CN112519215A - 一种3d打印机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印机，包括喷头组件，喷头组件包括一中间曲轴和可拆卸固定在中间曲轴上的若干喷头，喷头中具有一工作喷头和至少一待机喷头，工作喷头和待机喷头与打印面间距离不等；中间曲轴上连接有旋转装置，旋转装置驱动中间曲轴旋转，实现将工作喷头旋转至靠近打印面位置并朝向打印面，将待机喷头均旋转至远离打印面位置；本发明的3D打印机，具有至少两个以上的喷头，在工作喷头打印时，待机喷头位置均高于工作喷头，避免与打印对象发生剐蹭或干涉。

Description

一种3D打印机及其控制方法

技术领域

本发明属于打印机领域，更具体的说涉及一种3D打印机。

背景技术

随着3D打印设备发展和追求快速打印的需要，双喷头以及三个以上喷头的3D打印机越来越被市场所青睐。目前见到的多头3D打印机中，打印头基本上是在同一基准平面上。如图1所示的3D打印机包含处于同一基准平面的A喷头和B喷头。

现有的多喷头3D打印机在实际打印时只有一个喷头工作(工作喷头)，而另一个喷头(待机喷头)闲置或进行待机冷却并随着工作喷头方向一起水平运动。这样一来，当工作喷头打印时，待机喷头就有可能刮到打印对象(打印精度越高发生概率越高)，造成打印物品表面粗糙不光滑(积料、刮伤等)，打印质量不高，效率低下，浪费材料及工时，也会不可避免的在打印中存在干涉，影响打印速度和打印质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印机，具有至少两个以上的喷头，在工作喷头打印时，待机喷头位置均高于工作喷头，避免与打印对象发生剐蹭或干涉。

本发明技术方案一种3D打印机，包括喷头组件，所述喷头组件包括一中间曲轴和可拆卸固定在中间曲轴上的若干喷头，所述喷头中具有一工作喷头和至少一待机喷头，所述工作喷头和所述待机喷头与打印面间距离不等；

所述中间曲轴上连接有旋转装置，所述旋转装置驱动中间曲轴旋转，实现将所述工作喷头旋转至靠近打印面位置并朝向所述打印面，将所述待机喷头均旋转至远离所述打印面位置。

优选地，所述中间曲轴包括一中间轴和固定在中间轴端部的若干连接轴，所述连接轴远离中间轴端均分布在中间轴外侧并远离中间轴，所有连接轴远离中间轴端与中间轴之间距离相等并分别连接喷头，所述旋转装置与所述中间轴连接并带动所述中间轴旋转。

优选地，所述连接轴分别固定在所述中间轴两端，中间轴任一端的连接轴外端部在中间轴外侧围成一以中间轴为圆心的圆，任意两分别位于中间轴两端的连接轴外端部连线不与中间轴平行。

优选地，所述连接轴均固定在所述中间轴一端，所述连接轴外端部在中间轴外侧围一成以中间轴为圆心的圆。

优选地，所述旋转装置包括与中间轴固定的从动轮，所述从动轮上连接有主动轮，所述主动轮上连接有驱动机构，所述驱动机构通过主动轮带动从动轮与中间轴同步旋转。

优选地，所述中间轴由从动轮中心穿过，所述主动轮与从动轮均为齿轮并相互啮合，所述驱动机构为伺服电机，伺服电机上连接有控制器。

优选地，所述打印面为水平设置的平面，所述喷头均设置在打印面上部，所述喷头上固定有安装套，所述安装套内设置有轴承并与所述连接轴连接，所述喷头在连接轴旋转中绕连接轴旋转并始终保持竖直向下状态。

一种3D打印机的控制方法，包括以下步骤：

S1、确定空间坐标，标记各个连接轴外端部固定的喷头的空间坐标：

具体为，第一步，首先设置中间轴的中心位置为原点O，以中间轴轴线为X轴；然后将确定打印工作时的工作喷头工作位置，将X轴与工作位置垂直连线方向作为Y轴正坐标，再然后设定与X轴和Y轴均垂直的Z轴；最后标记出各个喷头在空间坐标系(X，Y，Z)中的坐标(Xn，Yn，Zn)；

第二步，连接轴外端部的喷头在Y轴所在的平面上投影形成一以原点O为圆心的圆C；首先，设定Y轴正坐标角度φ为0°；然后，标记出圆C上各个喷头相对Y轴正坐标的圆心角度φn；最后，结合第一步，得出各个喷头在空间坐标系(X，Y，Z)中的坐标(Xn，Yn，Zn，φn)；

