CN110394978B - 一种基于柱坐标的3d打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及3D打印机领域，具体涉及一种基于柱坐标的智能3D打印机。本发明的目的是提供一种基于柱坐标，对于打印圆形轮廓具有很好的精度；可在打印后自动通孔，保证了下次打印的稳定性；通孔效率高，通过路径规划可以在较短时间内完成作业；自动化程度高，能有效降低人工劳动强度；能够在通孔过程中降低对于底板的损坏；结构紧凑、便于携带、工作效率高，且制造成本低的基于柱坐标的3D打印机。一种基于柱坐标的智能3D打印机包括基座部分、升降平移机构、打印头和底板检测与清扫装置。本发明使用伺服电机控制打印喷头和通头部分的移动，精度高、运动稳定。各移动部件之间互不干涉、协同执行、工作稳定。

Description

一种基于柱坐标的3D打印机
技术领域
本发明涉及3D打印机领域，具体涉及一种基于柱坐标的智能3D打印机。
背景技术
3D打印机是一种基于增材制造技术的机器，根据预设的数学模型，可以将塑料、粉末状金属等粘合材料在短时间内层层粘合起来形成三维的物体。3D打印技术的推广使用带来了制造业的革命性变化，无需考虑模具和机械加工工艺问题，能够在短时间内实现多种复杂形状的设计。目前的3D打印机工作过程大多基于X、Y、Z直角坐标系，在伺服电机的驱动下实现打印喷头在三个垂直方向上的空间位移。但是在打印一些圆形和类圆形曲线时，需要把半径、角度等参数逆解为直角坐标值。受计算精度和机械机构影响，圆形和类圆形工件的打印效果与理想情况存在一定的误差。针对这种情形，基于柱坐标的3D打印机可以较好地解决圆形和类圆形曲线的规划问题。此外，一些3D打印机是以孔孔板(一般指工业上小孔比较密集的多孔板)作为底板，底板上密布着小孔。打印时，粘结材料被高温加热至融化，与底板接触后冷却沉积，以堆叠薄层的形式构建立体形状。在这个过程中，半固态的粘结材料会有部分渗入底板上的孔洞中，填满空隙，形成柱形残留物，以“打桩”的形式固定整个上部的立体构件。在打印一些几何尺寸比较大的物件时，由于各部位的冷却速度不同，物件可能会产生形变，这些柱形残留物的存在很好地保证了物件外形的稳定性和准确性。但在打印完成取出物件后，这些断裂的柱形残留物会继续残留在底板上的孔洞内，影响后续打印工作的进行。孔孔板上的圆孔分布密度极大，以常用的一种孔孔板为例，孔孔板的尺寸为276×226mm，密布有14516个圆孔，每个圆孔直径仅有1.0mm左右。传统的人工通孔方式费时费力，效率很低。目前尚未存在适用于连续作业的高精度通孔机械，研发此类设备很有现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于柱坐标，对于打印圆形轮廓具有很好的精度；可在打印后自动通孔，保证了下次打印的稳定性；通孔效率高，通过路径规划可以在较短时间内完成作业；自动化程度高，能有效降低人工劳动强度；能够在通孔过程中降低对于底板的损坏；结构紧凑、便于携带、工作效率高，且制造成本低的基于柱坐标的3D打印机。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于柱坐标的3D打印机，其包括基座部分、升降平移机构、打印头15和底板检测与清扫装置；
基座部分包括底座1、顶盖3、外壳8以及旋转门27；其中，底座1和顶盖3之间布置有外壳8和可开合的旋转门27；
升降平移机构包括导轨2、z向电机10、丝杠11、皮带12、第一滑块32、第二滑块33、平移杆34、从动杆13和径向电机14；其中，
