CN110901072B - 用于并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法 - Google Patents

用于并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于三维打印的技术领域,具体涉及涉及一种用于并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法,其特征在于:通过传感器采集打印平台内测试点高度数据,进行反馈式多阶限位原点补偿,实现打印机的调平。具体包括以下步骤:确定目标阈值及调平阶数;一阶调平的数据采集;确定各塔原点补偿值;调整一阶虚拟原点平面;二阶调平;完成多阶调平。本发明提供了一套用于并联臂三维打印机的反馈式的自动调平方法,通过补偿调整并联三维打印机的各塔柱原点位置,即调整塔柱原点位置构成的虚拟原点平面位置实现调平,该方法使打印平台调平工作的便捷化、自动化,提高了调平效率、保证了产品质量。

Description

用于并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法
技术领域
本发明属于三维打印技术领域,涉及一种用于并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法,特别是涉及通过传感器采集打印平台测试点高度数据进行原点补偿的反馈式多阶自动调平方法。
背景技术
对于三维打印,开始打印的第一层能否均匀、稳固的附着于打印平台决定了打印工作的成功与否。喷头过低会导致挤出困难、过高会导致粘接不牢甚至凌空吐丝,发生这种现象的原因很大程度上是打印机调平结果不达标。因此,三维打印机的调平尤为重要。
现有三维打印机调平技术中一部分是手动调平,如2016年王大军等人公布的一种调平方法,该方法通过调整调平螺母进行调平。手动调平需要操作人员具有一定的经验和操作技巧,调平过程耗费时间长,工作繁琐,不同操作人员可能会得到不同的调平结果,这些因素直接影响最终的调平效果,调平结果的一致性差,显然也是低效率的调平方式。现有三维打印机调平技术中另外一部分是自动调平,自动调平也有两种:一种是调整打印平台,如2016年丰洪微等人公布的一种3D打印机的自动调平装置,2017年钱远宏等人公布的一种基板自动调平装置和方法等都是由高度采集传感器测量喷头到打印平台距离,记录数据后经系统计算出打印平台的倾斜度,然后通过打印平台底部的调平电机调整打印平台的倾斜度,结束调平。这种调平方式是在打印平台平面内一次性采集打印平台表面高度数据,通过拟合获得接近的平面姿态参数,但是受打印机装配误差的影响,在使用正逆求解计算打印平面时,计算结果本身就不一定是理想的平面,另外打印平台表面高度数据的采集过程包含随机误差,容易导致拟合后的平面偏离真实的平面位置,所以这种策略很容易调平失败,稳定性差;另一种自动调平与上述不同,它不调整打印平台,而是在打印过程中拟合待打印层平面,在打印过程中实时调整喷头,进而实现待打印层的调整,如2017年陈文娟等人公布的一种在打印的过程中建立待打印层拟合平面的方式,在打印平台内设置测试点,测量这些测试点的高度数据,作为局部误差补偿依据,在打印过程中对喷头的高度进行实时补偿。这类方法的优点在于局部补偿,可以避免打印平台本身不平导致的打印误差,但是这种策略中每个打印层的打印都需要数据采集、平面补偿值计算,单次的测量显然会存在随机误差,且打印中易造成微台阶现象,存在不足。以上两种自动调平方法属于开环式调平,一次性获得打印平台表面高度数据,在高度数据基础上对打印平面进行补偿,忽略了外界其他误差因素对正逆定位影响,难以保证较高精度的调平质量。本发明则针对现有调平方法中存在的问题,提出了一种本质不同于现有调平方式的反馈式自动调平方法,表现为本方法采用闭环反馈式的方法,调整并联三维打印机的各塔柱原点位置,即调整塔柱原点位置构成的虚拟原点平面,调整后的虚拟原点平面尽可能的平行于打印平台。
发明内容
为了解决手动调平过程耗时长、调平操作繁琐、调平结果一致性差,自动调平的硬件系统复杂、设计成本高、调平结果不稳定等问题。本发明提供了一种反馈式自动调平方法,降低现有自动调平结构和方法的复杂程度,提高调平质量及稳定性。采用的技术方案是:补偿调整并联三维打印机的各塔柱原点位置,即调整塔柱原点位置构成的虚拟原点平面位置,使虚拟原点平面尽可能的平行于打印平台平面,完成调平。
