CN112810132A - 一种热床偏移的打印头修正打印方法及其应用的3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热床偏移的打印头修正打印方法及其应用的3D打印机，包括如下步骤：建立以热床中心点为原点的空间直角坐标系；在热床的打印面设置有呈矩阵排布的多个标记点，其中，每个标记点具有确定的x坐标和y坐标；打印头以同一高度移动至热床中心点以及每个标记点的上方，分别获取每个标记点的实际z坐标；将热床中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，建立针对于呈矩阵排布的多个标记点的空间变化矩阵；基于空间变化矩阵修正打印头的打印移动轨迹。本发明能在一定程度上提高打印效率。

Description

一种热床偏移的打印头修正打印方法及其应用的3D打印机

技术领域

本发明涉及修正方法的技术领域，特别涉及一种热床偏移的打印头修正打印方法及其应用的3D打印机。

背景技术

快速成型技术，又称3D打印，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，其根据零件或者物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式就可以制造出实物或者实物模型。

3D打印的基本原理是分层加工和叠加成型，即通过逐层增加材料来生成3D实体，在进行3D打印时，首先由计算机通过设计、扫描等方式得到待打印物体的三维模型，再通过电脑辅助设计技术（例如CAD）沿某个方向完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，由计算机根据切片生成机器指令，3D打印机根据该机器指令打印出薄型层面，并将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型，形成三维立体实物，完成3D打印。

随着3D打印技术的不断发展，桌面型3D打印机是一种将ABS、PLA等丝材加热至熔融态后，逐层叠加并最终成型的设备。其中，3D打印机在工作之前，需要对3D打印机中的热床先进行调平，即保证打印头距离热床任何一点的距离都相等，否则会对零件、样品的成型精度甚至能否成型产生影响。

目前热床调平有采用在打印头上设置探针来探测热床各角落的高度，然后利用拧动热床螺母来调节热床高度，重复多次操作使热床水平后才能够进行打印，造成3D打印机整体打印效率较低，因此存在一定的改进之处。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种热床偏移的打印头修正打印方法，能在一定程度上提高打印效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种热床偏移的打印头修正打印方法，包括如下步骤：

建立以热床中心点为原点的空间直角坐标系；

在热床的打印面设置有呈矩阵排布的多个标记点，其中，每个标记点具有确定的x坐标和y坐标；

打印头以同一高度移动至热床中心点以及每个标记点的上方，分别获取每个标记点的实际z坐标；

将热床中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，建立针对于呈矩阵排布的多个标记点的空间变化矩阵；

基于空间变化矩阵修正打印头的打印移动轨迹。

优选的，呈矩阵排布的多个标记点中，矩阵排布的行数和列数相同并完全覆盖热床的打印面。

优选的，将热床中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，建立针对于呈矩阵排布的多个标记点的空间变化矩阵，包括如下步骤：

将热床中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，其中，每个标记点配置有对应的x坐标、y坐标、实际z坐标和基准z坐标；

将呈矩阵排布的多个标记点以预设幅面分割成至少一个矩阵分区；

基于矩阵分区中每个标记点根据公式①进行计算，以建立针对于每个矩阵分区的空间变化矩阵，其中，公式①如下：

。

优选的，以相邻标记点之间的幅面为所述预设幅面。

优选的，基于空间变化矩阵修正打印头的打印移动轨迹，包括如下步骤：

获取打印头在空间直角坐标系中的打印移动轨迹，打印移动轨迹为空间直角坐标系中若干坐标点位的集合，其中，每个坐标点位具有基准坐标；

将每个坐标点位的基准坐标代入到对应矩阵分区的空间变化矩阵中，计算获取坐标点位对应的实际偏移坐标；

修正打印头的打印移动轨迹。

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种应用热床偏移的打印头修正打印方法的3D打印机，能在一定程度上提高打印效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种应用如上述技术方案所述的热床偏移的打印头修正打印方法的3D打印机，包括机架、设置在机架上的热床、以及设置在热床上方的打印头，所述机架上设置有用于控制打印头在热床上方形成打印移动轨迹的x轴移动机构、y轴移动机构和z轴移动机构，所述打印头的下端面设置有探测开关。

优选的，所述探测开关为触点开关或电容式接近开关。

优选的，所述打印头包括挤出机和打印喷嘴，所述打印喷嘴设置在挤出机的下端面，所述探测开关设置在挤出机的下端面，所述探测开关底端所在的水平面低于打印喷嘴底端所在的水平面。

