CN114131928A - 一种3d打印机自动调平装置 - Google Patents

Abstract

一种3D打印机自动调平装置，属于3D打印机的技术领域，包括3D打印机本体、调平机构和热能做功机构；通过套筒和固定在升降平台上的齿条之间的配合，使得压杆分别挤压打印平台各个边角之后，套筒与齿条相对位置发生改变，从而实现打印平台的自动调平，解决了在传统3D打印机调平过程中操作复杂、经常调整和不断维护等的问题；打印平台自动找平之后，热能做功机构将热床的热量转换为可驱动止回棘爪转动的机械能，使得所述止回棘爪对棘轮运动产生约束，止回棘爪卡住棘轮轮齿，从而使得打印平台保持调平姿态；在打印模型完成后，热能做功机构利用热床前后温度的变化作为触发信号，打印平台自动恢复到未被调平时的初始位置，无需手动复位。

Description

一种3D打印机自动调平装置

技术领域

本发明涉及3D打印机的技术领域，具体涉及一种3D打印机自动调平装置。

背景技术

3D打印机又称三维打印机，即快速成形技术的一种机器，它是以一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来制造物体的技术，是一种累积制造技术，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体，其基本原理是使用切片软件将模型切片，并生成特定的程序文件，3D打印机会按照程序一层层打印出来，而打印出的产品可以立刻使用。

3D打印机打印模型时，需要进行打印平台的调平，使得打印平面必须与喷嘴运动平面平行，才能保证打印模型的精确性。若喷嘴与打印平台各点高度不一样，喷嘴与打印平台距离较近的一端容易使喷嘴划伤打印平台和打印模型，喷嘴与打印平台距离远的一端可能导致热熔材料难以牢固粘结在打印平台上，进而导致模型在打印过程中出现翘边现象。

现有3D打印机在第一次使用、长期未使用或3D打印机被移动运输时，都需要进行打印平台的调平，不仅需要把打印平台调整成与喷嘴运动平面相互平行的状态，而且还需要合理控制打印平台与喷嘴的间距，调平过程复杂费事。目前最普遍的调平技术是通过在打印平台与Z轴升降平台之间安装调节弹簧和调节螺母，在喷嘴与打印平台之间放一张A4纸，通过手动调节打印平台下方的调节螺母来改变喷嘴与打印平台的距离，当两者距离调整到平行拖拽A4纸有略微阻力时便可。这种方法需要用户分别对打印平台的四个边角进行校准，并且需要反复对四个边角进行循环校准，非常费时费力，需进一步加以改进。而且打印完成后需要将位于打印平台的模型取走，但是在这个过程中会不可避免的触碰到已经调平的打印平台，如果模型牢固粘结在打印平台上，多次强行硬取模型可能破坏已经调平的打印平台，这使得下一次打印前仍然需要对打印平台进行调平，而对打印平台调平前需要进行打印平台的复位，目前采用手动触动复位装置使打印平台复位，这种复位装置采用的结构较为复杂，实用性低。

现有中国专利CN201410270342.5采用直线步进电机和音圈电机的运动来调平打印平台，输出螺杆通过球面副连接件与打印平台连接，结构复杂，产品成本高，且不能够解决打印平台在调平过程中出现干涉卡死的问题，导致调平不稳定、精度不高。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供了一种3D打印机自动调平装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种3D打印机自动调平装置，包括3D打印机本体、调平机构和热能做功机构；

所述的3D打印机本体包括打印平台、升降平台、移动滑台和喷嘴，所述的打印平台包括热床；

所述的调平机构包括补偿弹簧、齿条、大齿轮、小齿轮、棘轮、止回棘爪、扭簧甲、扭簧乙和套筒，所述的调平机构位于升降平台与打印平台之间，所述的套筒内部为空腔且下端开口，所述的套筒内部具有燕尾槽导轨、安装槽等结构，所述的齿条具有燕尾槽、固定端部等结构，所述的止回棘爪在结构上分为曲柄端和卡槽端两部分，所述卡槽端长度比曲柄端长，所述齿条的固定端部固定安装在升降平台上，所述的打印平台四个边角处设有通孔且通孔直径略大于螺栓螺纹大径，所述的套筒上端面设有螺纹孔，所述的打印平台通过套有补偿弹簧的螺栓与所述套筒螺纹联接，所述的补偿弹簧具有一定的预压缩量用于螺纹联接的预紧，使得所述的打印平台紧紧地压在套筒上，所述的燕尾槽导轨与齿条背面的燕尾槽与相配合，所述的套筒内部转动安装有大齿轮、小齿轮、棘轮和止回棘爪，所述的齿条与大齿轮相互啮合组成齿轮齿条机构，所述的大齿轮与小齿轮相互啮合实现齿轮传动，所述的小齿轮与棘轮均通过键联接周向固定在转轴上，所述的安装槽内转动安装有止回棘爪，所述止回棘爪在初始位置时不会对棘轮运动产生约束，所述的扭簧甲一端固定在棘轮上另一端固定在套筒内壁上，所述的扭簧乙一端固定在止回棘爪上另一端固定在套筒内壁上；

