CN109228324A - 高精度3d打印机 - Google Patents
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Abstract
一种高精度3D打印机，包括底座，底座上竖直固定有支撑板，底座上设有在X轴上移动的工作台装置，支撑板上设有打印机构，打印机构包括有挤出送料装置和打印喷头装置，挤出送料装置包括有固定块，固定块上下端分别固定有接入头和挤压轮组，打印喷头装置包括有喉管、加热块以及打印喷头。本发明的结构合理、紧凑，通过在运动控制系统中增加光学位置检测器件，配合工作台装置和打印机构，三个方向的步进电机由同一主控板控制，主控板采用触摸屏设置，操作方便简单，打印精度高,较传统的运动控制系统具有成本较低的优势，且能满足40μm的打印精度要求；实现了对3D打印机的高精度控制，使用效果好，适于推广。
Description
技术领域
本发明涉及打印设备技术领域，尤其涉及一种3D打印机，具体是一种高精度3D打印机。
背景技术
目前现有的3D打印机的驱动机构常用步进电机带动皮带传动，但由于橡胶制成的皮带存在张力不稳定导致带传动的传动比不准确，当步进电机转过预定角度时，使得喷头基座的位移与预定位移出现偏差，导致打印精度不高，且带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大的问题，对于桌面型打印机而言，本身尺寸有限，采用带传动所占空间较大，因此宜采用其他更合适的方式，需要通过改进现有的打印头控制传动机构，实现高精度打印。而且3D打印的过程中由于打印材料需要加热之后喷出，需要在打印材料喷出后冷却固化，而自然冷却效率低，冷却效果差，需要能够快速冷却的3D打印机。
发明内容
本发明要解决上述现有技术存在的问题，提供一种高精度3D打印机，解决目前传统3D打印机移动打印精度低、冷却困难的问题，满足3D打印机精确打印的需求。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种高精度3D打印机，包括底座，底座上竖直固定有支撑板，底座上设有在X轴上移动的工作台装置，工作台装置包括有可调平的打印平台，支撑板上设有可在Y轴和Z轴方向上移动的打印机构，打印机构从上到下依次包括有位于打印平台上方的挤出送料装置和打印喷头装置，挤出送料装置包括有固定块，固定块上下端分别固定有接入头和向下牵引拉动打印材料的挤压轮组，固定块配合上下端的接入头和挤压轮组在上下同一轴线上形成挤压送料通道，打印喷头装置从上到下依次连接包括有喉管、加热块以及打印喷头，喉管正对挤压送料通道，固定块上固定有涡轮风扇，涡轮风扇出口端连接有中空的吹风嘴，吹风嘴出口端弯折形成吹风部，吹风部开放式环抱在打印喷头外圈，吹风部内侧设有一组朝向打印喷头出口端的出风口。这样设置后，打印平台可在X轴方向上移动，打印机构在Y轴和Z轴方向上移动，达到精确移动和打印的目的，固定块配合上下端的接入头和挤压轮组在上下同一轴线上形成挤压送料通道，打印材料放入接入头后，在挤压轮组拉扯下穿过挤压送料通道，实现自动送料的目的；打印材料穿过挤压送料通道后进入打印喷头装置，依次经过喉管、加热块以及打印喷头，在加热块加热融化后由打印喷头喷出，达到3D打印的效果，可实现打印精度40μm。
一种应用高精度D打印机上的运动控制系统及其控制方法，运动控制系统依次设有运动控制器、电机驱动器、电机、高精度光学位置反馈轮、带发光二极管的光学位置检测器、信号采集转换器，运动控制系统的控制方法为运动控制器将打印指令转换成电机驱动信号，电机转动带动丝杆使装置在XYZ轴直线移动，并同步带动高精度位置反馈轮，位置检测器检查到电机的转动，并将转动的幅度实时传送到信号采集转换器，信号采集转换器将信号进行变换，然后传回运动控制器，运动控制器在原有开环步进电机控制系统基础上，进行位置跟随调节以提高轴移动精度。为提高打印精度，采用带有光学传感器反馈的三轴运动控制系统，光学位置检测器件主要由发光二极管、微型COMS图形传感器和DSP信号处理单元构成，在光电鼠标上得到普遍应用。