CN110962346A - 一种增材基板平面畸变补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增材基板平面畸变补偿方法，采用距离测量头，扫描并测量增材基板表面的平面畸变数据；通过三维打印控制器计算平面畸变补偿值等参数，并控制成形作用头跟随增材基板表面畸变、实施沉积作业；在打印平面畸变补偿底座过程中，通过实时调节成形作用头的沉积的补偿量，逐层累积补偿增材基板的平面畸变；最终在所完成的平面畸变补偿底座上，得到接近理想平面的上表面，并将该上表面作为三维打印零件的基准平面。本发明公开的方法，无需保证增材基板的高平面度，无需复杂、精密的多点调平机构，即可实现大幅面沉积增材作业，可降低增材基板的材料及加工成本。

Description

一种增材基板平面畸变补偿方法

技术领域

本发明属于机电方法类，具体涉及一种平面畸变补偿方法。

背景技术

随着三维打印技术的快速发展，三维打印零件特别是大尺寸零件的应用发展迅猛。在采用熔融沉积方法，如FDM(熔融沉积成形)、LMD(激光熔融沉积)打印大尺寸塑料或金属三维零件的过程中，作为沉积起始面和基准面的增材基板，其平面度的要求也越来越高。增材基板平面度偏差较大时，不仅会造成初始沉积层翘曲、进而导致打印失败，严重情况下还会引发打印头与增材基板发生刮擦和碰撞，造成重大设备损坏事故。与此同时，由于三维打印机中，增材基板一般是作为快速拆卸部件、易损件而设计的，因此依靠提升基板机械强度、提高加工精度的方式来确保其平面度不仅成本高，而且在结构设计方面，如安装空间、重量等方面存在较大局限。

为了保证增材基板在三维打印坐标系下的平面度，传统方式一般将增材基板视作刚性整体，并在其四角设置手动调节螺栓，进而依靠塞尺等量具以及人工反复调整，以实现增材基板相对打印头的平面度，但其操作繁琐且不能纠正基板自身的平面畸变。为实现自动调平，CN106827540A公开了一种采用3点支撑、3个Z轴电机控制的增材基板自动调平机构，但仍存在驱动机构复杂、无法纠正基板自身平面畸变的局限。此外，CN207496021U还公开了一种基于单个Z轴电机和多个电磁离合器的增材基板调平方案，但仍无法校正增材基板自身的平面畸变，只能调整其相对于打印头作业平面的整体平行度。目前三维打印领域还缺少一种能补偿大幅面增材基板平面畸变，方案简单、技术可行的结构方案与控制方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种方案简单、技术可行的增材基板平面畸变补偿方法。

本发明的技术方案如下：

一种增材基板平面畸变补偿方法，所述方法包含如下步骤：

S01.Z轴定位机构移动，将增材基板移动至测量坐标位置；

S02.距离测量头对增材基板的打印区域进行平面畸变扫描，并根据设定的采样间隔，记录平面畸变数据；

S03.三维打印控制器计算平面畸变补偿层的总层数，增材基板平面各扫描点处的平面畸变补偿值，以及各平面畸变补偿层的补偿量；

S04.三维打印控制器控制成形作用头及Z轴定位机构，打印平面畸变补偿层，从而完成基板平面畸变补偿底座。

优选的，所述S04步骤具体为：

S41.三维打印控制器根据成形作用头所处的XY瞬时坐标位置，计算得出当前平面畸变补偿层对应的Z轴坐标补偿量，并控制Z轴定位机构，驱动增材基板输出平面畸变补偿运动；

S42.三维打印控制器调取所述XY瞬时坐标位置对应的S03步骤中计算出的当前平面畸变补偿层的补偿量；

S43.三维打印控制器驱动成形作用头，沉积在所述XY瞬时坐标位置对应补偿量的打印材料；

S44.三维打印控制器驱动XY轴定位机构，将成形作用头移动至下一XY瞬时位置；

S45.重复S41至S44，至所述平面畸变补偿层打印完毕；

S46.驱动Z轴定位机构移动至下一平面畸变补偿层位置，重复S41至S45直至全部平面畸变补偿层打印完毕。

优选的，所述平面畸变数据为二维数组存储结构，其中二维数组元素的行索引对应扫描点的X轴坐标值、列索引对应扫描点的Y轴坐标值，数组元素的值为对应扫描点的平面畸变量。

优选的，所述增材基板平面畸变补偿层总层数在增材基板平面各扫描点处保持固定。

优选的，所述各平面畸变补偿层的补偿量，为各扫描点处的平面畸变补偿值与平面畸变补偿层总层数之商。

优选的，所述各扫描点处的平面畸变补偿值，以平面畸变量数据的正峰值Dp为基准。

优选的，所述打印方法还包括在所述S04步骤后，继续在所述补偿底座上表面打印三维物体。

本发明的技术方案还包括，一种基于增材基板平面畸变补偿方法的打印装置，所述打印装置包含刚性支架、XY轴定位机构、Z轴定位机构、第一移动平台、第二移动平台、成形作用头、距离测量头、增材基板、三维打印控制器，其中：