在外壳8和旋转门27内部，丝杠11和从动杆13竖直地设置在底座1和顶盖3之间；丝杠11的外侧设有导轨2；丝杠11上设有能够沿导轨2进行竖直方向运动的第一滑块32，从动杆13上设有能够沿从动杆13进行竖直方向运动的第二滑块33；第一滑块32和第二滑块33之间设有平移杆34；第一滑块32的上表面设有从动皮带轮，第二滑块33的上表面设有主动皮带轮，皮带12套设于从动皮带轮和主动皮带轮之间；z向电机10固定在底座1上，z向电机10的动力输出轴与丝杠11的底部固接；第二滑块33上固接有径向电机14，径向电机14的动力输出轴与驱动皮带12的主动皮带轮连接；
打印头15包括喷头17、线光源18和通头19；打印头15可滑动地设于平移杆34上，并与皮带12固接；喷头17、线光源18和通头19平行安装，竖直向下布置；
底板检测与清扫装置包括支撑座9、步进电机20、感光板21、底板22、毛刷23、清扫电机24；其中，底座1上设有支撑座9，支撑座9上设有底板22；步进电机20位于支撑座9的中心，感光板21和底板22在步进电机20上方同轴布置；感光板21与步进电机20的机壳固连；底板22的底部与步进电机20的动力输出轴连接；底板22为圆形，其上均布多个贯通的小孔；
清扫电机24布置在底座1上，位于感光板21的区域外，清扫电机24的动力输出轴与其上方的清扫柱35连接；毛刷23与感光板21平行，毛刷23的一端与清扫柱35的顶端连接，毛刷23的下表面与感光板21的上表面对应；毛刷23能够进入感光板21的区域，清扫电机24带动毛刷23旋转，清扫感光板21上的碎屑。
旋转门27上装有把手29，旋转门27上还设有玻璃屏28。
顶盖3上部布置有翻盖4、后盖板5和提手7；其中，翻盖4下方设有一容纳显示屏25和键盘区26的空间；显示屏25能够实时显示3D打印机状态参数，以便观察者进行监控；键盘区26用于对显示屏25进行操作，便于查看打印机各项状态参数。
后盖板5上设有用于开启后盖板5的按钮6。
提手7布置在顶盖3上部的中间位置。
打印头15还包括风扇16，其中，风扇16开口向外，用于为喷头17降温。
感光板21的面积大于底板22。
支撑座9的内侧面设有上部支撑槽和下部支撑槽，分别与感光板21和底板22的位置对应；感光板21和下部支撑槽之间固定连接；底板22与上部支撑槽滑动连接。
支撑座9为圆柱形，沿其外圆周分为对称的三段。
通头19上密布着多个直径小于底板22上小孔孔径的通孔针；通孔针互相平行，分布形式与底板22上的小孔一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明基于柱坐标规划最优路径，将需打印工件的三维信息转化为半径r、角度θ、高度h等三个参数，控制伺服电机带动打印喷头的移动，完成复杂曲线的打印过程。
本发明采用线光源和光敏电阻实现对底板上疏通和堵塞部分的检测，精度高、抗干扰能力强，逐行扫描得出的结果稳定可靠。主机规划路径，利用通头顶出底板上残留的粘结材料，完成通孔作业。
本发明使用伺服电机控制打印喷头和通头部分的移动，精度高、运动稳定。各移动部件之间互不干涉、协同执行、工作稳定。
本发明采用电机带动毛刷清扫感光板上的碎屑，降低了人力强度。打印—通孔—清扫连续进行，自动化程度高。
本发明高效利用部件，结构紧凑、外形美观、便于携带、作业精度高、自动化程度高、工作效率高。
附图说明
图1为本发明的一种基于柱坐标的3D打印机的结构图；
图2为本发明的升降平移机构的结构图；
图3为本发明的打印头15的示意图；
图4为本发明的底板检测与清扫装置的结构图；
图5为本发明的一种基于柱坐标的3D打印机的顶盖部位示意图；
图6为本发明的一种基于柱坐标的3D打印机的完整外形示意图；
图7为本发明的底板22的横截面局部放大示意图。
其中的附图标记为：
1、底座 2、导轨
3、顶盖 4、翻盖
5、后盖板 6、按钮
7、提手 8、外壳
9、支撑座 10、Z向电机
11、丝杠 12、皮带
13、从动杆 14、径向电机
15、打印头 16、风扇
17、喷头 18、线光源
19、通头 20、步进电机
21、感光板 22、底板