现有的伺服系统采用伺服电动机、编码器、伺服控制器，总体成本较高，而本打印机采用的三轴运动控制系统具有成本较低的优势，且能满足40μm的打印精度要求。具体零件参数要求如下：1、位置检测器：采用12,000fps，8200cpi的光学位置检测器，保证信号采样速度及精度；2、信号采集转换器：对采样进行位置转换处理及传输；3、运动控制器：根据位置信号输出电机控制信号；4、电机：采用步进电机，带动三轴直线移动；5、高精度光学位置反馈轮：跟随电机同步转动，能被图形传感器拍到准确反馈转动位置，安装在电机输出轴上，置于双膜联轴器前端。
作为本发明的进一步改进，工作台装置上包括有托板，打印平台可升降连接在托板上方，托板和打印平台之间连接有一组调平弹簧，调平弹簧分别位于托板四个边角。托板用于支撑打印平台，而调平弹簧可以对打印平台进行调平，从四个边角位置进行调平，通过改进的调平平台，可在出厂时设置好调平，免于用户后期的调平，减少调平时间。
作为本发明的进一步改进，挤压轮组由主动齿轮和与之啮合的挤压齿轮组成，挤压齿轮啮合端面上设有半圆形的环状凹槽，环状凹槽与主动齿轮配合处为挤压送料通道，主动齿轮连接有固定在固定块左侧的进料电机。进料电机带动主动齿轮转动，主动齿轮和挤压齿轮相向啮合将打印材料从上方拉下来，挤压齿轮表面的环状凹槽用于容纳打印材料，主动齿轮一边带动挤压齿轮转动一边通过齿挤压在打印材料上，在转动过程中自然将打印材料挤压拉扯下来，大大加快打印材料进料效率。
作为本发明的进一步改进，喉管顶部端口处连接有散热块，打印机构上连接有导流罩，导流罩一端开设有吸入孔，导流罩另一端开设有正对散热块的出风口，出风口和吸入孔之间连通形成散热通道，散热通道内设有散热风扇。导流罩出风口和吸入孔之间连通形成散热通道，并开启散热风扇利用空气在散热通道内形成风力将热量吹走，实现降温的目的。
作为本发明的进一步改进，散热块为柱状结构，散热块侧端面上从上到下均布有一组环状凹槽，环状凹槽正对导流罩出风口。环状凹槽增加了散热块与空气的接触面积，在导流罩出风口出风的情况下能带走大量热量，大大提高散热块的散热效率。
作为本发明的进一步改进，X、Y和Z轴上沿轴向分别设有X轴丝杆、Y轴丝杆和Z轴丝杆，X轴丝杆通过滑块与工作台装置相连，Y轴丝杆通过连接架连接在Z轴丝杆上，Y轴丝杆通过滑块与打印机构相连，X轴丝杆、Y轴丝杆和Z轴丝杆均通过双膜联轴器与步进电机相连。X、Y和Z轴上分别设有移动系统，移动系统的传动结构为电机连接丝杆，丝杆转动带动装置移动并通过滑块实现装置滑动，丝杆带动的移动方式能有效提高移动精度，也提高移动控制系统的控制精确性。
作为本发明的进一步改进，X、Y和Z轴方向上均设有用于丝杆移动限位的光电开关和光电限位挡片。光电开关和光电限位挡片相互配合形成限位效果，当X、Y和Z轴装置移动到极限指定位置后，光电开关和光电限位挡片配合给出信号电机停止运转。
作为本发明的进一步改进，散热块入口处竖直连接有隔热管，隔热管位于环状凹槽与主动齿轮配合处的正下方。隔热管可以隔绝加热块通过喉管传导上来的热量，而且隔热管可以接受挤压轮组拉扯下来的打印材料，为后续加热做准备。
作为本发明的进一步改进，吹风部朝打印喷头侧倾斜向下，吹风部的出风口倾斜向下对准打印喷头出口端，吹风部的出风口为扁平状结构。这样设置后，吹风部的出风口对准打印喷头出口端，可以做到吹风快速冷却，而出风口为扁平状结构可以将尽可能多的风吹出，提高降温效果。
本发明有益的效果是：本发明的结构合理、紧凑，通过在运动控制系统中增加光学位置检测器件，配合工作台装置和打印机构，三个方向的步进电机由同一主控板控制，主控板采用触摸屏设置，操作方便简单，打印精度高,较传统的运动控制系统具有成本较低的优势，且能满足40μm的打印精度要求；实现了对3D打印机的高精度控制，使用效果好，适于推广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的前视图；
图4为本发明打印机构的结构示意图；