综上所述，本发明对比于现有技术的有益效果为：

本申请通过将热床中心点定义为基准点，将各个标记点都以热床中心点作为参照，从而获取出热床中各个标记点所在位置所产生的偏移程度，通过对打印头的打印移动轨迹进行修正，以使得打印头在打印过程中能够在z轴方向上进行修正移动以适应热床的倾斜偏移，从而免去了在打印前手动拧动螺母调节热床的过程，节约了大量调节热床倾斜度的准备时间，以在一定程度上提高打印效率。

附图说明

图1为本发明技术方案中3D打印机的结构示意图；

图2为本发明技术方案中3D打印机的正视图；

图3为本发明技术方案中热床偏移的打印头修正打印方法的流程示意图；

图4为本发明技术方案中空间变化矩阵的建立流程示意图；

图5为本发明技术方案中打印头的打印移动轨迹的修正流程示意图。

附图标记：1、机架；2、安装底座；3、热床；4、打印头；41、挤出机；42、打印喷嘴；5、x轴移动机构；51、安装支架；52、安装座；53、x轴伺服电机；54、x轴同步带体；6、y轴移动机构；61、y轴伺服电机；62、y轴同步带体；7、z轴移动机构；71、安装轨；72、z轴伺服电机；73、驱动丝杆；8、探测开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

现有技术中热床3调平有采用在打印头4上设置探针来探测热床3各角落的高度，然后利用拧动热床3螺母来调节热床3高度，重复多次操作使热床3水平后才能够进行打印。

针对于现有技术的缺陷，本申请通过在热床3打印面设置矩阵排布的多个标记点，其中，将热床3中心点定义为基准点，将各个标记点都以热床3中心点作为参照，从而获取出热床3中各个标记点所在位置所产生的偏移程度，通过对打印头4的打印移动轨迹进行修正，以使得打印头4在打印过程中能够自适应热床3的倾斜偏移，以免去花费大量时间对热床3手动调平的过程，以提高打印效率。

具体地，如图1所示，本发明提出了一种3D打印机，该3D打印机应用于热床偏移的打印头修正打印方法，其中，3D打印机包括机架1，机架1上滑动设置有安装底座2，安装底座2上设置有热床3，热床3的四个边角通过螺丝螺母组件连接在安装底座2上，由此，通过拧动螺丝螺母组件能够实现热床3在安装底座2上摆动以手动调节热床3的倾斜角度。

其中，热床3的上方设置有打印头4，机架1上设置有用于控制打印头4在热床3上方形成打印移动轨迹的x轴移动机构5、y轴移动机构6和z轴移动机构7。本实施例中，通过x轴移动机构5和z轴移动机构7控制打印头4沿x轴方向和z轴方向移动，y轴移动机构6控制安装底座2沿y轴方向移动，从而形成打印头4的打印移动轨迹。

y轴移动机构6包括y轴伺服电机61、第一y轴同步带轮、第二y轴同步带轮和y轴同步带体62，第一y轴同步带轮和第二y轴同步带轮分别转动安装在机架1的两侧，y轴同步带体62包覆在第一y轴同步带轮和第二y轴同步带轮上，安装底座2固定在y轴同步带体62上，y轴伺服电机61的输出轴连接在第一y轴同步带轮上，y轴移动机构6带动安装底座2滑动以使得热床3沿y轴方向运动。

x轴移动机构5包括安装支架51、安装座52、x轴伺服电机53、第一x轴同步带轮、第二x轴同步带轮和x轴同步带体54，安装支架51设置在热床3上方，安装座52沿x轴方向滑动安装在安装支架51上，第一x轴同步带轮和第二x轴同步带轮分别转动安装在安装支架51两侧，x轴同步带体54包覆在第一x轴同步带轮和第二x轴同步带轮上，安装座52固定在x轴同步带体54上，打印头4设置在安装支架51上，x轴移动机构5带动安装座52滑动以带动打印头4沿x轴方向运动。

z轴移动机构7至少设置一个，本实施例，z轴移动机构7的数量设置两个，两个z轴移动机构7设置在安装支架51两侧，z轴移动机构7包括安装轨71、z轴伺服电机72和驱动丝杆73，安装支架51滑动设置在安装轨71上并可沿z轴方向滑动，驱动丝杆73螺纹连接在安装支架51上，z轴伺服电机72的输出轴连接在驱动丝杆73上，z轴移动机构7带动安装支架51滑动以使得打印头4沿z轴方向运动。

