CN109049705A - 一种测定五轴fdm三维打印机转台中心的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，利用多面体测量块吸附在转台表面，分别将测量块的两个斜面旋转到水平位置以及将转台旋转至水平，在上述三种情况下，基于对刀原理并利用喷头对同一点的坐标进行测量，通过三组坐标联立计算出转台转轴中心坐标。本发明所达到的有益效果：本方法利用测量块，结合对刀原理对转台进行多角度的测量，从而得到准确的中心坐标。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，属于技术领域。
背景技术
基于熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)的三维打印技术是三维打印领域的传统打印技术之一，因其采用熔融状态的打印材料逐层堆积成型的原理简单而且易于实现而受到广大设备开发者和用户的欢迎，可以适用的打印各种实物模型和工艺品。目前市场上的三维打印机大多是以打印机限位开关所限制的点为原点进行打印，切片软件大多也是以三维打印机坐标系原点为基准进行G代码的生成。受目前常用的切片软件的限制，若要使用5轴三维打印机，需要将打印件分成几部分进行打印，每部分分别由切片软件切片后打印。对于旋转后工件的坐标，因为打印时需要知道其在打印机坐标系中的坐标，故需要知道转台的旋转中心来确定其旋转后的位置坐标，这样才可以精确的控制喷头完成打印。由此可见，确定转轴转台中心对于G代码的生成以及打印产品的精确度都有着非常重要的作用。这个转台中心一般由厂家制造时便已确定。但由于存在各种制造误差，转轴中心的实际位置可能与制造厂家期望的位置有偏差，影响打印产品的精度。在打印机长期使用的过程中，打印机转台也会存在偏移，导致转台转轴中心变化，需要重新测量打印机转台转轴中心。
齐次坐标变换的方法在电脑图形中的应用无处不在，因为该坐标允许平移、旋转、缩放及透视投影等可表示为矩阵与向量相乘的一般向量运算。依据链式法则，任何此类运算的序列均可相乘为单一个矩阵，从而实现简单且有效之处理。与此相反，若使用笛卡儿坐标，平移及透视投影不能表示成矩阵相乘。因此，使用齐次坐标变换的方法可以轻松得到某点旋转或平移后的坐标，给我们的计算带来方便。
目前市场上存在着几种确定转台转轴中心的方法，这些方法各有特点，但是大多比较复杂，工人操作起来有一定难度，并且购买设备的成本比较高。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，利用齐次坐标变换的方法测量三组数据便能轻松计算出转轴中心。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，利用多面体测量块吸附在转台表面，分别将测量块的两个斜面旋转到水平位置以及将转台旋转至水平，在上述三种情况下，基于对刀原理并利用喷头对同一点的坐标进行测量，通过三组坐标联立计算出转台转轴中心坐标。
前述的一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，所述多面体测量块设置有若干个，且均设有磁力底座；所述测量块的一组相对的侧面上设置有互相垂直的斜面；所述测量块的底部放置在转台表面，跟随转台一起转动且不发生相对移动垂直，测量点到测量块的两个斜面的距离为标准值。
前述的一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，所述测量块采用顶面一组对边上设置有缺口的矩形块，测量块的截面为六边形；
前述的一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，所述三组坐标的具体得到过程如下：
所述三组坐标的具体得到过程如下：
1)转动转台使得转台回归到零位；所述零位为：打印平台处于水平位置，平台侧面与机床坐标系Z_O_Y基准面平行；
通过机床对刀的方式分别对测量块的除斜面外的三组面进行测量，得到测量块角点的坐标值，记录此坐标初始角点坐标P0；