所述的热能做功机构安装在热床底面，具体是一种能量转换装置，所述热能做功机构用于将热床的热量转换为可驱动止回棘爪转动的机械能，使得所述止回棘爪对棘轮运动产生约束。

进一步地，所述的调平机构至少3个，均匀的分布于升降平台与打印平台之间。

进一步地，所述的热能做功机构包括腔体、圆柱形滑道、连杆甲、滑块甲、复位弹簧和活塞，所述腔体是一个直径远大于其高度的圆柱体，所述的腔体内部为空腔，所述的腔体四周均匀分布有多个相同的圆柱形滑道，所述圆柱形滑道数量与所述调平机构数量相同，所述的圆柱形滑道具体为空心圆柱体，所述的圆柱形滑道与腔体的空腔相连通，所述的圆柱形滑道末端具有挡圈结构，所述的滑块甲具有多个贯穿前后面的通气孔，所述的圆柱形滑道内部滑动安装有滑块甲、复位弹簧和活塞，所述的活塞能够起到密封腔体和圆柱形滑道以及防止腔体内气体泄漏的作用，所述的连杆甲一端与滑块甲铰接，所述的连杆甲另一端与止回棘爪的曲柄端铰链连接，所述的复位弹簧位于滑块和活塞之间，所述的复位弹簧的弹簧刚度远大于扭簧乙的刚度。

进一步地，所述的腔体中充入气体，其中，所述气体具有在受热时体积变化大的性质。

进一步地，所述的腔体上还设有充气嘴和保护帽，当腔体内的气体泄漏时，可以通过充气嘴向腔体中充入适量的气体以补偿泄漏。

进一步地，所述气体为空气。

进一步地，所述的热能做功机构包括温差半导体、散热片、永久磁铁、导磁体和线圈，所述的线圈缠绕在止回棘爪曲柄端，所述的线圈和温差半导体电气连接，所述的温差半导体热端固定在热床底面，所述的散热片固定在温差半导体冷端，所述的永久磁铁和两个导磁体均固定安装在安装槽中，所述的永久磁铁具体为U形磁铁，一个所述导磁体与永久磁铁N极相连，另一个所述导磁体与永久磁铁S极相连，在初始工作状态时所述止回棘爪曲柄端由扭簧乙支承在左右导磁体的中间位置。

进一步地，所述的散热片上安装有散热风扇，用于加速散热。

进一步地，还包括压杆机构，所述的压杆机构包括舵机、支架、摇臂、连杆乙、滑块乙、燕尾凹槽导轨、压杆和紧定螺钉；所述的滑块乙上具有燕尾凹槽、螺纹孔等结构，所述的压杆在结构上分为压杆头和压杆末端两部分，所述的压杆末端上设有螺纹，所述的舵机通过支架固定在移动滑台上，所述的燕尾凹槽导轨固定在移动滑台上，所述的摇臂一端周向固定在舵机输出轴上，所述的摇臂另一端与连杆乙一端铰接，所述的连杆乙另一端与滑块乙铰接，所述的燕尾凹槽导轨与滑块乙背面的燕尾凹槽互相配合，所述的滑块乙可以在燕尾凹槽导轨上滑动，所述的紧定螺钉安装在滑块乙侧面的螺纹孔中，所述的压杆末端安装在滑块乙底部的螺纹孔中，所述的滑块乙底部的螺纹孔与侧面的螺纹孔相连通。

该发明的有益之处是，通过套筒和固定在升降平台上的齿条之间的配合，使得压杆分别挤压打印平台各个边角之后，套筒与齿条相对位置发生改变，从而实现打印平台的自动调平，解决了在传统3D打印机调平过程中操作复杂、经常调整和不断维护等的问题，具有省时省力和精确度高等优点；打印平台自动找平之后，热能做功机构将热床的热量转换为可驱动止回棘爪转动的机械能，使得所述止回棘爪对棘轮运动产生约束，止回棘爪卡住棘轮轮齿，从而使得打印平台保持调平姿态；在打印模型完成后，热能做功机构利用热床前后温度的变化作为触发信号，使得调平机构自动复位，打印平台自动恢复到未被调平时的初始位置，等待用户下一次打印模型前打印平台的自动校准，无需手动复位，具有操作简便、结构简单、节能环保等优点。