结合图1和图2所示，打印头4的下端面设置有探测开关8。在一个实施例中，探测开关8为触点开关；在另一个实施例中，探测开关8为电容式接近开关。值得说明的是，打印头4包括挤出机41和打印喷嘴42，挤出机41设置在安装座52上，打印喷嘴42设置在挤出机41的下端面，探测开关8设置在挤出机41的下端面，探测开关8底端所在的水平面低于打印喷嘴42底端所在的水平面。在一个实施例中，探测开关8底端所在水平面低于打印喷嘴42底端所在水平面的距离为0.5cm。

由此，在进行3D打印时，首先由计算机通过设计、扫描等方式得到待打印的零件模型的三维模型，再通过电脑辅助设计技术（例如CAD）沿某个方向完成一系列数字切片，如沿水平方向完成数字切片，进而将这些切片的信息传送到该3D打印机的控制器中，切片信息中包含有零件模型中每层切片截面的轮廓信息和零件模型中每层切片的切片层厚等。

如进行首层切片打印时，控制器根据首层切片截面的轮廓信息，通过x轴移动机构5、y轴移动机构6和z轴移动机构7控制打印头4沿着首层切片截面的轮廓移动（该轮廓即为打印头4的打印移动轨迹），打印头4喷出熔融的3D打印材料冷却凝固在热床3的打印面上从而形成首层切片截面的轮廓形状。

在下一层切片成型中，控制器根据下一层切片截面的轮廓信息，通过x轴移动机构5、y轴移动机构6和z轴移动机构7控制打印头4沿着下一层切片截面的轮廓移动，打印头4喷出熔融的3D打印材料冷却凝固在首层轮廓形状上进行叠加。重复上述动作，将连续的切片堆叠起来，直到一个固态物体成型，形成三维的零件模型，完成3D打印。

因此，当热床3在3D打印前没有进行调平，将导致打印头4在首层打印时，打印头4移动至热床3打印面的距离出现偏差。为此，本申请能够预先得知热床3各个位置的倾斜情况，进而对打印头4的打印移动轨迹进行修正。

如图3所示，本发明提出的一种热床偏移的打印头修正打印方法，包括如下步骤：

步骤S100，建立以热床3中心点为原点的空间直角坐标系；

步骤S200，在热床3的打印面设置有呈矩阵排布的多个标记点，其中，每个标记点具有确定的x坐标和y坐标。

根据步骤S100~步骤S200所限定的技术方案，具体的，本申请中的空间直角坐标系以热床3中心点为原点，因此，热床3打印面的中心点所在的水平面为空间直角坐标系中x轴和y轴交互区域面，热床3中心点的竖直方向为z轴。

本申请通过在热床3的打印面设置呈矩阵排布的多个标记点，本申请中，呈矩阵排布的多个标记点中，矩阵排布的行数和列数相同并完全覆盖热床3的打印面。本实施例中，矩阵排布的行数和列数的数量是五。其中，每个标记点的建立都是以虚拟的方式进行建立，每个标记点具有确定的x坐标和y坐标，如从左上角的标记点坐标开始可以分别记录为（-10,10，z）、（-5,10，z）、（0，10，z）……、（0，-10，z）、（5，-10，z）、（10，-10，z）。但由于热床3存在倾斜的情况，无法确定每个标记点的z坐标。因此，需要确定每个标记点的实际z坐标。

步骤S300，打印头4以同一高度移动至热床3中心点以及每个标记点的上方，分别获取每个标记点的实际z坐标。

根据步骤S300所限定的技术方案，具体的，打印头4首先移动至热床3中心点的上方并上升至第一高度，如第一高度为10cm，随后将x轴移动机构5、y轴移动机构6和z轴移动机构7中x轴伺服电机53、y轴伺服电机61和z轴伺服电机72进行清零置位保持零点，控制打印头4向下移动，直至打印头4上的探测开关8触碰到热床3的打印面上，此时，打印头4停止向下移动并记录第一高度的下移高度值。值得说明的是，x轴移动机构5、y轴移动机构6、z轴移动机构7中x轴伺服电机53、y轴伺服电机61和z轴伺服电机72被输入的脉冲个数实现打印头4的移动距离可以根据具体情况进行设置，本实施例不作具体限制。如本申请中，x轴伺服电机53输入一个脉冲个数，打印头4沿x轴移动1cm距离，打印头4在建立的空间直角坐标系中x坐标变化为1。