2)转台归零后，绕X轴旋转特定角度后，将一个斜面处于水平位置，且另一个斜面与其垂直；缓慢移动打印机喷头，通过机床对刀的方式分别对测量块的除斜面外的三组面进行测量，得到一组坐标，此坐标利用设计时所规定的测量块的标准值，通过换算可得到转动后角点坐标，记录为
3)转台归零后，以同样的方法转动Z轴，使得测量块的一个侧面与机床坐标系Z_O_Y基准面平行，得到同一角点绕Z轴转动特定角度后坐标，记为
前述的一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，测量时，打印机喷头快要接近测量块时将塞尺插入缝隙中，来回拉动塞尺，感到有阻力时表明该间隙值接近塞尺上所标出的数值；此时停止打印机喷头的移动，读出此时喷头的坐标，减去塞尺的标定值，形成待测量点的实际坐标。
本发明所达到的有益效果：本方法利用测量块，结合对刀原理对转台进行多角度的测量，从而得到准确的中心坐标。
附图说明
图1(a)-(d)是对应不同角度标准测量块图；
图2是图1(b)的立体图；
图3(a)和(b)是转台测试时的两种测量状态；
图4是测量转台转轴中心流程简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种计算五轴FDM三维打印机转台中心的装置和方法。包括确定转台中心的装置和方法两个部分。
确定转轴中心的装置利用了机床加工中对刀的原理。该装置是一系列拥有磁力底座的多面体，可以吸附在转台表面跟随转台一起转动且不发生相对移动，且拥有众多基准平面，可以充当对喷嘴时的基准平面。一个装置对应一个特定的绕X轴的旋转角度，比如15°，30°，45°，60°，90°等。在旋转特定角度后，装置的一个面会来到水平位置，且有一个基准平面与其垂直，便可继续利用对刀原理对某点坐标进行测量。由于绕Z轴的旋转一般不会受到转台设备的干涉影响，故绕Z轴旋转90°测量坐标即可，不再需要一系列特定角度。
齐次坐标在电脑图形内无处不在，因为该坐标允许平移、旋转、缩放及透视投影等可表示为矩阵与向量相乘的一般向量运算。依据链式法则，任何此类运算的序列均可相乘为单一个矩阵，从而实现简单且有效之处理。当五轴打印机转台绕着转台中心旋转一个确定角度时，便可通过齐次坐标变换中的旋转变换矩阵确定出旋转后的该点在工件打印坐标系中的坐标，该坐标加上假设的转台转轴中心的坐标与用测量装置测得的坐标值相等，便可得到三个方程。再次旋转一定角度，用上述方法再次得出三个方程。以上方程联立便可计算出转台中心坐标。图1～4所示，本发明公开了一种测定五轴三维打印机转台转轴中心的装置和方法。
首先，确定一切设备准备就绪。用上位机控制打印机喷头回到坐标原点，此时上位机显示坐标原点坐标。继续用上位机控制打印机喷头分别沿X轴 Y轴Z轴移动，确保上位机上能够正确显示出喷头所处位置坐标。选取一个合适的角度，选取对应的测量装置。用干净的布将塞尺测量表面擦拭干净，不能在塞尺沾有油污或金属屑末的情况下进行测量，否则将影响测量结果的准确性。一切准备就绪后，便开始测量坐标。
控制五轴FDM三维打印机的转台到水平位置，将带有磁块的测量装置吸附到转台表面，尽可能的远离视觉上的转台中心，以保证更高的测量精度。首先，快速移动FDM三维打印机喷头，使其快速到达测量装置附近，然后，缓慢移动喷头，测量装置上的某一点。本文以图2所示面1面2面4 的交点A为例进行说明。打印机喷头来到面1的上方，缓慢向下移动喷头，快要接近时将塞尺插入缝隙中，来回拉动塞尺，感到稍有阻力时，说明该间隙值接近塞尺上所标出的数值。此时停止打印机喷头的移动，从计算机中读出此时喷头的Z坐标，减去塞尺的标定值，记为Z1。然后喷头沿Z方向稍稍抬起，沿X方向移动，移动到面3一侧，用喷头的侧面向面3靠近。同样用塞尺来回拉动，当稍感阻力时，停止喷头移动，读出此时的Y值，此值加上喷头中心到喷头侧面的距离，加上塞尺的标定值，再加上A点到面3的距离，记为Y1。最后，拿喷头侧面去靠近面2，用同样的方法测出X1。则P0(X1,Y1,Z1)即为所找点A的坐标。
然后，将打印机转台绕X轴旋转角度θ1，本文以60°为例。由于强磁力的作用测量装置并不会与转台发生相对移动。再次移动打印机喷头按照以上测量坐标的方法，即分别以面2面4面5(面4与面5垂直)为基准面进行测量，得出绕X轴旋转60°后该点在机器坐标系的坐标，记为 (X2,Y2,Z2)。测量坐标完成后将打印机转台恢复到水平位置。