所述热能做功机构是一种能量转换装置，其具体功能是将热床的热量转换为可驱动止回棘爪转动的机械能，使得所述止回棘爪对棘轮运动产生约束，当热床温度与环境温度相同时，所述止回棘爪不会对棘轮运动产生约束，本发明根据空气热胀冷缩性质和温差半导体的性质提出了两种不同的热能做功机构的技术方案，但本质上都是利用热床的热能进行工作，无需额外的电源供电，相比于人工手动复位方式来说结构简单，可行性强，解决了每次打印模型后需要人工手动复位的技术难题。

打印平台使用套有补偿弹簧的螺栓与套筒螺纹联接固定，这种特殊结构有效避免打印平台在调平时出现干涉卡死现象，其具体原理是使用一定的预压缩量的补偿弹簧用于螺纹联接的预紧，使得打印平台紧紧地压在套筒上，当打印平台的某一边角受到压杆的挤压力而使打印平台位姿变化时，由于打印平台上的通孔直径大于螺栓大径，所以能够容纳打印平台小幅度地倾斜，通过补偿弹簧进一步的伸缩能够使得打印平台紧紧压在套筒上，此特殊结构保证打印平台的顺利调平，避免了调平过程中出现卡死现象，相比现有技术使用球面副或万向铰作为连接件的方案来说结构简单，实用性更强。

附图说明

图1为本发明的3D打印机的整体结构示意图，图2为本发明实施例一提供的热能做功机构安装立体示意图，图3为本发明实施例一提供的调平机构和热能做功机构连接剖面示意图，图4为本发明实施例一提供的调平原理示意图，图5为本发明实施例一提供的热能做功机构剖面立体示意图，图6为本发明调平机构剖面结构示意图一，图7为本发明调平机构剖面结构示意图二，图8为本发明压杆机构立体示意图，图9为本发明的滑块乙和压杆连接剖面立体示意图，图10为本发明齿条的立体示意图，图11为本发明实施例二提供的热能做功机构安装剖面立体示意图。

图中，1、升降平台，2、调平机构，201、补偿弹簧，2011、螺栓，2012、通孔，202、齿条，2021、固定端部，2022、燕尾槽，203、大齿轮，204、小齿轮，205、燕尾槽导轨，206、止回棘爪，2061、曲柄端，2062、卡槽端，207、棘轮，208、套筒，2081、安装槽，209、扭簧甲，210、扭簧乙，3、热能做功机构，301、连杆甲，302、滑块甲，3021、通气孔，303、复位弹簧，304、活塞，305、腔体，306、圆柱形滑道，3061、挡圈，307、充气嘴，308、保护帽，309、温差半导体，310、散热片，311、风扇，312、永久磁铁，313、导磁体，314、线圈，4、打印平台，5、压杆机构，501、支架，502、舵机，503、摇臂，504、连杆乙，505、滑块乙，5051、燕尾凹槽，506、压杆，5061、压杆头，5062、压杆末端，507、紧定螺钉，508、燕尾凹槽导轨，6、移动滑台，7、喷嘴，8、3D打印机本体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例是通过以下技术方案实现的：一种3D打印机自动调平装置，包括3D打印机本体8、调平机构2和热能做功机构3；

所述的3D打印机本体8包括打印平台4、升降平台1、移动滑台6和喷嘴7，所述的打印平台4包括热床；

所述的调平机构2包括补偿弹簧201、齿条202、大齿轮203、小齿轮204、棘轮207、止回棘爪206、扭簧甲209、扭簧乙210和套筒208，所述的调平机构2位于升降平台1与打印平台4之间，所述的套筒208内部为空腔且下端开口，所述的套筒208内部具有燕尾槽导轨205、安装槽2081等结构，所述的齿条202具有燕尾槽2022、固定端部2021等结构，所述的止回棘爪206在结构上分为曲柄端2061和卡槽端2062两部分，所述卡槽端2062长度比曲柄端2061长，所述齿条202的固定端部2021固定安装在升降平台1上，所述的打印平台4四个边角处设有通孔2012且通孔2012直径略大于螺栓2011螺纹大径，所述的套筒208上端面设有螺纹孔，所述的打印平台4通过套有补偿弹簧201的螺栓2011与所述套筒208螺纹联接，所述的补偿弹簧201具有一定的预压缩量用于螺纹联接的预紧，使得所述的打印平台4紧紧地压在套筒208上，所述的燕尾槽导轨205与齿条202背面的燕尾槽2022与相配合，所述的套筒208内部转动安装有大齿轮203、小齿轮204、棘轮207和止回棘爪206，所述的齿条202与大齿轮203相互啮合组成齿轮齿条机构，所述的大齿轮203与小齿轮204相互啮合实现齿轮传动，所述的小齿轮204与棘轮207均通过键联接周向固定在转轴上，所述的安装槽2081内转动安装有止回棘爪206，所述止回棘爪206在初始位置时不会对棘轮207运动产生约束，所述的扭簧甲209一端固定在棘轮207上另一端固定在套筒208内壁上，所述的扭簧乙210一端固定在止回棘爪206上另一端固定在套筒208内壁上；

