CN110480589A - 一种增材作业平台的调平系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种增材作业平台的调平系统和方法，通过设置一个在XY轴平面内可控移动的且与成形作业头平行的调平作业头，一个可在Z轴方向移动的移动平台，以及在所述移动平台上安置有分别位于不同位置的若干个可控支撑组件来支撑增材作业平台，所述调平作业头位于所述移动平台的上方，通过移动平台在Z轴方向的移动，使得每个可控支撑组件都被调平作业头压缩固定的平衡距离，并锁定可控支撑部件被压缩后的高度实现增材作业平台的调平，不采用复杂的调平策略和传感器即可实现增材作业平台的快速、便捷调平，亦可确保良好的支撑刚性。

Description

一种增材作业平台的调平系统及方法

技术领域

本发明属于机电方法类，具体是一种增材作业平台的调平系统及方法。

背景技术

区别于传统的切削、磨削等减材加工方式，以及压铸、冲压等等材加工方式，增材制造设备即三维打印机，提供了一种从零构建三维零件的独特方式，如已被大量使用的熔融沉积成形(FDM)、选区激光熔融(SLM)、选取激光烧结(SLS)、立体平版印刷(SLA)等类型的三维打印机。这些三维打印机虽然采用了热熔头、激光扫描头、紫外光投影等不同原理的成形作用头，但其所遵循的基本几何原理是相似的，即先通过成形作用头在XY平面内进行点成形、再依次扩展为线成形、面成形，并最终通过在Z方向内各个成型面的逐层叠加，构建出所需的三维形态。

在三维打印的最初阶段，即对首个成形面的加工过程中，成形作用头的XY定位平面，其相对作业平台表面的平行度和距离的准确性是影响三维打印任务成功率的关键因素之一，其原因在于作业平台与XY定位平面的不平行，会导致成形作用头在打印过程中与作业平台表面的Z方向距离不断变化，在FDM打印机中会导致模型固定不可靠的问题，甚至或导致打印头和作业平台表面损伤等严重后果；在SLM、SLS等类型的打印机中还会导致粉末厚度不均、激光焦点偏移，影响熔融和烧结质量。

随着三维零件尺寸的不断增加，增材作业平台的表面积越来越大，仅靠机械加工精度来确保作业平台平行度和平整度的难度和代价也越来越大，实践中一般采用多点支撑并结合手动、自动调平结构的方式来实现作业平面与XY定位平面的平行度和平整度调节；如CN106827540A公开了一种采用3点支撑、3个Z轴电机控制的打印基板自动调平机构，但仍存在驱动机构复杂、调平过程繁琐的局限。

同时，现有技术中多采用传感器进行调平的技术方案，但是这些技术方案由于采用了传感器，所以成本较高，同时，调平的效果完全依赖于传感器精度以及传感器寿命，如果传感器突然出现问题，对传感器的维修、调整、更换都会延迟调平进度，进而耽误整个增材作业进度。

所以目前三维打印领域还缺少一种针对作业平台平行度和平整度调整，方案简单、成本低效率高、技术可行、能实现高精度调平的结构及控制方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种方案简单、技术可行、能实现高精度调平的增材作业平台调平方法。

本发明的技术方案如下：

一种增材作业平台的调平方法，其特征在于：XY轴定位机构的移动平台上安装有成形作用头和调平作业头，XY轴定位机构整体固定在高刚性支架顶部，并保持成形作用头和调平作业头相互平行，且均竖直向下；高刚性支架侧面固定有Z轴定位机构，Z轴定位机构的移动平台与XY轴定位机构的移动平台基本平行，并可在Z轴定位机构驱动下逼近或远离成形作用头及调平作业头；Z轴定位机构的移动平台上有四个可控支撑组件，四个可控支撑组件的另一端通过球形关节与增材作业平台连接，四个可控支撑组件的结构相同，均由油缸、活塞、顶杆、油管、活塞复位弹簧以及开闭油管的电磁阀组成；XY轴定位机构与三维打印控制器联结，Z轴定位机构与三维打印控制器联结，四个可控支撑组件的电磁阀与三维打印控制器联结，成形作用头和调平作业头分别与三维打印控制器联结。

