CN110341189A - 一种全自动转换喷嘴的3d打印机喷头及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头及控制方法，包括步进电机、固定座、散热器、传动轴、加热器、速度传感器、视觉传感器和控制器，传动轴上端与步进电机通过联轴器连接，下端与加热器固定连接，加热器底部沿传动轴周向均匀分布有多个喷嘴，喷嘴上端与贯穿加热器的第二喉管的下端连通，每一喷嘴对应的第二喉管的直径不同，散热器外侧固定有第一喉管，第一喉管的下端与第二喉管的上端连通，通过速度传感器检测本装置的运动速度进而判断打印所需喷嘴，进而通过步进电机带动传动轴转动转换喷嘴。本发明的目的是提供一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头及控制方法，实现自动转换喷嘴，并根据实际需求控制和调整打印速度。

Description

一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头及控制方法

技术领域

本发明涉及3D打印机技术领域，具体涉及一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头及控制方法。

背景技术

近几年，随着制造业的兴起，3D打印技术的发展也是如火如荼。而其中的熔融沉积技术是3D打印技术中发展最快的技术种类之一，基于FDM技术开发的3D打印机因其具有制造成本低、设备轻便、工作环境要求低等特点，被人们广泛熟知。但在目前，基于FDM技术的3D打印机普遍是桌面级的，多应用于教学研究方面，并不能够完全能胜任于医疗、国防、工业等其他领域，而且在打印过程中，由于3D打印机的运动速度和进料挤出机的进给速度已调整好，并不能根据实际需求控制和调整打印速度。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头，包括步进电机、固定座、散热器、传动轴、加热器、速度传感器、视觉传感器和控制器，所述步进电机安装在固定座上且输出轴竖直方向设置，所述散热器固定在所述固定座底部且内有竖直方向的通孔，所述传动轴穿过所述散热器的通孔，上端伸出部分与步进电机的输出轴通过联轴器连接，下端伸出部分与所述加热器固定连接，所述步进电机与所述控制器连接并通过驱动器控制转动，所述加热器底部沿所述传动轴周向均匀分布有多个喷嘴，所述喷嘴上端与贯穿所述加热器的第二喉管的下端连通，多个所述喷嘴内的第二喉管直径不同，所述加热器外表面相对于每一所述第一喉管外侧贴有编号，对应不同喷嘴，所述散热器外侧固定有第一喉管，所述第一喉管的下端与所述第二喉管的上端连通，所述散热器外侧固定有风扇固定架，所述风扇固定架上安装有风扇，所述视觉传感器安装在所述风扇固定架上且位置与所述加热器外表面相对，所述视觉传感器与所述控制器连接，用于获取目前所述第一喉管下方第二喉管的编号并反馈给控制器，所述速度传感器安装在固定座上并与控制器连接，用于获取本装置的移动速度并反馈给控制器。

进一步的，所述加热器包括加热器基座、加热器线圈和加热器线圈盖，所述加热器基座为圆筒状结构，所述加热器基座套设在所述传动轴下端并与所述传动轴固定，所述加热器基座外表面包覆有加热器线圈，所述加热器线圈盖设在加热器线圈上，所述加热器线圈盖外侧表面设有侧孔，侧孔内安装有热电偶。

进一步的，所述控制器为arduino开发板。

进一步的，所述速度传感器为陀螺仪。

一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头控制方法，包括以下步骤：

步骤一、将本装置安装在3D打印机上，将设计模型在三维软件中转存为STL格式文件，再将该文件通过切片软件保存为GCode代码，在控制器内，将喷嘴编号与对应的打印速度设置成数据库储存，例如编号为1的喷嘴第二喉管的直径为0.25mm，其对应的打印速度为0-60mm/s，编号为2的喷嘴第二喉管的直径为0.4mm，其对应的打印速度为61-120mm/s，编号为3的喷嘴第二喉管的直径为0.6mm，其对应的打印速度为121-150mm/s，编号为4的喷嘴第二喉管的直径为1mm，其对应的打印速度为151-200mm/s，以此类推；