XY轴定位机构位于刚性支架顶部，并且在所述XY轴定位机构上有第一移动平台；所述第一移动平台上有成形作用头和距离测量头，其中所述成形作用头和距离测量头利用XY轴定位机构进行平面运动；Z轴定位机构处于刚性支架侧面，并且在所述Z轴定位机构上有第二移动平台；其中所述第二移动平台与第一移动平台基本平行，并可在Z轴定位机构驱动下接近或远离成形作用头及距离测量头；所述第二移动平台上设有增材基板；所述三维打印控制器分别与XY轴定位机构、Z轴定位机构、成形作用头和距离测量头分别电气连接。

本发明的有益效果在于，这种增材基板平面畸变补偿方法，无需保证增材基板的高平面度，无需复杂、精密的多点调平机构，即可实现大幅面沉积增材作业，可降低增材基板的材料及加工成本、取消复杂的基板调平操作，并可保护成形作用头免于发生刮擦或碰撞损坏事故；本发明方案简单、经济安全、技术可行性高，易于在三维打印行业推广应用。

附图说明

图1为实现本发明的一种增材基板平面畸变补偿方法的打印装置的结构示意图；

图2为本发明的一种增材基板平面畸变补偿方法的实施步骤；

图3为本发明打印平面畸变补偿底座的实施步骤；

图4为本发明实施例的打印平面畸变补偿底座和三维物体的侧视图；

图5为本发明实施例的控制信号连接图。

附图标号：高刚性支架1，XY轴定位机构2，第一移动平台3，成形作用头4，距离测量头5，Z轴定位机构6，第二移动平台7，增材基板8，平面畸变补偿底座9，三维打印零件10，畸变补偿层101、102，三维打印控制器11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细描述。

为实现本发明的一种增材基板平面畸变补偿方法，相应的打印装置如图1所示，打印装置包含刚性支架1、XY轴定位机构2、Z轴定位机构6、第一移动平台3、第二移动平台7、成形作用头4、距离测量头5、增材基板8、三维打印控制器11，其中：

XY轴定位机构2位于刚性支架1顶部，并且在所述XY轴定位机构2上有第一移动平台3；所述第一移动平台3上有成形作用头4和距离测量头5，其中所述成形作用头4和距离测量头5利用XY轴定位机构2进行平面运动；Z轴定位机构6处于刚性支架1侧面，并且在所述Z轴定位机构6上有第二移动平台7；其中所述第二移动平台7与第一移动平台3基本平行，并可在Z轴定位机构6驱动下接近或远离成形作用头4及距离测量头5；所述第二移动平台7上设有增材基板8；所述三维打印控制器11分别与XY轴定位机构2、Z轴定位机构6、成形作用头4和距离测量5头分别电气连接。从而实现针对大幅面增材基板平面畸变的补偿。

