CN110696352B - 一种基于标准件的五轴fdm三维打印机转台旋转轴的测定方法 - Google Patents

一种基于标准件的五轴fdm三维打印机转台旋转轴的测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，标准件包括设置于底板上的两行平行的若干个锥形单元形成的阵列，其中行方向的若干个锥形单元顶点形成的直线和每组两个在列方向上对应的锥形单元顶点形成的直线相互垂直，每个锥形单元包括一个主锥和一个支锥，支锥的轴线和主锥的轴线形成夹角，各个支锥与其相对应的主锥之间形成的夹角角度相同，支锥与其对应的主锥顶点的连线在列方向上；本发明用于一些打印塑料样件的FDM三维打印机，在其采用低端转台的情况下，测定其转轴在机器坐标系中的对应的直线方程。

Description

一种基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定 方法
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法。
背景技术
基于熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)的3D打印技术是3D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。但是，由于FDM打印机通常是打印塑料样件用的，其制造成本不应太高。
工业级的高端转台由于其定位精度高，制造和装配工艺复杂导致其成本很高，不适合用于制造塑料样件的FDM打印机使用。而低端转台由于其制造工艺和装配工艺比较粗糙，导致其转动的几何误差较大，因此在CAM软件中需要把FDM打印机中低端转台的A轴和C轴作为空间直线，让工件绕相应的空间直线转动从而得到满足FDM三维打印需求的定位精度。
因此，对于一些打印塑料样件的FDM三维打印机，在其采用低端转台的情况下，需要测定其转轴在机器坐标系中的对应的直线方程。
发明内容
本发明提供一种基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，标准件包括设置于底板上的两行平行的若干个锥形单元形成的阵列，其中行方向的若干个锥形单元顶点形成的直线和每组两个在列方向上对应的锥形单元顶点形成的直线相互垂直，每个锥形单元包括一个主锥和一个支锥，支锥的轴线和主锥的轴线形成夹角，各个支锥与其相对应的主锥之间形成的夹角角度相同，支锥与其对应的主锥顶点的连线在列方向上，
在打印机机床坐标系中，操作人员面对打印机机床时，沿着打印机水平方向为x轴，且水平向右为正方向，沿着喷嘴竖直向上的方向是z轴，且向上为正，用右手定则确定y轴方向，打印机的A轴绕x轴旋转，打印机的C轴绕z轴旋转；
测定方法如下：将安装盘安装于打印机的转台上，分次将标准件安装在安装盘上进行测定，每次安装标准件的行方向与打印机机床坐标系的x轴成的夹角
Figure BDA0002186224380000021
不同，然后移动打印喷嘴使得打印喷嘴与锥体尖点对齐测量标准件的各个单元的主锥体顶点的位置，逐行拟合行方向在机床坐标系中的直线方程并进行平均得到标准件的行方向直线，计算行方向的直线与机床坐标系x轴正向的夹角
Figure BDA0002186224380000022
计算各个支锥的顶点在机床坐标系中的位置
Figure BDA0002186224380000023
其中：k表示支锥号，i,j分别表示行方向和列方向；
把C轴旋转
Figure BDA0002186224380000024
角，使得行方向与x轴正向重合；依次旋转A轴为各个行的行方向支锥与主锥轴线的夹角θ0,i，使得各行的行方向支锥的轴线与Z轴正向重合，分别通过理论公式计算各个顶点旋转后的理论位置
Figure BDA0002186224380000025
其中：pA,qA是A轴上的两个点，pC,qC是C轴上的两个点，
Figure BDA0002186224380000026
是绕A轴的旋转矩阵，
Figure BDA0002186224380000027
是绕c轴的旋转矩阵，
Figure BDA0002186224380000028
是初始位置；分别测量各支锥顶点在旋转后的实际位置
Figure BDA0002186224380000029
把C轴旋转
Figure BDA00021862243800000210
角，使得行方向与x轴正向重合；依次旋转A轴为各个行的行方向支锥与主锥轴线的夹角θ1,i，使得各行的行方向支锥的轴线与Z轴正向重合，分别通过理论公式计算各个顶点旋转后的理论位置