本发明设计的调平机构包括固定组件、旋转组件、检测组件、定位组件。固定组件即调平机构固定座,上表面设计有方块凸起,即定位组件,用于整个调平机构与效应器之间的安装定位。固定组件即固定座,上下贯通,贯通孔用于安装散热器,贯通孔上表面处有一段同轴小孔径的孔,作为散热器安装限位。散热器下端安装加热块和喷头,安装后两者低于固定座。固定座左右贯通,左侧用于安装风扇,右侧为出风口。固定座上设计有光孔,用于安装紧固螺钉和紧固螺母,前端面设计有缝隙,该缝隙是固定座夹紧散热器时的空间余量,其间距可调;后端面设计有安装旋转组件的凸起、带有理线孔的理线部分,检测组件固定在旋转组件上。
本发明调平方法采用反馈式多阶调平,首先确定目标阈值及调平阶数。目标阈值是虚拟原点平面与打印平台平面允许的平行度误差的临界值,要求阈值应小于打印机的一个打印层厚,以满足打印机的工作要求。调平阶数是单次调平工作中允许的最大调平次数。然后,判断当前平行度误差与目标阈值之间的大小关系,若当前平行度误差小于目标阈值,则无需进行调平工作,反之进行调平。每阶调平后判断打印平台的平行度误差是否小于目标阈值,小于则调平工作结束,反之进行下一阶调平。为了防止因目标阈值设置过小而导致调平工作无限循环进行,设置一个调平阶数,即达到设置的调平阶数时也结束调平工作。
下列自动调平步骤是在初始打印平台平行度误差不小于的目标阈值的基础上进行,主要包括以下内容步骤:
1.确定目标阈值及调平阶数
根据零件的打印质量要求,设置目标阈值,当打印质量要求较高时设置较小阈值,实际工作中阈值小于打印机的一个打印层厚时都可以很好的完成打印工作,此步骤中对目标阈值进行设置。设置调平阶数,即设置单次调平工作允许进行的最多调平次数。调平阶数设置为6-10次;根据具体的实验得出来的结果设置6-10都可以满足需求。
2.一阶调平的数据采集
高度采集传感器安装在设计好的调平机构上,调平时高度采集传感器跟随喷头运动到达设置在打印平台内的测试点上方,然后打印机控制喷头和高度采集传感器向下运动,接触打印平台后产生触发信号,系统采集测试点的高度数据并记录。
3.确定各塔原点补偿值
在采集的数据基础上,系统对数据处理,分析计算数据大小关系,数据之间两两比较,确定高度数据最小值为调平所需的基准数据,然后调平算法依据基准数据计算出各塔柱原点位置补偿时所需的补偿值。
4.调整一阶虚拟原点平面
系统根据各塔柱补偿值调整各塔柱原点位置,控制电机运动对各塔柱的原点位置进行补偿,调整各塔柱后的原点位置确定为一阶虚拟原点平面,后各塔回零,到达各自一阶原点位置,完成虚拟原点平面的一阶调平。此时再次采集测试点的高度数据,高度数据用于判断打印平台平行度误差是否小于目标阈值。若小于则可结束调平工作,反之进行二阶的调平。
5.二阶调平
一阶调平完成后,若打印平台平行度误差不小于目标阈值,则进行二阶调平。二阶调平则以一阶虚拟原点平面为基础,一阶调平后记录的高度数据为二阶调平所需数据。重复一阶调平过程中确定各塔原点补偿值过程,确定二阶调平所需的各塔原点补偿值,调整各塔柱原点位置,实现二阶虚拟原点平面的调整,完成二阶调平。此时再采集测试点的高度数据,判断打印平台平行度误差是否小于目标阈值。若小于则可结束调平工作。反之进行下一阶调平。
6.完成多阶调平
在上次调平基础上,重复一阶调平过程中的数据采集、确定各塔原点补偿值、调整虚拟原点平面等步骤,设置的调平阶数完成之前,若打印平台的平行度误差小于设置的目标阈值则结束调平,反之继续。若完成设置的阶数还未满足目标阈值要求,但已完成设置的调平阶数,同样结束调平过程。
综上,本发明提供了一套用于并联臂三维打印机的反馈式的自动调平方法,通过补偿调整并联三维打印机的各塔柱原点位置,即调整塔柱原点位置构成的虚拟原点平面位置实现调平,该方法使打印平台调平工作的便捷化、自动化,提高了调平效率、保证了产品质量。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法的流程图;
图2是根据本发明一个实施例H1的示意及测量方法;
图3是根据本发明一个实施例H2的示意及测量方法;
图4是根据本发明一个实施例H3的示意及测量方法;
图5是根据本发明一个实施例H1、H2、H3的测量流程图;
图6是根据本发明一个实施例X、Y、Z塔的补偿值示意及大小;
