器51与第一透光镜31的水平距离为LAB，第一激光器51与第一透光镜31的水平距离为LBC，控制器9控制第一激光器5发出激光，通过第一透光镜31反射到第一光栅副21上，使得第一光栅副21上形成亮暗交替的莫尔条纹。
如图6所示，为本发明的实施例一，通过第一激光测距装置121调节打印平台7的偏移为例，令打印平台7偏移时第一光栅副21上的莫尔条纹中心位置为A’点。当LA'A>0时，打印平台7上的第一透光镜31处的第一支点71相对于第一激光器51处的第三支点73沿水平方向向上偏移。读取第一光栅副21的参数，确定LA'A，LA'A为实际第一光栅副21上莫尔条纹中心点与理论调平莫尔条纹中心点之间的位移，该段位移由光电元件测得并反馈给控制器9。
C点为第一透光镜31的中心点，以C点竖直向下的垂线与AB连线的交点为D点，LCD表示打印平台7第一透光镜31处的第一支点71相对于第一激光器51处的第三支点73沿水平方向向上偏移量。LDB为第一透光镜31到第一激光器51的水平距离，该段距离也为固定长度。由图可知，
Figure GDA0002277025190000053
故根据相似三角形的定理，得知
Figure GDA0002277025190000051
故
Figure GDA0002277025190000052
其中，LA'A为实际莫尔条纹中心点与理论调平莫尔条纹中心点之间的位移，该段位移由第一光栅副21中的光电元件测得并反馈给控制器9，LDB和LAB均为固定长度，通过LA'A、LDB和LAB可求得LCD。将LCD反馈给控制器9，控制器9通过计算，算出脉冲数发给第一丝杆步进电机41，第一丝杆步进电机41正转，带动第一透光镜31处的第一支点71向下偏移，对打印平台7的一条对角线进行调平。
如图7所示，为本发明的实施例二，通过第一激光测距装置121调节打印平台7的偏移为例，令打印平台7偏移时第一光栅副21上的莫尔条纹中心位置为A’点。当LA'A<0时，打印平台7上的第一透光镜31处的第一支点71相对于第一激光器51处的第三支点73沿水平方向向下偏移。读取第一光栅副21的参数，确定LA'A，LA'A为实际第一光栅副21上莫尔条纹中心点与理论调平莫尔条纹中心点之间的位移，该段位移由第一光栅副21上的光电元件测得并反馈给控制器9。
C点为第一透光镜3的中心点，以C点竖直向下的垂线与AB连线的交点为D点，LCD表示打印平台7第一透光镜31处的第一支点71相对于第一激光器51的第三支点73沿水平方向向下偏移量。LDB为第一透光镜31到第一激光器51的水平距离，该段距离也为固定长度。由图可知，
Figure GDA0002277025190000063
故根据相似三角形的定理，得知
Figure GDA0002277025190000061
故
Figure GDA0002277025190000062
其中，LA'A为实际莫尔条纹中心点与理论调平莫尔条纹中心点之间的位移，该段位移由第一光栅副21上的光电元件测得并反馈给控制器9，LAB和LAB均为固定长度，通过LA'A、LAB和LAB可求得LCD。将LCD反馈给控制器9，控制器9通过计算，算出脉冲数发给第一丝杆步进电机41，第一丝杆步进电机41反转，带动第一透光镜3处的第一支点71向上偏移，对打印平台7的一条对角线进行调平。
同理，可通过读取第二光栅副22上莫尔条纹中心点与理论调平莫尔条纹中心点之间的位移，将该段位移由第二光栅副22上的光电元件测得并反馈给控制器9，控制器9通过计算，算出脉冲数发给第二丝杆步进电机42，带动第二透光镜23处的第二支点72偏移，对打印平台7的另一条对角线进行调平。
如图8所示，为发明调平方法的流程图，启动控制器9，读取第一光栅副21上的偏移量LA'A，判断LA'A是否大于0，若大于0，第一透光镜31处的第一支点71相对于第一激光器51处的第三支点73沿水平方向向上偏移，根据第一光栅副21的光电元件测得偏移量LA'A，根据LA'A及
Figure GDA0002277025190000071
可得打印平台7第一透光镜31处的第一支点71相对于第一激光器51处的第三支点73沿水平方向向上偏移量LCD，将反馈给控制器9，控制器9通过计算，算出脉冲数发给第一丝杆步进电机41，第一丝杆步进电机正转41，对打印平台7的一条对角线进行调平。若小于0，第一透光镜31处的第一支点71相对于第一激光器51处的第三支点73沿水平方向向下偏移，根据第一光栅副21的光电元件测得偏移量LA'A，根据LA'A及
Figure GDA0002277025190000072