23、毛刷 24、清扫电机
25、显示屏 26、键盘区
27、旋转门 28、玻璃屏
29、把手 30、底板局部
31、粘结材料部分 32、第一滑块
33、第二滑块 34、平移杆
35、清扫柱
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
本发明基于柱坐标的3D打印机包括基座部分、升降平移机构、打印头15、底板检测与清扫装置。其中：
如图1、图5和图6所示，基座部分包括底座1、顶盖3、外壳8以及旋转门27。其中，
底座1和顶盖3之间布置有外壳8和可开合的旋转门27。旋转门27上装有把手29，用于开关旋转门27，可在打印前进行内部装置检验与打印后取出打印物体。旋转门27上还设有玻璃屏28。
顶盖3上部布置有翻盖4、后盖板5和提手7。其中，翻盖4下方设有一容纳显示屏25和键盘区26的空间。显示屏25可以实时显示3D打印机状态参数，以便观察者进行监控；键盘区26用于对显示屏25进行操作，便于查看打印机各项状态参数。
后盖板5上设有用于开启后盖板5的按钮6，用于打印前或打印中更换打印材料。
提手7布置在顶盖3上部的中间位置。拉起提手7，可以直接将3D打印机提起，增强了3D打印机的使用便捷性。
如图2所示，升降平移机构包括导轨2、z向电机10、丝杠11、皮带12、第一滑块32、第二滑块33、平移杆34、从动杆13和径向电机14。其中，
在外壳8和旋转门27内部，丝杠11和从动杆13竖直地设置在底座1和顶盖3之间。丝杠11的外侧设有导轨2。丝杠11上设有能够沿导轨2进行竖直方向运动的第一滑块32，从动杆13上设有能够沿从动杆13进行竖直方向运动的第二滑块33。第一滑块32和第二滑块33之间设有平移杆34。第一滑块32的上表面设有从动皮带轮，第二滑块33的上表面设有主动皮带轮，皮带12套设于从动皮带轮和主动皮带轮之间。z向电机10固定在底座1上，z向电机10的动力输出轴与丝杠11的底部固接。第二滑块33上固接有径向电机14，径向电机14的动力输出轴与驱动皮带12的主动皮带轮连接。
如图3所示，打印头15包括风扇16、喷头17、线光源18和通头19。其中，风扇16开口向外，用于为喷头17降温。
打印头15可滑动地设于平移杆34上，并与皮带12固接。喷头17、线光源18和通头19平行安装，竖直向下布置。固态的打印材料在打印头15中被高温加热成液态，由喷头17向下挤出。线光源18用于扫描底板22。通头19上密布着多个直径小于底板22上小孔孔径的通孔针。通孔针互相平行，分布形式与底板22上的小孔分布一致。在打印工件时，通头19缩回，其与位于其下方的底板22之间的距离不小于喷头17，不影响打印过程。在通孔阶段，通头19伸出，其与位于其下方的底板22之间的距离小于喷头17，避免喷头17的干扰。
如图4和图7所示，底板检测与清扫装置包括支撑座9、步进电机20、感光板21、底板22、毛刷23和清扫电机24。其中，底座1上设有支撑座9，支撑座9上设有底板22。步进电机20位于支撑座9的中心，感光板21和底板22在步进电机20上方同轴布置。感光板21与步进电机20的机壳固连，不能转动，感光板21的面积大于底板22。底板22的底部与步进电机20的动力输出轴连接，在步进电机20的驱动下能够转动。底板22为圆形，其上均布多个贯通的小孔。
优选地，支撑座9的内侧面设有上部支撑槽和下部支撑槽，分别与感光板21和底板22的位置对应。感光板21和下部支撑槽之间固定连接，结合步进电机20的机壳，使得感光板21更加稳固。底板22与上部支撑槽滑动连接，在步进电机20的带动下转动时，接触面加注润滑脂，保证底板22的旋转平顺、稳定。
优选地，支撑座9为圆柱形，沿其外圆周分为对称的三段。