图5为本发明打印机构的前视图；
图6为本发明打印机构的结构示意图；
图7为本发明打印喷头装置的结构示意图；
图8为本发明吹风嘴的结构示意图；
图9为本发明吹风嘴的右视图；
图10为本发明运动控制系统的结构示意图；
图11为本发明运动控制系统的安装示意图。
附图标记说明：底座1，支撑板2，打印平台3，固定块4，接入头5，挤压轮组6，喉管7，加热块8，打印喷头9，涡轮风扇10，吹风嘴11，吹风部12，托板13，调平弹簧14，主动齿轮15，挤压齿轮16，进料电机17，散热块18，导流罩19，散热风扇20，X轴丝杆21，Y轴丝杆22，Z轴丝杆23，光电开关24，光电限位挡片25，隔热管26，双膜联轴器27，步进电机相连28，高精度光学位置反馈轮29，光学位置检测器30。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参照附图：本实施例中的这种高精度3D打印机，包括底座1，底座1上竖直固定有支撑板2，底座1上设有在X轴上移动的工作台装置，工作台装置包括有可调平的打印平台3，支撑板2上设有可在Y轴和Z轴方向上移动的打印机构，打印机构从上到下依次包括有位于打印平台3上方的挤出送料装置和打印喷头装置，挤出送料装置包括有固定块4，固定块4上下端分别固定有接入头5和向下牵引拉动打印材料的挤压轮组6，固定块4配合上下端的接入头5和挤压轮组6在上下同一轴线上形成挤压送料通道，打印喷头装置从上到下依次连接包括有喉管7、加热块8以及打印喷头9，喉管7正对挤压送料通道，固定块4上固定有涡轮风扇10，涡轮风扇10出口端连接有中空的吹风嘴11，吹风嘴11出口端弯折形成吹风部12，吹风部12开放式环抱在打印喷头9外圈，吹风部12内侧设有一组朝向打印喷头9出口端的出风口。
工作台装置上包括有托板13，打印平台3可升降连接在托板13上方，托板13和打印平台3之间连接有一组调平弹簧14，调平弹簧14分别位于托板13四个边角。
挤压轮组6由主动齿轮15和与之啮合的挤压齿轮16组成，挤压齿轮16啮合端面上设有半圆形的环状凹槽，环状凹槽与主动齿轮配合处为挤压送料通道，主动齿轮15连接有固定在固定块4左侧的进料电机17。
喉管7顶部端口处连接有散热块18，打印机构上连接有导流罩19，导流罩19一端开设有吸入孔，导流罩19另一端开设有正对散热块18的出风口，出风口和吸入孔之间连通形成散热通道，散热通道内设有散热风扇20。
散热块18为柱状结构，散热块18侧端面上从上到下均布有一组环状凹槽，环状凹槽正对导流罩19出风口。
X、Y和Z轴上沿轴向分别设有X轴丝杆21、Y轴丝杆22和Z轴丝杆23，X轴丝杆21通过滑块与工作台装置相连，Y轴丝杆22通过连接架连接在Z轴丝杆23上，Y轴丝杆22通过滑块与打印机构相连，X轴丝杆21、Y轴丝杆22和Z轴丝杆23均通过双膜联轴器27与步进电机相连28。
X、Y和Z轴方向上均设有用于丝杆移动限位的光电开关24和光电限位挡片25。
散热块18入口处竖直连接有隔热管26，隔热管26位于环状凹槽与主动齿轮配合处的正下方。
吹风部12朝打印喷头9侧倾斜向下，所述吹风部12的出风口倾斜向下对准打印喷头9出口端，吹风部12的出风口为扁平状结构。
一种应用高精度3D打印机上的运动控制系统及其控制方法，运动控制系统依次设有运动控制器、电机驱动器、电机、高精度光学位置反馈轮29、带发光二极管的光学位置检测器30、信号采集转换器，运动控制系统的控制方法为运动控制器将打印指令转换成电机驱动信号，电机转动带动丝杆使装置在XYZ轴直线移动，并同步带动高精度位置反馈轮，光学位置检测器30检查到电机的转动，并将转动的幅度实时传送到信号采集转换器，信号采集转换器将信号进行变换，然后传回运动控制器，运动控制器在原有开环步进电机控制系统基础上，进行位置跟随调节以提高轴移动精度。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。
Claims (10)