开始增材作业平台调平前，三维打印控制器首先控制Z轴定位机构，通过Z轴移动平台和四个可控支撑组件，带动增材作业平台向上移动至初始调平高度，并控制四个可控支撑组件的电磁阀处于打开状态，从而使得相应的活塞和顶杆在复位弹簧作用下伸出至最远端；然后，三维打印控制器控制调平作业头进入伸长状态，使得在Z轴方向，调平作业头向下突出于成形作用头。开始调平时，三维打印控制器首先控制XY轴定位机构，通过XY轴移动平台移动调平作业头，并使之与第一可控支撑组件的XY安装位置重合；三维打印控制器进而控制Z轴定位机构，将Z轴移动平台向上平缓移动至调平坐标位置，期间调平作业头与增材作业平台接触并压缩第一可控支撑组件，使得其油缸下油腔的油液被挤压排出至上油腔，Z轴移动平台到位后，第一可控支撑组件的活塞和顶杆位置被调平作业头强迫移动至平衡位置，然后，三维打印控制器将第一可控支撑组件的电磁阀切换至关闭状态，从而锁定第一可控支撑组件的活塞和顶杆伸缩位置；最后，三维打印控制器控制Z轴定位机构，将增材作业平台向下快速移动至初始调平高度；至此，增材作业平台在第一可控支撑组件位置的调平结束。相似的，三维打印控制器控制XY轴定位机构，将调平作业头移动至第二可控支撑组件的XY安装位置处，并重复前述第一可控支撑组件处的调平操作；依次类推，直至完成增材作业平台在全部四个可控支撑组件位置的调平操作。设Z轴移动的正方向为从上向下，调平坐标位置所对应的Z轴坐标值为Z0，调平作业头处于伸长状态时突出成形作用头的长度为L0，三维打印首层要求的成形作用头与增材作业平台表面标准距离为D0，则完成调平操作后，三维打印首层的Z轴坐标可简单计算为Z0+(D0-L0)。

本发明的可控支撑组件，其油缸下油腔的进油口和上油腔的出油口通过油管形成闭合回路，并且在油管中间设有电磁阀，可控制油管的导通和关闭；电磁阀打开时，油管联通上下油腔，活塞和顶杆可在油缸内上下自由移动；没有外部作用力时，活塞和顶杆在复位弹簧的弹力作用下出于最大伸出状态；顶杆所受外部压力大于复位弹簧弹力时，活塞和顶杆被压迫下行，下油腔油液被排出并通过油管和电磁阀导入至上油腔；电磁阀关闭时，上下油腔油液的流动通路被阻断，由于油液的压缩系数很小，因此可认为活塞和顶杆的伸缩位置被锁定、无法上下移动。

本发明的调平作业头处于伸长状态、增材作业平台位于初始调平高度时，调平作业头的端头与增材作业平台间有安全距离，三维打印控制器调整调平作业头XY位置时，不会发生调平作业头与增材作业平台碰撞、划擦的问题；本发明的调平作业头处于伸长状态、Z轴移动平台向上移动至调平坐标位置的过程中，调平作业头与增材作业平台发生接触，并向下挤压增材作业平台，从而导致可控支撑组件的长度缩短；Z轴移动平台到达调平坐标位置时，控支撑组件的长度被压缩至平衡位置并被锁定；本发明Z轴移动平台到达调平坐标位置时，全部四个可控支撑组件的活塞处于油缸上止点和下止点之间，并与上下止点间留有安全余量。

本发明增材作业平台的调平方法，无需采用昂贵的精密位移传感器，并且在整个调平过程中，调平作业头都是突出于成形作用头的，可保护成形作业头免于发生与增材作业平台碰撞损坏的事故；本发明的可控支撑组件无需外部持续的压缩空气或液压油动力供给，仅需单通电磁阀即可在自由伸缩状态与位置锁定状态间灵活切换；本发明的技术方案由于不采用传感器，所以不需要复杂的调平控制策略，方案简单、经济安全、技术可行性高，即可实现增材作业平台的快速、便捷调平，亦可确保良好的支撑刚性，易于在三维打印行业推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例的总体结构示意图