S2，将各个坐标输入控制器的控制系统中，作为原始数据记录；设定其中一喷头工作喷头，将本工作喷头坐标系自动确定为(X1，Y1，0，0°)，同步计算出其余喷头相对工作喷头的相对位置，获得各个喷头的相对坐标(X1+ΔX，Y1+ΔY，0+ΔZ，0+Δφ)；然后，确定伺服电机每旋转一圈需要的脉冲，向控制系统中输入中间轴每旋转过角度为1°时需要的伺服电机脉冲。

本发明技术方案的一种3D打印机的有益效果是：

1、工作喷头和待机喷头与打印面间距离不等，打印时，工作喷头靠近打印面，待机喷头远离打印面，即待机喷头远离工作喷头刚刚打印完成的打印对象，有效的避免了打印时待机喷头与打印对象发生干涉的问题。

2、通过中间曲轴的设计，实现了两个或两个以上的喷头设置，在打印喷头工作时，所有的待机喷头均能够远离打印对象，增加了喷头数量。

附图说明

图1为本发明技术方案的一种3D打印机的喷头组件结构示意图，也即实施例一结构示意图，

图2为实施例二结构示意图，

图3为实施例三结构示意图；

图4为本技术方案中坐标系的设定示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

如图1所示，本发明技术方案一种3D打印机，包括喷头组件，喷头组件包括一中间曲轴10和可拆卸固定在中间曲轴上的若干喷头，喷头中具有一工作喷头3和至少一待机喷头3a，工作喷头3和待机喷头3a与打印面100间距离不等。如图1中，工作喷头3距离打印面100较进，待机喷头3a距离打印面100较远。中间曲轴10上连接有旋转装置20，旋转装置20驱动中间曲轴10旋转，实现将工作喷头3旋转至靠近打印面100位置并朝向打印面100，将待机喷头3a均旋转至远离打印面100位置。

上段技术方案中，所有喷头中，保持一个喷头进行打印，称为打印喷头，其余喷头进行备用或冷却，称为待机喷头。在整个打印对象200打印中，打印喷头和待机喷头可以相互转化，即在正在工作的打印喷头出现故障或需要继续冷却时，将本打印喷头转化为待机喷头并旋转远离打印面，将原待机喷头中一喷头转化为打印喷头并旋转至打印面上打印位置进行对打印对象的打印。

基于上述技术方案，工作喷头3和待机喷头3a与打印面100间距离不等，且打印时，工作喷头3靠近打印面100，待机喷头3a远离打印面100，即待机喷头3a远离工作喷头3刚刚打印完成的打印对象200，有效的避免了打印时待机喷头3a与打印对象200发生干涉的问题，避免了待机喷头3a与打印对象200发生剐蹭而影响或降低打印对象200质量的问题。

如图1，中间曲轴10包括一中间轴1和固定在中间轴1端部的若干连接轴2/2a。连接轴2/2a远离中间轴1端均分布在中间轴1外侧并远离中间轴1。所有连接轴2/2a远离中间轴1端与中间轴1之间距离相等并分别连接喷头3/3a。旋转装置20与中间轴1连接并带动中间轴1旋转。

基于上段技术方案，因打印工作时，打印喷头和待机喷头交错工作(打印喷头与待机喷头相互转化)，所以，这里所有连接轴2/2a远离中间轴1端与中间轴1之间距离相等并分别连接喷头3/3a，这样就保证在待机喷头和打印碰头相互转化后，打印位置和打印高度不需要进行调整，一方面节约了调整时间和工作流程，另一方面简化了设备结构，节约成本。

如图1，连接轴2/2a分别固定在中间轴1两端，中间轴1任一端的连接轴外端部在中间轴外侧围成一以中间轴为圆心的圆，任意两分别位于中间轴两端的连接轴外端部连线不与中间轴平行。或，连接轴均固定在中间轴一端，连接轴外端部在中间轴外侧围一成以中间轴为圆心的圆。

如图1，旋转装置20包括与中间轴1固定的从动轮4，从动轮4上连接有主动轮5，主动轮5上连接有驱动机构6，驱动机构6通过主动轮5带动从动轮6与中间轴1同步旋转。具体地，中间轴1由从动轮4中心穿过，主动轮5与从动轮4均为齿轮并相互啮合，驱动机构6为伺服电机，伺服电机上连接有控制器。采用控制器和伺服电机对中间轴1在每次旋转时需要旋转过的角度进行简准控制。主动轮和从动轮采用齿轮结构，一方面实现对中间轴1旋转角度的精准控制，另一方面实现中间轴的360n度完全无阻碍旋转。