步骤二：控制器通过读取GCode代码并规划好本装置的移动轨迹；

步骤三：在3D打印机打印过程中，速度传感器检测到本装置的移动速度，并将速度信号传递给控制器；

步骤四：控制器读取速度传感器传递的速度并与已编辑的数据库进行匹配，寻找相对应的目标喷嘴编号；

步骤五：控制器通过驱动器控制步进电机转动，通过传动轴带动加热器转动，进而使得第一喉管下端间歇连通不同直径的第二喉管，在步进电机转动过程中，视觉传感器会检测到加热器外表面相对于每一第一喉管外侧的编号，即不同喷嘴的编号，并将检测的图像信号反馈给控制器；

步骤六：控制器检测目标喷嘴编号与视觉传感器的图像信号是否匹配，若匹配正确，控制器控制步进电机停止转动；若匹配错误，控制器将继续控制步进电机转动，直至目标喷嘴编号与相对应的图形信号匹配一致。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头及控制方法，可以根据速度传感器反馈的信号来自动选择所需的喷嘴型号，再通过视觉传感器反馈来判断所选喷嘴的型号是否正确，在不改变打印质量的情况下，如果改变打印机的打印速度，打印机会自动调节喷嘴与打印速度相匹配，提升了3D打印机的自动化程度。

2.本发明所述的一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头及控制方法，还安装有散热风扇，散热风扇与散热器相对，在使用过程中，散热风扇可向散热器吹风，帮助冷却散热器，防止加热器的热量传导给散热器，提升散热器的散热效果。

3.本发明所述的一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头及控制方法，在散热器外侧自上而下设有多个环形的金属叶片，金属叶片可增大散热面积，从而加快冷却速度，帮助散热器散热。

4.本发明所述的一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头及控制方法，由于arduino开发板有拓展接口，采用arduino开发板作为控制器，不仅可以支持正常的打印机，还可以兼容额外传感器和电机的接入，也为后续进一步研发提供了基础。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明喷头的主视图；

图3为本发明喷头的仰视图；

图4为本发明喷头的内部结构示意图；

图5为本发明系统流程图；

图6为本发明控制算法流程图。

其中：1、步进电机；2、固定座；3、散热器；31、通孔；4、传动轴；5、加热器；51、加热器基座；52、加热器线圈；53、加热器线圈盖；54、侧孔；6、速度传感器；7、视觉传感器；8、控制器；9、联轴器；10、喷嘴；11、第一喉管；12、第二喉管；13、风扇固定架；14、风扇；15、喉管连接件；16、热电偶；17、驱动器；18、销轴；19、金属叶片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

参照图1-图4所示，一种全自动转换喷嘴10的3D打印机喷头，包括步进电机1、固定座2、散热器3、传动轴4、加热器5、速度传感器6、视觉传感器7和控制器8，步进电机1安装在固定座2上且输出轴竖直方向设置，散热器3固定在固定座2底部且内有竖直方向的通孔，传动轴4穿过散热器3的通孔，上端伸出部分与步进电机1的输出轴通过联轴器9连接，下端伸出部分与加热器5固定连接，步进电机1与控制器8连接并通过驱动器17控制转动，加热器5底部沿传动轴4周向均匀分布有多个喷嘴10，喷嘴10上端与贯穿加热器5的第二喉管12的上端连通，多个喷嘴10连通的第二喉管12直径不同，加热器5外表面相对于每一第一喉管11外侧贴有编号，对应不同喷嘴10，散热器3外侧固定有第一喉管11，第一喉管11的下端与第二喉管12的上端连通，散热器3外侧固定有风扇14固定架13，风扇14固定架13上安装有风扇14，视觉传感器7安装在风扇14固定架13上且位置与加热器5外表面相对，视觉传感器7与控制器8连接，用于获取目前第一喉管11下方第二喉管12的编号并反馈给控制器8，速度传感器6安装在固定座2上并与控制器8连接，用于获取本装置的移动速度并反馈给控制器8。通过速度传感器6检测到本装置的移动速度，并将速度信号传递给控制器8