图7是根据本发明一个实施例的N阶调平结果示意图;
图8是根据本发明一个实施例调平机构的轴测图;
图9是根据本发明一个实施例调平机构的前视图;以及
图10是根据本发明一个实施例调平机构收起旋转臂后的轴测图。
涉及的零件名称及标号为:
1、固定座
2、散热器
3、加热块
4、旋转臂
5、磁铁
6、理线孔
7、风扇
8、紧固螺母
9、喷头
10、微动开关
11、紧固螺钉
S1、启动设备,回零
S2、设置调平目标阈值及调平阶数
S3、采集测试点的高度数据
S4、对采集的数据进行比较处理
S5、数据处理后确定调平基准数据
S6、根据S5确定的基准数据计算出X、Y、Z轴各自进行原点位置调整时所需补偿值εX、εY、εZ
S7、由控制系统对打印机各塔原点位置进行调整使其到达新的原点位置完成一阶调平
S8、完成一阶调平后再次测量测试点的高度H1、H2、H3
S9、判断一阶调平后打印平台平行度误差是否小于目标阈值
S10、判断已进行调平的阶数是否小于系统初始设置的调平阶数
S11、打印平台平行度误差小于目标阈值或者已经行调平阶数已达到系统初始设置的调平阶数,调平结束
S31、检测开关随喷头到达测试点O上方
S32、检测开关随喷头匀速向下到测试点O
S33、记录H1
S34、微动开关随喷头到达测试点M上方
S35、微动开关随喷头匀速向下到测试点M
S36、记录H2
S37、微动开关随喷头到达测试点N上方
S38、微动开关随喷头匀速向下接近测试点
S39、记录H3
S3X、H1、H2、H3数据测量完毕
具体实施方式
以下结合附图对本发明的调平机构进一步说明。
如图8-9所示,调平机构包括固定座1、散热器2、旋转臂4、微动开关10、磁铁5、加热块3、喷头9、风扇7。固定座1孔径上下贯通,上表面设计有方块凸起,用于整个调平机构与效应器之间的安装定位。固定组件即固定座1,上下贯通,贯通孔用于安装散热器2,贯通孔上表面处有一段同轴小孔径的孔,作为散热器安装限位。散热器下端安装加热块3和喷头9,两者低于固定座。固定座1左右贯通,左侧用于安装风扇7,右侧为出风口。固定座1上设计有光孔,用安装紧固螺钉和紧固螺母,前端面设计有缝隙,该缝隙用于连接固定座和散热片的夹紧,其间距可调;后端面设计有安装旋转组件的凸起、带有理线孔的理线部分,检测组件固定在旋转组件上。
如图1显示本发明涉及的用于并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法流程图,主要包括以下内容步骤:
1.确定目标阈值及调平阶数
设置目标阈值为ε,阈值ε小于打印机的一个打印层厚,根据本发明的一个实施例,打印层厚最小值可以是0.2mm,故本实施中0<ε≤0.2mm,以满足打印机打印工作的要求,当打印平台水平度误差小于调平误差ε时终止调平。设置调平阶数为T,T=10,即调平阶数达到10次时也会终止调平。
2.一阶调平的数据采集
如图2、如图3、图4所示,微动开关采用机械式微动开关,跟随喷头到达检测点O上方后匀速向下运动,微动开关接触到打印平台时,产生触发信号,此时记录点O到X塔、Y塔、Z塔原点组成的虚拟原点平面的Z方向距离H1;同样的方式记录检测点M、N到X塔、Y塔、Z塔原点组成的虚拟原点平面的Z方向距离H2、H3
3.确定各塔原点补偿值
在采集的数据H1、H2、H3基础上,判断H1、H2、H3的大小,以最小距离值作为基准数据作为计算补偿值的依据。如图6中(a)、(b)、(c)所示,分别为选取基准数据为H1、H2、H3时的情形,由调平算法根据选取的基准数据计算出X、Y、Z塔各自进行原点位置调整时所需补偿值,设定补偿值为较大值与基准数据(较小值)的高度差。即(a)图所示,H1为基础数据时,Y、Z塔的补偿值分别为εY=ε12=H2-H1、εZ=ε13=H3-H1;(b)图所示,H2为基础数据时,X、Z塔的补偿值分别为εX=ε21=H1-H2、εZ=ε23=H3-H2;(c)图所示,H3为基础数据时,X、Y塔的补偿值分别为εX=ε31=H1-H3、εY=ε32=H2-H3
4.调整一阶虚拟原点平面
系统根据各塔柱补偿值控制电机运动对X、Y、Z塔的原点位置进行补偿,调整X、Y、Z各塔的原点位置。当H1为基础准数据时,令H2=H212、H3=H313;当H2为基础准数据时,令H1=H121、H3=H323;当H3为基础准数据时,令H1=H131、H2=H232;调整后的各塔原点位置组成一阶虚拟原点平面。后各塔回零,到达各自一阶原点位置,完成虚拟原点平面的一阶调平。此时再次采集测试点的高度数据,判断打印平台平行度误差是否小于目标阈值。若小于则结束调平。若不小于则进行二阶的调平。