由于材料变形、加工偏差等因素影响，增材基板8的表面是含平面畸变的非理想平面，所以可以通过本发明提供的一种增材基板平面畸变补偿方法，实现大幅面沉积增材作业。

在一个或多个实施例中，本发明提供的一种增材基板平面畸变补偿方法，其具体步骤如图2所示：

S01.Z轴定位机构移动6，将增材基板8移动至测量坐标位置；

S02.距离测量头5对增材基板8的打印区域进行平面畸变扫描，并根据设定的采样间隔，记录平面畸变数据；

S03.三维打印控制器11计算平面畸变补偿层的总层数，增材基板8平面各扫描点处的平面畸变补偿值，以及各平面畸变补偿层的补偿量；

S04.三维打印控制器11控制成形作用头4及Z轴定位机构6，打印平面畸变补偿层101、102，从而完成基板平面畸变补偿底座9。

具体的，在一个或者多个实施例中，增材基板8移动至测量坐标位置后，三维打印控制器11通过XY轴定位机构2，按设定的扫描路径、扫描速度，驱动距离测量头5对增材基板8的打印区域进行平面畸变扫描，并根据设定的采用间隔记录平面畸变数据。所记录数据采用二维数组存储结构；其中数组元素的行索引对应扫描点的X轴坐标值、列索引对应扫描点的Y轴坐标值，数组元素的值为对应扫描点的平面畸变量；进而，根据存储在二维数组中的完整扫描数据，三维打印控制器11计算得到增材基板平面畸变的峰-峰值Dp-n，并与成形作用头4的每层沉积厚度最大调节值ΔDmax相除，得到增材基板平面畸变的总补偿层数j；最后，三维打印控制器11以平面畸变量数据的正峰值Dp为基准，将Dp与各扫描点的平面畸变值相减，得到各扫描点的平面畸变补偿值，用D{n,m}表示增材基板在第n行、m列扫描点处的平面畸变值，则该点Z轴坐标从第1层到第i层的平面畸变补偿值可表示为：(Dp-D{n,m})×(1-i/j)，1≤i≤j，每层平面畸变补偿层的补偿量为：(Dp-D{n,m})/j。

优选的，如图3所示在一个或多个实施例中，所述S04步骤具体为：

S41.三维打印控制器11根据成形作用头4所处的XY瞬时坐标位置，计算得出当前平面畸变补偿层对应的Z轴坐标补偿量，并控制Z轴定位机构6，驱动增材基板8输出平面畸变补偿运动；

S42.三维打印控制器11调取所述XY瞬时坐标位置对应的S03步骤中计算出的当前平面畸变补偿层的补偿量；

S43.三维打印控制器11驱动成形作用头4，沉积在所述XY瞬时坐标位置对应补偿量的打印材料；

S44.三维打印控制器11驱动XY轴定位机构2，将成形作用头4移动至下一XY瞬时位置；

S45.重复S41至S44，至所述平面畸变补偿层打印完毕；

S46.驱动Z轴定位机构移动至下一平面畸变补偿层位置，重复S41至S45直至全部平面畸变补偿层打印完毕。

具体的，在一个或多个实施例中，在打印平面畸变补偿底座过程中，三维打印控制器11根据成形作用头4所处的XY瞬时坐标位置，并根据与公式：(Dp-D{n,m})×(1-i/j)相同的原则，计算得出该XY瞬时坐标位置的Z轴坐标补偿量，以输出Z轴定位机构6的平面畸变补偿运动，将驱动增材基板8移动到对应对的Z轴位置，并保证成形作用头4工作时，打印材料能沉积到对应的平面畸变补偿层。

在一个或多个实施例中，三维打印控制器11对S03步骤中计算出的各平面畸变补偿层的补偿量进行存储，或存储在其它存储介质上；而在S43步骤中，三维打印控制器11直接调取所述XY瞬时坐标位置以及所在平面畸变补偿层所对应的补偿量数据即可，并进一步驱动成形作用头4完成该瞬时位置的打印。

在一个或多个实施例中，如图4所示，开始增材作业时，三维打印控制器11先打印总层数为j的平面畸变补偿底座9；该底座完成后，其上表面的Z轴坐标位置为：Zini+j*D_L，其中Zini为成形作用头4与增材基板8最高点临界接触时Z轴所对应的坐标位置、D_L为成形作用头每一层的标准沉积层厚；本发明通过XY轴定位机构2驱动距离测量头5，扫描并测量增材基板8的平面畸变数据；在平面畸变补偿底座9的打印过程中，三维打印控制器11通过在Z轴上输出平面畸变补偿运动，以控制成形作用头4跟踪增材基板8的地貌；并且通过平面畸变补偿层的补偿量累积，补偿增材基板8的平面畸变，达到经一定层数的沉积之后，平面畸变补偿底座9的上表面与XY轴定位机构2相平行的效果。也即得到接近理想平面的平面畸变补偿底座9的上表面，并将该上表面作为三维打印零件的基准平面。

在一个或多个实施例中，当总层数为j的平面畸变补偿底座9打印完成后，成形作用头4仅按设定的标准沉积层厚DL控制瞬时沉积量，并且Z轴定位机构不再叠加补偿运动。

优选的，本发明还提供了一种基于所述增材基板平面畸变补偿方法的打印方法，如图4所示，在所述平面畸变补偿底座9打印完成后，继续在所述补偿底座9上表面打印三维物体10。