具体的，加热器5包括加热器基座51、加热器线圈52和加热器线圈盖53，加热器基座51为圆筒状结构，加热器基座51套设在传动轴4下端并与传动轴4固定，加热器基座51外表面包覆有加热器线圈52，加热器线圈盖53设在加热器线圈52上，加热器线圈盖53外侧表面设有侧孔54，侧孔54内安装有热电偶16。热电偶16是加热元器件，加热器5为金属材料制成，在热电偶16通电后，通过热传导使得加热器线圈52发热可使喷嘴8中的打印材料融化。

在进行打印过程中，加热器5用于融化打印材料。喷嘴10用于使融化的打印材料呈规格不同的流体细丝状流出，进而方便打印。第一喉管11和第二喉管12为耐高温材料，例如聚四氟乙烯材料，可防止进料时打印材料被提前融化。第一喉管11和第二喉管12用于输送打印材料，将打印材料送到喷嘴10处。通过步进电机1转动，可使传动轴4转动，进而带动加热器5转动，使用时可根据实际需求，使第一喉管11的下端与不同喷嘴10的第二喉管12连通，进而调整打印时间和打印速度。

参照图2和图4所示，散热器3顶部固定有喉管连接件15，第一喉管11穿过喉管连接件15固定在散热器3外侧。第一喉管11竖直设置。

参照图1-图4所示，为了防止进料时打印材料被提前融化，散热器3外侧自上而下间隔均匀分布有多个环状的金属叶片19，金属叶片19可增大散热面积，从而加快冷却速度。散热器3可采用铝合金材料制成，金属叶片19可采用铝合金材料制成。金属叶片19上设有槽孔，多个金属叶片19自上而下均设有位置对应的槽孔，第一喉管11竖直设置，并从喉管连接件15中竖直穿过多个槽孔。

参照图4所示，传动轴4下端伸出部分与加热器5可通过焊接或销轴18固定连接。本发明实施例中，传动轴4和加热器5通过销轴18固定连接，具体的，传动轴4底端设有第一凹槽，加热器5顶部设有与第一凹槽位置对应的第二凹槽，销轴18两端分别固定在第一凹槽和第二凹槽内，使得传动轴4下端伸出部分与加热器5固定。

由于arduino开发板有拓展接口，不仅可以支持正常的打印机，还可以兼容额外传感器和电机的接入，控制器8为arduino开发板。

为了检测本装置的运动速度，速度传感器6为陀螺仪。

参照图5和图6所示，一种全自动转换喷嘴10的3D打印机喷头控制方法，包括以下步骤：

步骤一、将本装置安装在3D打印机上，将设计模型在三维软件中转存为STL格式文件，再将该文件通过切片软件保存为GCode代码，在控制器8内，将喷嘴10编号与对应的打印速度设置成数据库储存，例如编号为1的喷嘴10第二喉管12的直径为0.25mm，其对应的打印速度为0-60mm/s，编号为2的喷嘴10第二喉管12的直径为0.4mm，其对应的打印速度为61-120mm/s，编号为3的喷嘴10第二喉管12的直径为0.6mm，其对应的打印速度为121-150mm/s，编号为4的喷嘴10第二喉管12的直径为1mm，其对应的打印速度为151-200mm/s，以此类推；

步骤二：控制器8通过读取GCode代码并规划好本装置的移动轨迹；

步骤三：在3D打印机打印过程中，速度传感器6检测到本装置的移动速度，并将速度信号传递给控制器8；

步骤四：控制器8读取速度传感器6传递的速度并与已编辑的数据库进行匹配，寻找相对应的目标喷嘴10编号；

步骤五：控制器8通过驱动器17控制步进电机1转动，通过传动轴4带动加热器5转动，进而使得第一喉管11下端间歇连通不同直径的第二喉管12，在步进电机1转动过程中，视觉传感器7会检测到加热器5外表面相对于每一第一喉管11外侧的编号，即不同喷嘴10的编号，并将检测的图像信号反馈给控制器8；