清扫电机24布置在底座1上，位于感光板21的区域外，清扫电机24的动力输出轴与其上方的清扫柱35连接。毛刷23与感光板21平行，毛刷23的一端与清扫柱35的顶端连接，毛刷23的下表面与感光板21的上表面对应。毛刷23能够进入感光板21的区域，清扫电机24带动毛刷23旋转，清扫感光板21上的碎屑。
图7是底板22的横截面局部放大示意图。实心黑色的底板局部30之间是底板22上均布的小孔。在打印机工作时，固态的打印材料被高温加热成液态，经喷头17挤出，在底板22上固化。部分液态打印材料落入底板22上的小孔中，形成“楔子”，并与上部的工件相连。在打印完成，铲下工件后，小孔中的“楔子”仍旧存在，会影响下次打印过程中粘结材料部分31对底板22的粘结性，进而影响工件的稳定性和打印质量，需要依靠通头19去除。
本发明的工作过程为：
底座1、顶盖3、外壳8以及旋转门27共同组成3D打印机的外部轮廓体。3D打印机的主体设在底座1上。顶盖3上设有翻盖4、后盖板5和提手7。
翻盖4下面是显示屏25和键盘区26，显示屏25可以实时显示3D打印机状态参数，键盘区26用于对显示屏25进行操作。后盖板5上安装有按钮6，按下按钮6，可以开启后盖板，用于更换打印材料。拉起提手7可以直接将3D打印机提起，增强了3D打印机的使用便捷性。旋转门27上装有把手29，用于开关旋转门27，把手设计人性化，可提高使用者体验感。
通过底座1上的z向电机10进行旋转，可带动丝杠11进行旋转运动，由丝杠11与从动杆13共同作用，可使平移杆34及平移杆34上的打印头15保持水平状态，并一起进行上下平移。第二滑块33上固接有径向电机14，通过径向电机14转动可带动皮带12运动，皮带12与打印头15相连，使打印头15在平移杆34上进行径向平移。打印机的角度坐标则由底板22的旋转运动满足，底板22由安装在底座1上的支撑座9提供支撑，保证底板22的水平性。底板22的旋转由安装在底座1上的步进电机20控制，保证旋转角度的精确性。通过z向电机10、径向电机14和步进电机20的协同作业，保证了打印头15可以运动到各个空间位置。打印时，打印头15上的喷头17喷出熔融状态的材料，将材料均匀喷涂在底板22上，通过材料的堆叠成型，实现3D打印物体。打印头15上装有风扇16，可在打印过程中进行散热处理，保持打印机的工作稳定性。
打印结束，取走打印物体后，会有柱形残留物残留在底板22的孔洞内，需要进行通孔处理。
由打印头15上的线光源18对底板22进行扫描，线光源18采用红光一字线激光器，可进行一字线扫描。底板22下方装有感光板21，将一字线红光逐步扫过底板22，红光通过未堵塞孔洞可照射到感光板21上，被堵塞的孔洞则会阻碍红光通过。感光板21接收到由线光源18发出的光信号后，通过有无光信号来判断底板22上的孔洞是否被堵塞。线光源18的移动可由径向电机14单独控制实现。
通孔时，首先通过检测结果规划通头19的最优运动路径，由z向电机10和径向电机14控制通头19的上下及径向平移运动，对底板22上的堵塞孔洞进行通孔处理。通头19的面积不宜过大，以免使底板22变形。通过步进电机20控制底板22旋转，满足通孔作业中的角度要求，完成底板22上所有孔洞的堵塞判断与通孔处理。
完成所有孔洞的通孔后，底板22上孔洞中的柱形残留物会全部掉落在感光板21上，这时由清扫电机24控制毛刷23进行旋转，将感光板21上的柱形残留物扫除。由于毛刷23一次旋转只能扫除一个扇形面积内的柱形残留物，要想扫除感光板21全部柱形残留物，需要步进电机20控制感光板21旋转，配合毛刷23将感光板21上的所有柱形残留物全部扫除，完成3D打印的后处理作业。

Claims (9)

1.一种基于柱坐标的3D打印机，其特征在于：其包括基座部分、升降平移机构、打印头(15)和底板检测与清扫装置；
基座部分包括底座(1)、顶盖(3)、外壳(8)以及旋转门(27)；其中，底座(1)和顶盖(3)之间布置有外壳(8)和可开合的旋转门(27)；