随后，根据其中一个标记点的x坐标和y坐标，并以第一高度的同一高度移动至该标记点上方，打印头4向下移动，直至打印头4上的探测开关8触碰到热床3的打印面上，此时，打印头4停止向下移动并记录下移高度值，重复上述动作，获取打印头4以第一高度停留在每个标记点上方的下移高度值。

本申请空间直角坐标的原点设置在热床3的中心点上，由此将热床3中心点的下移高度值作为参考基准，进而将每个标记点的下移高度与热床3中心点的下移高度值进行比较，其中得到的差值即为每个标记点的实际z坐标。如热床3中心点的下移高度值为10cm，打印头4以第一高度停留在第一个标记点（-10,10，z）上，打印头4的下移高度值为10.1cm，其中差值为0.1cm，因此，第一个标记点的实际坐标为（-10,10,0.1），同理，可以得到每个标记点的实际z坐标，此处不再进行赘述。

步骤S400，将热床3中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，建立针对于呈矩阵排布的多个标记点的空间变化矩阵。

根据步骤S400所限定的技术方案，具体的，由于将热床3的中心点定为原点，因此得到热床3中心点的坐标为（0,0,0），因此，第一标记点的基准坐标应当为（-10,10,0），而第一标记点的实际坐标为（-10,10,0.1），可见，热床3在第一标记点所在的位置存在偏移。因此，需要将热床3中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，建立针对于呈矩阵排布的多个标记点的空间变化矩阵，参照图4所示，包括如下步骤：

步骤S410，将热床3中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，其中，每个标记点配置有对应的x坐标、y坐标、实际z坐标和基准z坐标；

步骤S420，将呈矩阵排布的多个标记点以预设幅面分割成至少一个矩阵分区；

步骤S430，基于矩阵分区中每个标记点根据公式①进行计算，以建立针对于每个矩阵分区的空间变化矩阵，其中，公式①如下：

。

根据步骤S410~步骤S430所限定的技术方案，具体的，本实施例中，以相邻标记点之间的幅面为所述预设幅面。因此，在本实施例中5x5的矩阵排列的多个标记点被分割成16个矩阵分区，因此，每个矩阵分区都将有对应的空间变化矩阵。

此处以左上角第一个矩阵分区为例进行说明，可以得到：

第一个标记点的基准坐标为（-10,10，0），第一个标记点的实际坐标为（-10，10,0.1）；

第二个标记点的基准坐标为（-10,10,0），第一个标记点的实际坐标为（-5,10,0.2）；

第六个标记点的基准坐标为（-10,5,0），第六个标记点的实际坐标为（-10，5，-0.1）；

第七个标记点的基准坐标为（-5,5,0），第七个标记点的实际坐标为（-5,5，-0.2）；

通过将第一个标记点的基准坐标和实际坐标，第二标记点的基准坐标和实际坐标，第六个标记点的基准坐标和实际坐标，第七个标记点的基准坐标和实际坐标分别代入到公式①中得到第一个矩阵分区的空间变化矩阵。同理可以得到每个矩阵分区的空间变化矩阵，此处不再进行赘述。

步骤S500，基于空间变化矩阵修正打印头4的打印移动轨迹。

根据步骤S500所限定的技术方案，具体的，参照图5所示，包括如下步骤：

步骤S510，获取打印头4在空间直角坐标系中的打印移动轨迹，打印移动轨迹为空间直角坐标系中若干坐标点位的集合，其中，每个坐标点位具有基准坐标；

步骤S520，将每个坐标点位的基准坐标代入到对应矩阵分区的空间变化矩阵中，计算获取坐标点位对应的实际偏移坐标；

步骤S530，修正打印头4的打印移动轨迹。

根据步骤S510~步骤S530所限定的技术方案，具体的，在打印头4需要打印首层切片时，获取首层切片截面的轮廓信息形成打印头4在空间直角坐标系中的打印移动轨迹，打印移动轨迹为空间直角坐标系中若干坐标点位的集合，其中，每个坐标点位具有基准坐标。由于热床3存在偏移的情况，若依旧按照打印移动轨迹进行打印，将造成打印头4的落点与热床3的打印面之间出现距离偏差。