步骤六：控制器8检测目标喷嘴10编号与视觉传感器7的图像信号是否匹配，若匹配正确，控制器8控制步进电机1停止转动；若匹配错误，控制器8将继续控制步进电机1转动，直至目标喷嘴10编号与相对应的图形信号匹配一致。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头，其特征在于：包括步进电机、固定座、散热器、传动轴、加热器、速度传感器、视觉传感器和控制器，所述步进电机安装在固定座上且输出轴竖直方向设置，所述散热器固定在所述固定座底部且内有竖直方向的通孔，所述传动轴穿过所述散热器的通孔，上端伸出部分与步进电机的输出轴通过联轴器连接，下端伸出部分与所述加热器固定连接，所述步进电机与所述控制器连接并通过驱动器控制转动，所述加热器底部沿所述传动轴周向均匀分布有多个喷嘴，所述喷嘴上端与贯穿所述加热器的第二喉管的下端连通，多个所述喷嘴连通的第二喉管直径不同，所述加热器外表面相对于每一所述第一喉管外侧贴有编号，对应不同喷嘴，所述散热器外侧固定有第一喉管，所述第一喉管的下端与所述第二喉管的上端连通，所述散热器外侧固定有风扇固定架，所述风扇固定架上安装有风扇，所述视觉传感器安装在所述风扇固定架上且位置与所述加热器外表面相对，所述视觉传感器与所述控制器连接，用于获取目前所述第一喉管下方第二喉管的编号并反馈给控制器，所述速度传感器安装在固定座上并与控制器连接，用于获取本装置的移动速度并反馈给控制器。

2.根据权利要求1所述的全自动转换喷嘴的3D打印机喷头，其特征在于：所述加热器包括加热器基座、加热器线圈和加热器线圈盖，所述加热器基座为圆筒状结构，所述加热器基座套设在所述传动轴下端并与所述传动轴固定，所述加热器基座外表面包覆有加热器线圈，所述加热器线圈盖设在加热器线圈上，所述加热器线圈盖外侧表面设有侧孔，侧孔内安装有热电偶。

3.根据权利要求2所述的全自动转换喷嘴的3D打印机喷头，其特征在于：所述控制器为arduino开发板。

4.根据权利要求3所述的全自动转换喷嘴的3D打印机喷头，其特征在于：所述速度传感器为陀螺仪。

5.一种全自动转换喷嘴的3D打印机喷头控制方法，使用权利要求4所述的全自动转换喷嘴的3D打印机喷头，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、将本装置安装在3D打印机上，将设计模型在三维软件中转存为STL格式文件，再将该文件通过切片软件保存为GCode代码，在控制器内，将喷嘴编号与对应的打印速度设置成数据库储存，例如编号为1的喷嘴第二喉管的直径为0.25mm，其对应的打印速度为0-60mm/s，编号为2的喷嘴第二喉管的直径为0.4mm，其对应的打印速度为61-120mm/s，编号为3的喷嘴第二喉管的直径为0.6mm，其对应的打印速度为121-150mm/s，编号为4的喷嘴第二喉管的直径为1mm，其对应的打印速度为151-200mm/s，以此类推；

步骤二：控制器通过读取GCode代码并规划好本装置的移动轨迹；

步骤三：在3D打印机打印过程中，速度传感器检测到本装置的移动速度，并将速度信号传递给控制器；

步骤四：控制器读取速度传感器传递的速度并与已编辑的数据库进行匹配，寻找相对应的目标喷嘴编号；

步骤五：控制器通过驱动器控制步进电机转动，通过传动轴带动加热器转动，进而使得第一喉管下端间歇连通不同直径的第二喉管，在步进电机转动过程中，视觉传感器会检测到加热器外表面相对于每一第一喉管外侧的编号，即不同喷嘴的编号，并将检测的图像信号反馈给控制器；

步骤六：控制器检测目标喷嘴编号与视觉传感器的图像信号是否匹配，若匹配正确，控制器控制步进电机停止转动；若匹配错误，控制器将继续控制步进电机转动，直至目标喷嘴编号与相对应的图形信号匹配一致。