升降平移机构包括导轨(2)、z向电机(10)、丝杠(11)、皮带(12)、第一滑块(32)、第二滑块(33)、平移杆(34)、从动杆(13)和径向电机(14)；其中，
在外壳(8)和旋转门(27)内部，丝杠(11)和从动杆(13)竖直地设置在底座(1)和顶盖(3)之间；丝杠(11)的外侧设有导轨(2)；丝杠(11)上设有能够沿导轨(2)进行竖直方向运动的第一滑块(32)，从动杆(13)上设有能够沿从动杆(13)进行竖直方向运动的第二滑块(33)；第一滑块(32)和第二滑块(33)之间设有平移杆(34)；第一滑块(32)的上表面设有从动皮带轮，第二滑块(33)的上表面设有主动皮带轮，皮带(12)套设于从动皮带轮和主动皮带轮之间；z向电机(10)固定在底座(1)上，z向电机(10)的动力输出轴与丝杠(11)的底部固接；第二滑块(33)上固接有径向电机(14)，径向电机(14)的动力输出轴与驱动皮带(12)的主动皮带轮连接；
打印头(15)包括喷头(17)、线光源(18)和通头(19)；打印头(15)可滑动地设于平移杆(34)上，并与皮带(12)固接；喷头(17)、线光源(18)和通头(19)平行安装，竖直向下布置；通头(19)上密布着多个直径小于底板(22)上小孔孔径的通孔针；通孔针互相平行，分布形式与底板(22)上的小孔一致；
底板检测与清扫装置包括支撑座(9)、步进电机(20)、感光板(21)、底板(22)、毛刷(23)、清扫电机(24)；其中，底座(1)上设有支撑座(9)，支撑座(9)上设有底板(22)；步进电机(20)位于支撑座(9)的中心，感光板(21)和底板(22)在步进电机(20)上方同轴布置；感光板(21)与步进电机(20)的机壳固连；底板(22)的底部与步进电机(20)的动力输出轴连接；底板(22)为圆形，其上均布多个贯通的小孔；
清扫电机(24)布置在底座(1)上，位于感光板(21)的区域外，清扫电机(24)的动力输出轴与其上方的清扫柱(35)连接；毛刷(23)与感光板(21)平行，毛刷(23)的一端与清扫柱(35)的顶端连接，毛刷(23)的下表面与感光板(21)的上表面对应；毛刷(23)能够进入感光板(21)的区域，清扫电机(24)带动毛刷(23)旋转，清扫感光板(21)上的碎屑。
2.如权利要求1所述的基于柱坐标的3D打印机，其特征在于：旋转门(27)上装有把手(29)，旋转门(27)上还设有玻璃屏(28)。
3.如权利要求1所述的基于柱坐标的3D打印机，其特征在于：顶盖(3)上部布置有翻盖(4)、后盖板(5)和提手(7)；其中，翻盖(4)下方设有一容纳显示屏(25)和键盘区(26)的空间；显示屏(25)能够实时显示3D打印机状态参数，以便观察者进行监控；键盘区(26)用于对显示屏(25)进行操作，便于查看打印机各项状态参数。
4.如权利要求1所述的基于柱坐标的3D打印机，其特征在于：后盖板(5)上设有用于开启后盖板(5)的按钮(6)。
5.如权利要求1所述的基于柱坐标的3D打印机，其特征在于：提手(7)布置在顶盖(3)上部的中间位置。
6.如权利要求1所述的基于柱坐标的3D打印机，其特征在于：打印头(15)还包括风扇(16)，其中，风扇(16)开口向外，用于为喷头(17)降温。
7.如权利要求1所述 的基于柱坐标的3D打印机，其特征在于：感光板(21)的面积大于底板(22)。
8.如权利要求1所述的基于柱坐标的3D打印机，其特征在于：支撑座(9)的内侧面设有上部支撑槽和下部支撑槽，分别与感光板(21)和底板(22)的位置对应；感光板(21)和下部支撑槽之间固定连接；底板(22)与上部支撑槽滑动连接。
9.如权利要求1所述的基于柱坐标的3D打印机，其特征在于：支撑座(9)为圆柱形，沿其外圆周分为对称的三段。
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