Figure BDA00021862243800000211
其中：
Figure BDA00021862243800000212
是绕A轴的旋转矩阵，
Figure BDA00021862243800000213
是绕c轴的旋转矩阵；分别测量各支锥顶点在旋转后的实际位置
Figure BDA00021862243800000214
根据上述数据和优化模型，拟合A轴和C轴，从而完成测量；
优化模型
Figure BDA00021862243800000215
其中：m表示行方向支锥总数，n表示列方向支锥总数，当C轴旋转
Figure BDA00021862243800000216
使得行方向与x轴正向重合；依次旋转A轴为各个行的行方向支锥与主锥轴线的夹角θk,i，使得各行的行方向支锥的轴线与Z轴正向重合，通过理论公式计算各个顶点旋转后的理论位置
Figure BDA00021862243800000217
Figure BDA00021862243800000218
表示各支锥顶点在旋转后的实际位置。
优选地，标准件在行方向上，支锥位于与其对应的主锥外侧。
优选地，标准件的底板的下表面和安装盘的上表面均光滑平整。
优选地，标准件的底板和安装盘上均设置有若干个位置相对应的螺栓孔，安装盘上也设置有螺纹孔，螺栓依次穿过标准件的底板和安装盘上的螺栓孔可拆卸式固定连接。
优选地，安装盘和打印机的转台上均设置有若干个位置相对应的螺栓孔，螺栓依次穿过安装盘和打印机的转台上的螺栓孔可拆卸式固定连接。
优选地，所述打印机的转台上安装有打印基板，测定时，将打印基板自打印机的转台上拆下，再将安装盘安装在打印机的转台上。
优选地，所述标准件为三种，三种标准件的区别在于支锥的轴线和主锥的轴线形成夹角分别为30°、60°、90°。
优选地，喷嘴为1个或多个。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明用于一些打印塑料样件的FDM三维打印机，在其采用低端转台的情况下，测定其转轴在机器坐标系中的对应的直线方程。现有测量低端转台的转台中心的方法大多精度比较低，导致工件打印质量比较差。本发明可以大大提高机床中心的测量精度，打印出来的工件质量较高。
附图说明
图1是本发明中标准件的结构示意图；
图2是本发明中30度角标准件的结构示意图；
图3是本发明中60度角标准件的结构示意图；
图4是本发明中90度角标准件的结构示意图；
图5是本发明中标准件和安装盘装配的俯视图；
图6是本发明中标准件和安装盘装配的侧视图；
图7是本发明中标准件和安装盘装配的立体图；
图8是本发明中标准件在打印机上的安装状态示意图；
图9是本发明中标准件在打印机上的安装状态侧视图；
其中：1-标准件，2-安装盘，3-螺栓孔，4-转台，5-A轴，6-C轴，7-喷嘴a，8-喷嘴b，9-主锥，10-支锥，11-底板。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-9所示，一种基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，
标准件1包括设置于底板11上的两行平行的若干个锥形单元形成的阵列，其中行方向的若干个锥形单元顶点形成的直线和每组两个在列方向上对应的锥形单元顶点形成的直线相互垂直，每个锥形单元包括一个主锥9和一个支锥10，支锥的轴线和主锥的轴线形成夹角，各个支锥与其相对应的主锥之间形成的夹角角度相同，支锥与其对应的主锥顶点的连线在列方向上，
在打印机机床坐标系中，操作人员面对打印机机床时，沿着打印机水平方向为x轴，且水平向右为正方向，沿着喷嘴竖直向上的方向是z轴，且向上为正，用右手定则确定y轴方向，垂直于x轴和z轴且指向操作人员的方向是y轴正方向，具体地讲，位于打印机上，转台4的底部安装有与x轴位置相同的A轴5，转台4还连接有与z轴位置相同的C轴6，A轴5带动转台4绕x轴旋转，C轴6带动转台4绕z轴旋转，实质上，A轴5和C轴6带动安装于转台4上的安装盘2上的标准件1旋转，旋转方向按右手定则判断；
测定方法如下：将安装盘安装于打印机的转台上，分次将标准件安装在安装盘上进行测定，每次安装标准件的行方向与打印机机床坐标系的x轴成的夹角
Figure BDA0002186224380000042
不同(
Figure BDA0002186224380000043
是一个随意放置的角度)，然后移动打印喷嘴使得打印喷嘴与锥体尖点对齐测量标准件的各个单元的主锥体顶点的位置，