5.二阶调平
一阶调平完成后,若打印平台平行度误差不小于目标阈值,则进行二阶调平。一阶调平后各塔的原点位置及其组成的虚拟原点平面位置发生变化,二阶调平则以一阶调平后的虚拟原点平面为基础,一阶调平后记录的高度数据H1、H2、H3为二阶调平所需数据。重复一阶调平过程中确定原点补偿值过程,确定二阶调平所需的各塔原点补偿值,调整各塔柱原点位置,确定二阶虚拟原点平面,完成二阶调平。此时再采集测试点的高度数据H1、H2、H3,高度数据用于判断打印平台平行度误差是否小于目标阈值。若小于则可结束调平工作。反之进行下一阶调平。
6.完成多阶调平
如图7所示,在上次调平基础上,重复一阶调平过程中的数据采集、确定原点补偿值的步骤,设置的调平阶数T完成之前,若打印平台的平行度误差小于设置的目标阈值则结束调平,反之继续。若完成设置的阶数还未满足目标阈值要求,同样结束调平过程。
本发明采用反馈式的调整塔柱虚拟原点平面的方法,通过比较调整虚拟原点平面的位置,逐次逼近最佳的位置,保证打印平面和虚拟原点平面之间有较好的平行度,从而实现自动调平。对本领域的技术人员来说,本发明明显做出多种改进和变化,只要落入所附的权利要求书及其等同的范围内,就涵盖本发明的这些改进和变化。

Claims (3)

1.一种用于并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法,其特征在于:具体包括以下步骤:
1)确定目标阈值及调平阶数
根据零件的打印质量要求,设置目标阈值,阈值小于打印机的一个打印层厚;设置调平阶数,即设置单次调平工作允许进行的最多调平次数,设置为6-10次;
2)一阶调平的数据采集
高度采集传感器安装在设计好的调平机构上,调平时跟随喷头运动到达设置在打印平台内的测试点上方,然后向下运动,接触打印平台后产生触发信号,系统采集测试点的高度数据并记录;
3)确定各塔原点补偿值
在采集的数据基础上,系统对数据处理,分析计算数据大小关系,数据之间两两比较,确定高度数据最小值为调平所需的基准数据,然后调平算法依据基准数据计算出各塔柱原点位置补偿时所需的补偿值;
4)调整一阶虚拟原点平面
系统根据各塔柱补偿值调整各塔柱原点位置,对各塔柱的原点位置进行补偿,调整各塔柱后的原点位置确定为一阶虚拟原点平面,然后各塔回零,到达各自一阶原点位置,完成虚拟原点平面的一阶调平;再次采集测试点的高度数据,判断打印平台平行度误差是否小于目标阈值,若小于则可结束调平工作,反之进行二阶的调平;
5)二阶调平
一阶调平完成后,若打印平台平行度误差不小于目标阈值,则进行二阶调平;二阶调平以一阶虚拟原点平面为基础,重复一阶调平过程,确定二阶调平所需的各塔原点补偿值,调整各塔柱原点位置,实现二阶虚拟原点平面的调整,完成二阶调平;再次采集测试点的高度数据,判断打印平台平行度误差是否小于目标阈值,若小于则结束调平工作;反之进行下一阶调平;
6)完成多阶调平
在上次调平基础上,重复一阶调平过程;设置的调平阶数完成前,若打印平台的平行度误差小于目标阈值则结束调平,反之继续;若完成设置的阶数还未满足目标阈值要求,但已完成设置的调平阶数,也结束调平过程。
2.根据权利要求1所述的用于并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法,其特征在于:其中步骤4进行虚拟原点平面调整所需的补偿值数据来自步骤2、步骤3,确定各塔柱补偿值后由系统控制电机运动对各塔柱的原点位置进行补偿,调整后各塔柱的原点位置确定为一阶虚拟原点平面,然后各塔回零,到达各自原点位置,完成虚拟原点平面的一阶调平。
3.根据权利要求1所述的用于并联臂三维打印机的反馈式自动调平方法,其特征在于:其中步骤6基于上次调平的基础上,对上述一阶调平过程中的步骤2、步骤3进行重复操作,在设置的调平阶数完成前,若打印平台的平行度误差小于目标阈值,则结束调平,反之继续;若完成设置的阶数还未满足目标阈值要求,但已完成设置的调平阶数,也结束调平过程。
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