如图1，打印面100为水平设置的平面，喷头均设置在打印面100上部，喷头上固定有安装套7，安装套7内设置有轴承并与连接轴连接。喷头在连接轴旋转中绕连接轴旋转并始终在自身重力作用下保持竖直向下状态。可以避免在打印喷头和待机喷头转化后对喷头进行调整的问题，简化操作，同时也避免喷头及其上的各种辅助组件(散热组件、加热组件等)发生牵扯而出现故障。

下面为便于对本技术方案中连接轴和中间轴的结构以及连接轴在中间轴上的安装位置的理解，提供以下几种中间曲轴具有结构。

实施例一

如图1，连接轴设置有两个，即连接轴2和连接轴2a，连接轴2和连接轴2a分别设置在中间轴1两端，且如图1中显示的连接轴2和连接轴2a以中间轴对称设置，连接轴2和连接轴2a外端部(远离中间轴的端部)连线与中间中在同一平面内且交叉。另，根据描述的原理，连接轴2和连接轴2a可不以中间轴对称设置，且连接轴2和连接轴2a外端部连线与中间轴位于两个平面内且不平行即可满足要求。

实施例二

连接轴设置有四根，即连接轴12/13/14/15，连接轴12/13/14/15分别设置在中间轴1两端，且每一端设置有两根，连接轴12/13外端部以中间轴对称，连接轴12/13外端围成一以中间轴为圆心的圆。连接轴14/15外端部以中间轴对称，连接轴14/15外端同样围成一以中间轴为圆心的圆，两圆平行也直径相等。

同理，若连接轴为三根，或5跟或更多跟，且分别设置在连接轴两端，只要按照上述的基本原理和规律设置即可，满足如上段四根连接轴相同的要求即可。简而言之，所有连接轴外端部(远离中间轴的端部)在同一面上的投影形成一以中间轴轴线为圆心的圆。

实施例三

连接轴为两根，且均设置在中间轴一端，即连接轴22和连接轴23均位于中间轴1一端，连接轴22和连接轴23以中间轴1中心对称，且连接轴22和连接轴23外端部围成一以中间轴为圆心的圆即可。

一种3D打印机的控制方法，包括以下步骤：

S1、确定空间坐标，标记各个连接轴外端部固定的喷头的空间坐标：

具体为，第一步，首先设置中间轴的中心位置为原点O，以中间轴轴线为X轴；然后将确定打印工作时的工作喷头工作位置，将X轴与工作位置垂直连线方向作为Y轴正坐标，再然后设定与X轴和Y轴均垂直的Z轴；最后标记出各个喷头在空间坐标系(X，Y，Z)中的坐标(Xn，Yn，Zn)；

第二步，连接轴外端部的喷头在Y轴所在的平面上投影形成一以原点O为圆心的圆C；首先，设定Y轴正坐标角度φ为0°；然后，标记出圆C上各个喷头相对Y轴正坐标的圆心角度φn；最后，结合第一步，得出各个喷头在空间坐标系(X，Y，Z)中的坐标(Xn，Yn，Zn，φn)；

S2，将各个坐标输入控制器的控制系统中，作为原始数据记录；设定其中一喷头工作喷头，将本工作喷头坐标系自动确定为(X1，Y1，0，0°)，同步计算出其余喷头相对工作喷头的相对位置，获得各个喷头的相对坐标(X1+ΔX，Y1+ΔY，0+ΔZ，0+Δφ)；然后，确定伺服电机每旋转一圈需要的脉冲，向控制系统中输入中间轴每旋转过角度为1°时需要的伺服电机脉冲。

根据上述控制方法，伺服电机首先将工作喷头旋转至工作位置，此时工作喷头在空间坐标系(X，Y，Z)中坐标为(X1，Y1，0，0°)，同时其余喷头坐标(X1+ΔX，Y1+ΔY，0+ΔZ，0+Δφ)随之确定。然后，控制喷头组件的控制系统控制工作喷头进行打印工作，值得注意的是，这里的空间坐标系(X，Y，Z)是依据中间轴设定，在喷头工作中，因中间轴与工作喷头同步运动，并不参与旋转以及单独的移动，所以，在打印中，虽然工作喷头位置变化，但依据中间轴设置的坐标系(X，Y，Z)随之变化，工作喷头在独立中坐标系(X，Y，Z)中相对位置并未发生变化，这样其余的待机喷头相对工作喷头位置也未发生变化。在本工作喷头工作完成后或需要进行停歇时，将另一处于非工作状态的待机喷头转化为工作喷头，并运动至原工作喷头停止工作的位置。假定转化的待机喷头原坐标为(X2，Y2，Z2，φ2)，运动的步骤有：首先通过控制中间轴旋转的伺服电机旋转过角度φ2(φ2-0°)；然后通过控制喷头组件的控制系统控制喷头组件整体在依据中间轴设置的坐标系(X，Y，Z)中运动，运动的坐标为(X2-X1，Y2-Y1，Z2-0)，即完成了将待机喷头转化为工作喷头并运动至前一工作喷头停止工作的位置，可进行继续打印。