因此，在对打印头4的打印移动轨迹进行修正时，首先，判断打印移动轨迹中每个坐标点位所位于的矩阵分区，进而将每个坐标点位的基准坐标代入到对应矩阵分区的空间变化矩阵中，从而计算获取每个坐标点位的实际偏移坐标，进而根据实际偏移坐标修正打印头4的打印移动轨迹，打印头4根据修正后的打印移动轨迹进行首层打印，打印头4即可在热床3出现偏移的位置进行z轴方向上的修正移动。

在下一层切片成型中，控制器根据下一层切片截面的轮廓信息，形成打印头4在空间直角坐标系中的打印移动轨迹，由于每个对应矩阵分区的空间变化矩阵的设置，因此适用每一层切片截面的轮廓信息，通过上述方式计算出打印移动轨迹中每个坐标点位的实际偏移坐标，对打印移动轨迹进行修正，即可完成打印头4对下一层切片截面的打印。

重复上述动作，将连续的切片堆叠起来，直到一个固态物体成型，形成三维的零件模型，完成3D打印。

因此，本申请通过将热床3中心点定义为基准点，将各个标记点都以热床3中心点作为参照，从而获取出热床3中各个标记点所在位置所产生的偏移程度，通过对打印头4的打印移动轨迹进行修正，以使得打印头4在打印过程中能够在z轴方向上进行修正移动以适应热床3的倾斜偏移，以在一定程度上提高打印效率。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (8)

1.一种热床偏移的打印头修正打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立以热床(3)中心点为原点的空间直角坐标系；

在热床(3)的打印面设置有呈矩阵排布的多个标记点，其中，每个标记点具有确定的x坐标和y坐标；

打印头(4)以同一高度移动至热床(3)中心点以及每个标记点的上方，分别获取每个标记点的实际z坐标；

将热床(3)中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，建立针对于呈矩阵排布的多个标记点的空间变化矩阵；

基于空间变化矩阵修正打印头(4)的打印移动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种热床偏移的打印头修正打印方法，其特征在于，呈矩阵排布的多个标记点中，矩阵排布的行数和列数相同并完全覆盖热床(3)的打印面。

3.根据权利要求1所述的一种热床偏移的打印头修正打印方法，其特征在于，将热床(3)中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，建立针对于呈矩阵排布的多个标记点的空间变化矩阵，包括如下步骤：

将热床(3)中心点的z坐标作为所有标记点的基准z坐标，其中，每个标记点配置有对应的x坐标、y坐标、实际z坐标和基准z坐标；

将呈矩阵排布的多个标记点以预设幅面分割成至少一个矩阵分区；

基于矩阵分区中每个标记点根据公式①进行计算，以建立针对于每个矩阵分区的空间变化矩阵，其中，公式①如下：

。

4.根据权利要求3所述的一种热床偏移的打印头修正打印方法，其特征在于，以相邻标记点之间的幅面为所述预设幅面。

5.根据权利要求3所述的一种热床偏移的打印头修正打印方法，其特征在于，基于空间变化矩阵修正打印头(4)的打印移动轨迹，包括如下步骤：

获取打印头(4)在空间直角坐标系中的打印移动轨迹，打印移动轨迹为空间直角坐标系中若干坐标点位的集合，其中，每个坐标点位具有基准坐标；

将每个坐标点位的基准坐标代入到对应矩阵分区的空间变化矩阵中，计算获取坐标点位对应的实际偏移坐标；

修正打印头(4)的打印移动轨迹。

6.一种应用如权利要求1~5任意一项所述的热床偏移的打印头修正打印方法的3D打印机，其特征在于，包括机架(1)、设置在机架(1)上的热床(3)、以及设置在热床(3)上方的打印头(4)，所述机架(1)上设置有用于控制打印头(4)在热床(3)上方形成打印移动轨迹的x轴移动机构(5)、y轴移动机构(6)和z轴移动机构(7)，所述打印头(4)的下端面设置有探测开关(8)。

7.根据权利要求6所述的一种3D打印机，其特征在于，所述探测开关(8)为触点开关或电容式接近开关。

8.根据权利要求7所述的一种3D打印机，其特征在于，所述打印头(4)包括挤出机(41)和打印喷嘴(42)，所述打印喷嘴(42)设置在挤出机(41)的下端面，所述探测开关(8)设置在挤出机(41)的下端面，所述探测开关(8)底端所在的水平面低于打印喷嘴(42)底端所在的水平面。

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