优选的，如图5所示，三维打印控制器11分别与XY轴定位机构2、Z轴定位机构6、成形作用头4和距离测量头5电气连接，用于控制XY轴定位机构2、Z轴定位机构6的运动，以及控制作用头4沉积相应的打印材料。

优选的，本实施例中的距离测量头方案，不仅包括常见的红外测距检测元件，还可采用景深相机等其它平面畸变检测元件，这些测距方案都应该归入本发明的范畴。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在本发明中，增材基板无需高精度平面加工、无需复杂调平机构，仅采用单个距离测量头、配合三维打印机原有运动机构，即可满足大幅面增材作业对沉积基板平面度的要求，便于在实时控制系统中实现。这种增材基板平面畸变补偿方法，无需保证增材基板的高平面度，无需复杂、精密的多点调平机构，即可实现大幅面沉积增材作业，可降低增材基板的材料及加工成本、取消复杂的基板调平操作，并可保护成形作用头免于发生刮擦或碰撞损坏事故。

以上所述，仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明的技术方案做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何简单修改，形式变化和修饰，均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种增材基板平面畸变补偿方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：

S01.Z轴定位机构移动，将增材基板移动至测量坐标位置；

S02.距离测量头对增材基板的打印区域进行平面畸变扫描，并根据设定的采样间隔，记录平面畸变数据；

S03.三维打印控制器计算平面畸变补偿层的总层数，增材基板平面各扫描点处的平面畸变补偿值，以及各平面畸变补偿层的补偿量；

S04.三维打印控制器控制成形作用头及Z轴定位机构，打印平面畸变补偿层，从而完成基板平面畸变补偿底座。

2.一种如权利要求1所述的增材基板平面畸变补偿方法，其特征在于，所述S04步骤具体为：

S41.三维打印控制器根据成形作用头所处的XY瞬时坐标位置，计算得出当前平面畸变补偿层对应的Z轴坐标补偿量，并控制Z轴定位机构，驱动增材基板输出平面畸变补偿运动；

S42.三维打印控制器调取所述XY瞬时坐标位置对应的S03步骤中计算出的当前平面畸变补偿层的补偿量；

S43.三维打印控制器驱动成形作用头，沉积在所述XY瞬时坐标位置对应补偿量的打印材料；

S44.三维打印控制器驱动XY轴定位机构，将成形作用头移动至下一XY瞬时位置；

S45.重复S41至S44，至所述平面畸变补偿层打印完毕；

S46.驱动Z轴定位机构移动至下一平面畸变补偿层位置，重复S41至S45直至全部平面畸变补偿层打印完毕。

3.一种如权利要求1所述的增材基板平面畸变补偿方法，其特征在于，所述平面畸变数据为二维数组存储结构，其中二维数组元素的行索引对应扫描点的X轴坐标值、列索引对应扫描点的Y轴坐标值，数组元素的值为对应扫描点的平面畸变量。

4.一种如权利要求1所述的增材基板平面畸变补偿方法，其特征在于，所述增材基板平面畸变补偿层总层数在增材基板平面各扫描点处保持固定。

5.一种如权利要求1所述的增材基板平面畸变补偿方法，其特征在于，所述各平面畸变补偿层的补偿量，为各扫描点处的平面畸变补偿值与平面畸变补偿层总层数之商。

6.一种如权利要求5所述的增材基板平面畸变补偿方法，其特征在于，所述各扫描点处的平面畸变补偿值，以平面畸变量数据的正峰值Dp为基准。

7.一种基于权利要求1所述的增材基板平面畸变补偿方法的打印方法，其特征在于，所述打印方法还包括在所述S04步骤后，继续在所述补偿底座上表面打印三维物体。

8.一种基于权利要求1所述的增材基板平面畸变补偿方法的打印装置，其特征在于，所述打印装置包含刚性支架、XY轴定位机构、Z轴定位机构、第一移动平台、第二移动平台、成形作用头、距离测量头、增材基板、三维打印控制器，其中：

XY轴定位机构位于刚性支架顶部，并且在所述XY轴定位机构上有第一移动平台；所述第一移动平台上有成形作用头和距离测量头，其中所述成形作用头和距离测量头利用XY轴定位机构进行平面运动；Z轴定位机构处于刚性支架侧面，并且在所述Z轴定位机构上有第二移动平台；其中所述第二移动平台与第一移动平台基本平行，并可在Z轴定位机构驱动下接近或远离成形作用头及距离测量头；所述第二移动平台上设有增材基板；所述三维打印控制器分别与XY轴定位机构、Z轴定位机构、成形作用头和距离测量头分别电气连接。

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