图2为本发明的移动平台与增材作业平台通过可控支撑组件连接的示意图

图3为本发明实施例的可控支撑组件结构示意图

图4本发明实施例的控制信号连接图

其中，1.高刚性支架，2.XY轴定位机构，3.XY轴移动平台，4.成形作业头，5.调平作业头，6.Z轴定位机构，7.移动平台，8.第一可控支撑组件，9.第二可控支撑组件，10.第三可控支撑组件，11.第四可控支撑组件，12.第一球形关节，13.第二球形关节，14.第三球形关节，15.第四球形关节，16.增材作业平台，20.三维打印控制器，100.油缸，101.活塞，102.顶杆，103.油管，104.单通电磁阀，105.复位弹簧，106.下油腔的进油口，107.上油腔的出油口，

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细描述。

如图1-3所示，一种增材作业平台的调平方法，其特征在于：

A、图1中，高刚性支架1的顶部装有XY轴定位机构2，XY轴定位机构的移动平台3上安装有成形作用头4和调平作业头5，成形作用头4和调平作业头5保持竖直向下；高刚性支架1的侧面装有Z轴定位机构6，Z轴定位机构6的移动平台7，与XY轴定位机构的移动平台3保持基本平行，在Z轴定位机构6驱动下，Z轴移动平台7可上行逼近成形作用头4和调平作业头5，也可下行远离成形作用头4和调平作业头5；Z轴移动平台7上安装有可控支撑组件8、9、10、11，可控支撑组件8、9、10、11分别通过球形关节12、13、14、15与增材作业平台16连接；

B、可控支撑组件8、9、10、11的结构相同，以可控支撑组件8为例说明其结构，图2中，可控支撑组件8由油缸100、活塞101、顶杆102、油管103、单通电磁阀104、复位弹簧105组成，油管103将油缸100下油腔的进油口106和上油腔的出油口107连接，单通电磁阀104串接于油管103的中部；单通电磁阀104开通时，油缸100上下油腔中的油液可自由流动，在复位弹簧105的作用下，活塞101和顶杆102平缓伸出至油缸上止点；单通电磁阀104关闭时，油缸100上下油腔中的油液被阻断，活塞101和顶杆102的位置被锁定，无法自由移动；

C、图3中，XY轴定位机构2与三维打印控制器20联结，Z轴定位机构6与三维打印控制器20联结，可控支撑组件8、9、10、11分别与三维打印控制器20联结，成形作用头4和调平作业头5分别与三维打印控制器20联结。

本发明的增材作业平台通过四个可控支撑组件与Z轴移动平台连接，可控支撑组件的单通电磁阀开通、Z轴移动平台上行时，调平作用头挤压增材作业平台，进而压缩可控支撑组件；Z轴移动平台到达调平坐标位置时，可控支撑组件长度自适应调整至平衡状态；然后关闭单通电磁阀，即可锁定可控支撑组件的长度；本发明采用伸长后长度固定的调平作用头，逐个压缩、锁定可控支撑组件的长度，从而实现增材作业平台的强迫调平，无需采用精密位置传感器，也无需在增材作业平台上安装额外的精密位置伺服装置。

需要指出的是，实现本发明技术方案的支撑组件并不局限于上述可控支撑组件的结构，上述可控支撑组件的结构只是最优实现方式，而任何能够实现高度可调，并在调节完毕后可以锁定高度的构件也都可以作为本发明的可控支撑组件使用，比如采用各种基于气动、液动原理以及弹性材料来实现的支撑组件，同时，支撑组件的高度锁定方式除了电磁阀之外，也可以采用各种电控、数控、机械控制等各种方式完成锁定。

本发明的增材作业平台除上述实施例中的正方形之外，亦可为其它任意平面形状，例如六边形、圆形等，可控支撑组件的总数和安装位置除上述实施例中的四个之外，也可以是总数不少于三个的任意组合；相应的，可控支撑组件数量越少，则支撑刚性和成本越低、结构越简单、调平步骤越少，反之则支撑刚性和成本越高、结构越复杂，调平步骤亦随之增加；本发明可控支撑组件的油缸，其工作介质除上述实施例中的油液之外，亦可是其它类型低压缩系数的液体介质，例如纯水、醇类等。