1.一种高精度3D打印机，包括底座(1)，底座(1)上竖直固定有支撑板(2)，其特征是：所述底座(1)上设有在X轴上移动的工作台装置，所述工作台装置包括有可调平的打印平台(3)，所述支撑板(2)上设有可在Y轴和Z轴方向上移动的打印机构，所述打印机构从上到下依次包括有位于打印平台(3)上方的挤出送料装置和打印喷头装置，所述挤出送料装置包括有固定块(4)，所述固定块(4)上下端分别固定有接入头(5)和向下牵引拉动打印材料的挤压轮组(6)，所述固定块(4)配合上下端的接入头(5)和挤压轮组(6)在上下同一轴线上形成挤压送料通道，所述打印喷头装置从上到下依次连接包括有喉管(7)、加热块(8)以及打印喷头(9)，所述喉管(7)正对挤压送料通道，所述固定块(4)上固定有涡轮风扇(10)，所述涡轮风扇(10)出口端连接有中空的吹风嘴(11)，所述吹风嘴(11)出口端弯折形成吹风部(12)，所述吹风部(12)开放式环抱在打印喷头(9)外圈，所述吹风部(12)内侧设有一组朝向打印喷头(9)出口端的出风口。
2.根据权利要求1所述的高精度3D打印机，其特征是：所述工作台装置上包括有托板(13)，所述打印平台(3)可升降连接在托板(13)上方，所述托板(13)和打印平台(3)之间连接有一组调平弹簧(14)，所述调平弹簧(14)分别位于托板(13)四个边角。
3.根据权利要求1所述的高精度3D打印机，其特征是：所述挤压轮组(6)由主动齿轮(15)和与之啮合的挤压齿轮(16)组成，所述挤压齿轮(16)啮合端面上设有半圆形的环状凹槽，所述环状凹槽与主动齿轮配合处为挤压送料通道，所述主动齿轮(15)连接有固定在固定块(4)左侧的进料电机(17)。
4.根据权利要求1或3所述的高精度3D打印机，其特征是：所述喉管(7)顶部端口处连接有散热块(18)，所述打印机构上连接有导流罩(19)，所述导流罩(19)一端开设有吸入孔，所述导流罩(19)另一端开设有正对散热块(18)的出风口，所述出风口和吸入孔之间连通形成散热通道，所述散热通道内设有散热风扇(20)。
5.根据权利要求1所述的高精度3D打印机，其特征是：所述散热块(18)为柱状结构，所述散热块(18)侧端面上从上到下均布有一组环状凹槽，所述环状凹槽正对导流罩(19)出风口。
6.根据权利要求1所述的高精度3D打印机，其特征是：所述X、Y和Z轴上沿轴向分别设有X轴丝杆(21)、Y轴丝杆(22)和Z轴丝杆(23)，所述X轴丝杆(21)通过滑块与工作台装置相连，所述Y轴丝杆(22)通过连接架连接在Z轴丝杆(23)上，所述Y轴丝杆(22)通过滑块与打印机构相连，所述X轴丝杆(21)、Y轴丝杆(22)和Z轴丝杆(23)均通过双膜联轴器(27)与步进电机(28)相连。
7.根据权利要求6所述的高精度3D打印机，其特征是：所述X、Y和Z轴方向上均设有用于丝杆移动限位的光电开关(24)和光电限位挡片(25)。
8.根据权利要求1所述的高精度3D打印机，其特征是：所述散热块(18)入口处竖直连接有隔热管(26)，所述隔热管(26)位于环状凹槽与主动齿轮配合处的正下方。
9.根据权利要求1所述的高精度3D打印机，其特征是：所述吹风部(12)朝打印喷头(9)侧倾斜向下，所述吹风部(12)的出风口倾斜向下对准打印喷头(9)出口端，所述吹风部(12)的出风口为扁平状结构。
10.一种应用在权利要求1所述高精度3D打印机上的运动控制系统及其控制方法，其特征是：所述运动控制系统依次设有运动控制器、电机驱动器、电机、高精度光学位置反馈轮(29)、带发光二极管的光学位置检测器(30)、信号采集转换器，所述运动控制系统的控制方法为运动控制器将打印指令转换成电机驱动信号，电机转动带动丝杆使装置在XYZ轴直线移动，并同步带动高精度位置反馈轮，光学位置检测器(30)检查到电机的转动，并将转动的幅度实时传送到信号采集转换器，信号采集转换器将信号进行变换，然后传回运动控制器，运动控制器在原有开环步进电机控制系统基础上，进行位置跟随调节以提高轴移动精度。
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