逐行拟合行方向在机床坐标系中的直线方程并进行平均得到标准件的行方向直线，计算行方向的直线与机床坐标系x轴正向的夹角
Figure BDA0002186224380000044
计算各个支锥的顶点在机床坐标系中的位置
Figure BDA0002186224380000045
其中：k表示支锥号，i,j分别表示行方向和列方向；
把C轴旋转
Figure BDA0002186224380000046
角，使得行方向与x轴正向重合；依次旋转A轴为各个行的行方向支锥与主锥轴线的夹角θ0,i，使得各行的行方向支锥的轴线与Z轴正向重合，分别通过理论公式计算各个顶点旋转后的理论位置
Figure BDA0002186224380000041
其中：pA,qA是A轴上的两个点，pC,qC是C轴上的两个点，
Figure BDA0002186224380000051
是绕A轴的旋转矩阵，
Figure BDA0002186224380000052
是绕c轴的旋转矩阵，
Figure BDA0002186224380000053
是初始位置；分别测量各支锥顶点在旋转后的实际位置
Figure BDA0002186224380000054
把C轴旋转
Figure BDA00021862243800000512
角，使得行方向与x轴正向重合；依次旋转A轴为各个行的行方向支锥与主锥轴线的夹角θ1,i，使得各行的行方向支锥的轴线与Z轴正向重合，分别通过理论公式计算各个顶点旋转后的理论位置
Figure BDA0002186224380000055
其中：
Figure BDA0002186224380000056
是绕A轴的旋转矩阵，
Figure BDA0002186224380000057
是绕c轴的旋转矩阵；分别测量各支锥顶点在旋转后的实际位置
Figure BDA0002186224380000058
根据上述数据和优化模型，拟合A轴和C轴，从而完成测量；
优化模型
Figure BDA0002186224380000059
其中：m表示行方向支锥总数，n表示列方向支锥总数，当C轴旋转
Figure BDA00021862243800000513
使得行方向与x轴正向重合；依次旋转A轴为各个行的行方向支锥与主锥轴线的夹角θk,i，使得各行的行方向支锥的轴线与Z轴正向重合，通过理论公式计算各个顶点旋转后的理论位置
Figure BDA00021862243800000510
Figure BDA00021862243800000511
表示各支锥顶点在旋转后的实际位置。
作为一个优选方案，标准件在行方向上，支锥位于与其对应的主锥外侧，标准件的底板的下表面和安装盘的上表面均光滑平整，标准件的底板和安装盘上均设置有若干个位置相对应的螺栓孔，安装盘上也设置有螺纹孔，螺栓依次穿过标准件的底板和安装盘上的螺栓孔可拆卸式固定连接。
如图2-4所示，所述标准件为三种，三种标准件的区别在于支锥的轴线和主锥的轴线形成夹角分别为30°、60°、90°。
作为一个优选方案，安装盘和打印机的转台上均设置有若干个位置相对应的螺栓孔，螺栓依次穿过安装盘和打印机的转台上的螺栓孔可拆卸式固定连接。所述打印机的转台上安装有打印基板，测定时，将打印基板自打印机的转台上拆下，再将安装盘安装在打印机的转台上。优选地，打印机上的喷嘴为1个或多个，若只有一个喷嘴a的话就用该喷嘴，若有多个喷嘴，如有喷嘴a7和喷嘴b8，则选择一个合适的喷嘴即可，且在操作的过程中不能更换喷嘴。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，其特征在于：
标准件包括设置于底板上的两行平行的若干个锥形单元形成的阵列，其中行方向的若干个锥形单元顶点形成的直线和每组两个在列方向上对应的锥形单元顶点形成的直线相互垂直，每个锥形单元包括一个主锥和一个支锥，支锥的轴线和主锥的轴线形成夹角，各个支锥与其相对应的主锥之间形成的夹角角度相同，支锥与其对应的主锥顶点的连线在列方向上，
在打印机机床坐标系中，操作人员面对打印机机床时，沿着打印机水平方向为x轴，且水平向右为正方向，沿着喷嘴竖直向上的方向是z轴，且向上为正，用右手定则确定y轴方向，打印机的A轴绕x轴旋转，打印机的C轴绕z轴旋转；
位于打印机上，转台的底部安装有与x轴位置相同的A轴，转台还连接有与z轴位置相同的C轴，A轴带动转台绕x轴旋转，C轴带动转台绕z轴旋转；
测定方法如下：将安装盘安装于打印机的转台上，分次将标准件安装在安装盘上进行测定，每次安装标准件的行方向与打印机机床坐标系的x轴成的夹角
Figure FDA0003053557920000011