Claims (10)

1.一种增材作业平台的调平系统，其特征在于：该系统包括一个在XY轴平面内可控移动的且与成形作业头平行的调平作业头，一个可在Z轴方向移动的移动平台，以及所述移动平台上安置有分别位于不同位置的若干个可控支撑组件来支撑增材作业平台，所述调平作业头位于所述移动平台的上方，所述可控支撑组件自身的高度会随着调平头施加的压力而降低，且变化后的高度能被锁定。

2.如权利要求1所述的增材作业平台的调平系统，其特征在于：所述可控支撑组件(8)由油缸(100)、活塞(101)、顶杆(102)、油管(103)、单通电磁阀(104)、复位弹簧(105)组成，所述油管(103)将所述油缸(100)下油腔的进油口(106)和上油腔的出油口(107)连接，所述单通电磁阀(104)串接于所述油管(103)的中部；所述单通电磁阀(104)开通时，在没有外力的情况下，会在所述复位弹簧(105)的作用下，所述活塞(101)和所述顶杆(102)平缓伸出至油缸上止点；所述单通电磁阀(104)关闭时，所述活塞(101)和所述顶杆(102)的位置被锁定，无法自由移动。

3.如权利要求2所述的增材作业平台的调平系统，其特征在于：所述油缸(100)，其工作介质除的油液之外，也能够采用其它类型低压缩系数的液体介质。

4.如权利要求1所述的增材作业平台的调平系统，其特征在于：所述增材作业平台是N边形，N大于等于3，N边形增材作业平台的每个角落的下方均由一个可控支撑组件支撑。

5.如权利要求1所述的增材作业平台的调平系统，其特征在于：所述可控支撑组件的数量为至少3个，且其中至少有3个可控支撑组件的相互间连线能够构成任意形状的三角形。

6.如权利要求1所述的增材作业平台的调平系统，其特征在于：所述调平头与所述成形作业头，均固定于高刚性支架顶部的XY轴定位机构，所述移动平台固定于所述高刚性支架侧面的Z轴定位机构，所述XY轴定位机构、所述Z轴定位机构、所述各可控支撑组件的电磁阀、所述成形作业头以及调所述平作业头均与三维打印控制器连接。

7.如权利要求1所述的增材作业平台的调平系统，其特征在于：所述可控支撑组件是气动装置、液动装置或者弹性材料装置，且所述可控支撑组件的高度被压缩后，其高度由电控、数控或者机械控制方式来完成锁定。

8.一种增材作业平台的调平方法，其特征在于：设置有一个在XY轴平面内可控移动的且与成形作业头平行的调平作业头，一个可在Z轴方向移动的移动平台，所述移动平台上安置有分别位于不同位置的若干个可控支撑组件来支撑增材作业平台，移动平台向调平作业头移动，使得移动平台上的至少三个可控支撑组件均被调平作业头的端部压低固定的高度，且所述至少三个可控支撑组件之间的连线构成任意三角形形状。

9.如权利要求8所述的增材作业平台的调平方法，其特征在于：所述使得移动平台上的至少三个可控支撑组件均被调平作业头的端部压低固定的高度，其具体步骤如下：

步骤1，控制所述移动平台在Z轴方向移动至初始位置；

步骤2，控制所述调平作业头在XY轴平面内移动至第一可控支撑组件所处位置的正上方；

步骤3，控制所述移动平台在Z轴方向向所述调平作业头靠近，在所述增材作业平台与所述调平作业头接触后，控制所述增材作业平台继续向所述调平作业头移动一段固定的平衡距离，使得所述第一可控支撑组件的高度被压低；

步骤4，锁定压低后的所述可控支撑组件的高度；

步骤5，控制所述移动平台回到所述初始位置；

步骤6，控制所述调平作业头在XY平面内移动至下一个可控支撑组件所处位置的正上方，重复步骤3-步骤5，直至所有可控支撑组件的高度均被锁定。

10.如权利要求8所述的增材作业平台的调平方法，其特征在于：所述平衡距离为所述各可控支撑组件的能够被压缩的最大距离，且各可控支撑组件能够被压缩的最大距离均统一预设为相同值。