在运动完成后，依据中间轴设置的坐标系(X，Y，Z)中各个喷头的坐标随着重新设定，即将由待机喷头转化为工作喷头的喷头坐标设定为(X1，Y1，0，0°)，其余喷头相对改变，为下一次转化做准备。

在工作喷头和待机喷头转化中，为避免喷头组件对打印对象造成干涉，可以整体上升喷头组件或下降打印面和打印对象，在待机喷头转化为工作喷头后并移动一直原工作喷头停止工作的位置后，首先回复打印面或喷头组件整体位置。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (8)

1.一种3D打印机，包括喷头组件，其特征在于，所述喷头组件包括一中间曲轴和可拆卸固定在中间曲轴上的若干喷头，所述喷头中具有一工作喷头和至少一待机喷头，所述工作喷头和所述待机喷头与打印面间距离不等；

所述中间曲轴上连接有旋转装置，所述旋转装置驱动中间曲轴旋转，实现将所述工作喷头旋转至靠近打印面位置并朝向所述打印面，将所述待机喷头均旋转至远离所述打印面位置。

2.根据权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述中间曲轴包括一中间轴和固定在中间轴端部的若干连接轴，所述连接轴远离中间轴端均分布在中间轴外侧并远离中间轴，所有连接轴远离中间轴端与中间轴之间距离相等并分别连接喷头，所述旋转装置与所述中间轴连接并带动所述中间轴旋转。

3.根据权利要求2所述的3D打印机，其特征在于，所述连接轴分别固定在所述中间轴两端，中间轴任一端的连接轴外端部在中间轴外侧围成一以中间轴为圆心的圆，任意两分别位于中间轴两端的连接轴外端部连线不与中间轴平行。

4.根据权利要求2所述的3D打印机，其特征在于，所述连接轴均固定在所述中间轴一端，所述连接轴外端部在中间轴外侧围一成以中间轴为圆心的圆。

5.根据权利要求2所述的3D打印机，其特征在于，所述旋转装置包括与中间轴固定的从动轮，所述从动轮上连接有主动轮，所述主动轮上连接有驱动机构，所述驱动机构通过主动轮带动从动轮与中间轴同步旋转。

6.根据权利要求5所述的3D打印机，其特征在于，所述中间轴由从动轮中心穿过，所述主动轮与从动轮均为齿轮并相互啮合，所述驱动机构为伺服电机，伺服电机上连接有控制器。

7.根据权利要求2所述的3D打印机，其特征在于，所述打印面为水平设置的平面，所述喷头均设置在打印面上部，所述喷头上固定有安装套，所述安装套内设置有轴承并与所述连接轴连接，所述喷头在连接轴旋转中绕连接轴旋转并始终保持竖直向下状态。

8.一种3D打印机的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、确定空间坐标，标记各个连接轴外端部固定的喷头的空间坐标：

具体为，第一步，首先设置中间轴的中心位置为原点O，以中间轴轴线为X轴；然后将确定打印工作时的工作喷头工作位置，将X轴与工作位置垂直连线方向作为Y轴正坐标，再然后设定与X轴和Y轴均垂直的Z轴；最后标记出各个喷头在空间坐标系(X，Y，Z)中的坐标(Xn，Yn，Zn)；

第二步，连接轴外端部的喷头在Y轴所在的平面上投影形成一以原点O为圆心的圆C；首先，设定Y轴正坐标角度φ为0°；然后，标记出圆C上各个喷头相对Y轴正坐标的圆心角度φn；最后，结合第一步，得出各个喷头在空间坐标系(X，Y，Z)中的坐标(Xn，Yn，Zn，φn)；

S2，将各个坐标输入控制器的控制系统中，作为原始数据记录；设定其中一喷头工作喷头，将本工作喷头坐标系自动确定为(X1，Y1，0，0°)，同步计算出其余喷头相对工作喷头的相对位置，获得各个喷头的相对坐标(X1+ΔX，Y1+ΔY，0+ΔZ，0+Δφ)；然后，确定伺服电机每旋转一圈需要的脉冲，向控制系统中输入中间轴每旋转过角度为1°时需要的伺服电机脉冲。

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