最后，将打印机转台绕Z轴旋转角度θ2。按同样方法测得此时测量装置A点的机器坐标，记为(X3,Y3,Z3)。注意在每次测量完坐标，转台旋转之前，一定要将打印机喷头向远离转台方向移动一段距离，以免在转台旋转的过程中打到喷头，对喷头造成损伤。
得出三组数据后，便可按照以下方法计算转轴中心的机器坐标。
假设转台转轴中心的坐标为(X,Y,Z)，则转台在水平位置时相对于转轴中心的坐标为(X1-X,Y1-Y,Z1-Z)。
转台绕X轴旋转角度θ1的相应变换如下则绕X轴旋转θ1，变换后的坐标(相对于转轴中心)为
可以得到三个方程，如下所示
X1-X＝X2-X
cosθ1×(Y1-Y)-sinθ1×(Z1-Z)＝Y2-Y
sinθ1×(Y1-Y)+cosθ1×(Z1-Z)＝Z2-Z
以上三方程联立，可解得
转台绕Z轴旋转角度θ2的相应变换如下
则绕Z轴旋转θ2，变换后的坐标(相对于转轴中心)为
可以得到三个方程，如下所示
cosθ2×(X1-X)-sinθ2×(Y1-Y)＝X3-X
sinθ2×(X1-X)+cosθ2×(Y1-Y)＝Y2-Y
Z1-Z＝Z3-Z
联立以上方程，可得
由以上计算可以得到X，Y，Z的值。值得注意的是，计算Y的公式有两个，在实际应用中这两个公式任意选择一个进行计算，所得结果是一样的。
综上所述，经过本专利提供的方法计算，只要知道三组坐标值以及绕X 轴和Z轴转过的角度，便可以非常轻松地计算出三维打印机转台中心的坐标，即
特别地，当θ2＝90°时，转台中心坐标为
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，利用多面体测量块吸附在转台表面，分别将测量块的两个斜面旋转到水平位置以及将转台旋转至水平，在上述三种情况下，基于对刀原理并利用喷头对同一点的坐标进行测量，通过三组坐标联立计算出转台转轴中心坐标。
2.根据权利要求1所述的一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，所述多面体测量块设置有若干个，且均设有磁力底座；所述测量块的一组相对的侧面上设置有互相垂直的斜面；所述测量块的底部放置在转台表面，跟随转台一起转动且不发生相对移动垂直，测量点到测量块的两个斜面的距离为标准值。
3.根据权利要求2所述的一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，所述标准值为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，所述测量块采用顶面一组对边上设置有缺口的矩形块，测量块的截面为六边形。
5.根据权利要求1所述的一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，所述三组坐标的具体得到过程如下：
1)转动转台使得转台回归到零位；所述零位为：打印平台处于水平位置，平台侧面与机床坐标系Z_O_Y基准面平行；
通过机床对刀的方式分别对测量块的除斜面外的三组面进行测量，得到测量块角点的坐标值，记录此坐标初始角点坐标P0；
2)转台归零后，绕X轴旋转特定角度后，将一个斜面处于水平位置，且另一个斜面与其垂直；缓慢移动打印机喷头，通过机床对刀的方式分别对测量块的除斜面外的三组面进行测量，得到一组坐标，此坐标利用设计时所规定的测量块的标准值，通过换算可得到转动后角点坐标，记录为
3)转台归零后，以同样的方法转动Z轴，使得测量块的一个侧面与机床坐标系Z_O_Y基准面平行，得到同一角点绕Z轴转动特定角度后坐标，记为
6.根据权利要求5所述的一种测定五轴FDM三维打印机转台中心的方法，其特征是，测量时，打印机喷头快要接近测量块时将塞尺插入缝隙中，来回拉动塞尺，感到有阻力时表明该间隙值接近塞尺上所标出的数值；此时停止打印机喷头的移动，读出此时喷头的坐标，减去塞尺的标定值，形成待测量点的实际坐标。
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