不同，然后移动打印喷嘴使得打印喷嘴与锥体尖点对齐测量标准件的各个单元的主锥体顶点的位置，
逐行拟合行方向在机床坐标系中的直线方程并进行平均得到标准件的行方向直线，计算行方向的直线与机床坐标系x轴正向的夹角
Figure FDA0003053557920000012
计算各个支锥的顶点在机床坐标系中的位置
Figure FDA0003053557920000013
其中：k表示支锥号，i,j分别表示行方向和列方向；
把C轴旋转
Figure FDA0003053557920000014
角，使得行方向与x轴正向重合；依次旋转A轴为各个行的行方向支锥与主锥轴线的夹角
Figure FDA0003053557920000015
使得各行的行方向支锥的轴线与Z轴正向重合，分别通过理论公式计算各个顶点旋转后的理论位置
Figure FDA0003053557920000016
其中：pA,qA是A轴上的两个点，pC,qC是C轴上的两个点，
Figure FDA0003053557920000017
是绕A轴的旋转矩阵，
Figure FDA0003053557920000018
是绕c轴的旋转矩阵，
Figure FDA0003053557920000019
是初始位置；分别测量各支锥顶点在旋转后的实际位置
Figure FDA00030535579200000110
把C轴旋转
Figure FDA00030535579200000111
角，使得行方向与x轴正向重合；依次旋转A轴为各个行的行方向支锥与主锥轴线的夹角θ1,i，使得各行的行方向支锥的轴线与Z轴正向重合，分别通过理论公式计算各个顶点旋转后的理论位置
Figure FDA0003053557920000021
其中：
Figure FDA0003053557920000022
是绕A轴的旋转矩阵，
Figure FDA0003053557920000023
是绕c轴的旋转矩阵；分别测量各支锥顶点在旋转后的实际位置
Figure FDA0003053557920000024
根据上述数据和优化模型，拟合A轴和C轴，从而完成测量；
Figure FDA0003053557920000025
其中：m表示行方向支锥总数，n表示列方向支锥总数，当C轴旋转
Figure FDA0003053557920000026
使得行方向与x轴正向重合；依次旋转A轴为各个行的行方向支锥与主锥轴线的夹角θk,i，使得各行的行方向支锥的轴线与Z轴正向重合，通过理论公式计算各个顶点旋转后的理论位置
Figure FDA0003053557920000027
Figure FDA0003053557920000028
表示各支锥顶点在旋转后的实际位置。
2.根据权利要求1所述的基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，其特征在于：标准件在行方向上，支锥位于与其对应的主锥外侧。
3.根据权利要求1所述的基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，其特征在于：标准件的底板的下表面和安装盘的上表面均光滑平整。
4.根据权利要求1所述的基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，其特征在于：标准件的底板和安装盘上均设置有若干个位置相对应的螺栓孔，安装盘上也设置有螺纹孔，螺栓依次穿过标准件的底板和安装盘上的螺栓孔可拆卸式固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，其特征在于：安装盘和打印机的转台上均设置有若干个位置相对应的螺栓孔，螺栓依次穿过安装盘和打印机的转台上的螺栓孔可拆卸式固定连接。
6.根据权利要求1所述的基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，其特征在于：所述打印机的转台上安装有打印基板，测定时，将打印基板自打印机的转台上拆下，再将安装盘安装在打印机的转台上。
7.根据权利要求1所述的基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，其特征在于：所述标准件为三种，三种标准件的区别在于支锥的轴线和主锥的轴线形成夹角分别为30°、60°、90°。
8.根据权利要求1所述的基于标准件的五轴FDM三维打印机转台旋转轴的测定方法，其特征在于：喷嘴为1个或多个。
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