可得打印平台7第一透光镜31处的第一支点71相对于第一激光器51处的第三支点73沿水平方向向下偏移量LCD，将反馈给控制器9，控制器9通过计算，算出脉冲数发给第一丝杆步进电机41，第一丝杆步进电机反转41，对打印平台7的一条对角线进行调平。同理，可通过读取第二光栅副22的偏移量，并反馈给控制器9，控制器9通过计算，算出脉冲数发给第二丝杆步进电机42，带动第二透光镜23处的第二支点72偏移，对打印平台7的另一条对角线进行调平。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明创造的优选实施例而已，并不用于限制本发明创造，尽管参照前述实施例对本发明创造进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种桌面式3D打印机的调平装置，其特征在于：包括打印机机架、固定平台、打印平台、激光测距装置及控制器，所述固定平台固定在打印机机架上，所述打印平台通过四个支点安装在所述固定平台上方，一条对角线上的两个支点为一组，一个支点处设有连接打印平台和固定平台的固定件，另一个支点处设有调节打印平台上升或下降的升降装置，所述激光测距装置包括激光器、透光镜和光栅副，所述激光器和透光镜分别设置在一条对角线上的两个所述支点处，所述光栅副设置在透光镜一侧的打印机机架上，所述控制器控制激光器发出激光穿过透光镜，聚焦给光栅副，并将光栅副上莫尔条纹的偏移量转变成打印平台透光镜处的支点相对于激光镜处的支点竖直方向的偏移量，进而控制升降机构运动，调节打印平台上升或下降，令光栅副的中心点为A点，打印平台偏移时光栅副上的莫尔条纹中心位置为A’点，激光器的中心点为B点，透光镜的中心点为C点，则实际莫尔条纹中心点与理论调平莫尔条纹中心点之间的位移为LA'A，激光测距装置中的激光器与透光镜的水平距离为LAB，激光器与透光镜的水平距离为LBC，以C点竖直方向的垂线与AB连线的交点为D点，LCD表示打印平台透光镜处的支点相对于激光镜处的支点竖直方向的偏移量，LDB为透光镜到激光器的水平距离，由于
Figure FDA0002277025180000011
根据相似三角形的定理，可得
Figure FDA0002277025180000012
因此
Figure FDA0002277025180000013
通过LA'A、LDB和LAB可求得LCD，将LCD反馈给控制器，控制器通过计算，控制升降机构进行运动，带动透光镜处的支点上升或下降，对打印平台的一条对角线进行调平。
2.根据权利要求1所述的桌面式3D打印机的调平装置，其特征在于：所述升降装置为滚珠丝杠机构，所述滚珠丝杠机构包括丝杠步进电机和丝杠螺母，所述丝杠步进电机通过固定平台安装在打印平台下方，所述丝杠螺母安装在所述打印平台上，所述丝杠步进电机的输出轴竖直方向设置且穿设于所述丝杠螺母。
3.根据权利要求1所述的桌面式3D打印机的调平装置，其特征在于：所述升降装置为电动推杆。
4.根据权利要求1所述的桌面式3D打印机的调平装置，其特征在于：所述固定件为垫片、球面副或螺母。
5.一种桌面式3D打印机的调平方法，使用权利要求2所述的一种桌面式3D打印机的调平装置进行调平，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、控制器控制激光器发射光源，发出的光源穿过透光镜，将光源聚焦给光栅副；
步骤二、光栅副上的光电元件通过将自身产生的莫尔条纹亮暗的光信号转换成电脉冲信号，并将其反馈给控制器，控制器将光栅副上莫尔条纹的偏移量转变成打印平台透光镜处的支点相对于激光镜处的支点竖直方向的偏移量，进而控制滚珠丝杠机构运动，调节打印平台上升或下降。
6.根据权利要求5所述的调平方法，其特征在于，所述步骤一具体包括如下步骤：
步骤101、令光栅副的中心点为A点，打印平台偏移时光栅副上的莫尔条纹中心位置为A’点，激光器的中心点为B点，透光镜的中心点为C点，则光栅副的莫尔条纹的偏移量为LA'A，激光测距装置中的激光器与透光镜的水平距离为LAB，激光器与透光镜的水平距离为LBC；
步骤102、以C点竖直向下的垂线与AB连线的交点为D点，LCD表示打印平台透光镜处的支点相对于激光镜处的支点竖直方向的偏移量，LDB为透光镜到激光器的水平距离，由于
Figure FDA0002277025180000021
根据相似三角形的定理，可得
Figure FDA0002277025180000022
因此
Figure FDA0002277025180000023
其中，LA'A为实际莫尔条纹中心点与理论调平莫尔条纹中心点之间的位移，该段位移由光电元件测得并反馈给控制器，LDB和LAB均为固定长度；
所述步骤二具体包括如下步骤：
步骤201、通过LA'A、LDB和LAB可求得LCD，将LCD反馈给控制器，控制器通过计算，算出脉冲数发给丝杠步进电机，丝杠步进电机转动，带动透光镜处的支点偏移，对打印平台的一条对角线进行调平。
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