所述的热能做功机构3安装在热床底面，具体是一种能量转换装置，所述热能做功机构3用于将热床的热量转换为可驱动止回棘爪206转动的机械能，使得所述止回棘爪206对棘轮207运动产生约束。

安装在套筒208内部的大齿轮203和小齿轮204组成的齿轮传动，能够将齿条202滑动的位移量放大，使得更为精确地分辨套筒208的高度变化，并且大齿轮203和小齿轮204组成的齿轮传动能够将扭簧甲209的产生的扭矩放大，有助于调平机构2和打印平台4的复位；齿条202背面的燕尾槽2022与套筒208的燕尾槽导轨205相互配合，使得齿条202能够更加平稳滑动；通过齿条202的固定端部2021与升降平台1相连，增大了两者间的接触面积，使得螺纹联接更为稳定。

所述的调平机构2具有四个，均匀分布于升降平台1与打印平台4之间。

通过上述结构，通过套筒208和固定在升降平台1上的齿条202之间的配合，使得压杆506分别挤压打印平台4各个边角之后，套筒208与齿条202相对位置发生改变，从而实现打印平台4的自动调平，解决了在传统3D打印机调平过程中操作复杂、经常调整和不断维护等的问题，具有省时省力和精确度高等优点；打印平台4自动找平之后，热能做功机构3将热床的热量转换为可驱动止回棘爪206转动的机械能，使得所述止回棘爪206对棘轮207运动产生约束，止回棘爪206卡住棘轮207轮齿，从而使得打印平台4保持调平姿态；在打印模型完成后，热能做功机构3利用热床前后温度的变化作为触发信号，使得调平机构2自动复位，打印平台4自动恢复到未被调平时的初始位置，等待用户下一次打印模型前打印平台4的自动校准，无需手动复位，具有操作简便、结构简单、节能环保等优点。

所述的热能做功机构3实现方式有很多种，在本实施例中提供了两种可选的实现方式。

实施例一

所述的热能做功机构3包括腔体305、圆柱形滑道306、连杆甲301、滑块甲302、复位弹簧303和活塞304，所述腔体305是一个直径远大于其高度的圆柱体，所述的腔体305内部为空腔，所述的腔体305四周均匀分布有多个相同的圆柱形滑道306，所述圆柱形滑道306数量与所述调平机构2数量相同，所述的圆柱形滑道306具体为空心圆柱体，所述的圆柱形滑道306与腔体305的空腔相连通，所述的圆柱形滑道306末端具有挡圈3061结构，所述的滑块甲302具有多个贯穿前后面的通气孔3021，所述的圆柱形滑道306内部滑动安装有滑块甲302、复位弹簧303和活塞304，所述的活塞304能够起到密封腔体305和圆柱形滑道306以及防止腔体305内气体泄漏的作用，所述的连杆甲301一端与滑块甲302铰接，所述的连杆甲301另一端与止回棘爪206的曲柄端2061铰链连接，所述的复位弹簧303位于滑块302和活塞304之间，所述的复位弹簧303的弹簧刚度远大于扭簧乙210的刚度。

棘轮207在逆时针转动过程中，紧压着棘轮207轮齿的止回棘爪206也在不停的往复摆动，滑块甲302在圆柱形滑道306内不断地往复运动，安装在滑块甲302和活塞304之间的复位弹簧303能够缓冲滑块甲302的小幅度振动，使得活塞304的位置不受影响，减小了止回棘爪206此时对棘轮207的压力，进而有效地降低了卡槽端2062对棘轮207的磨损程度，滑块甲302上的通气孔3021能够排出两者间的气体，圆柱形滑道306上的挡圈3061防止滑块甲302脱离，止回棘爪206的卡槽端2062长度比曲柄端2061长，通过杠杆原理能够将活塞304的位移放大。

所述的腔体305中充入空气，所述的腔体305上还设有充气嘴307和保护帽308，当腔体305内的空气泄漏时，可以通过充气嘴307向腔体305中充入适量的空气以补偿泄漏。

所述的腔体305内部还设有四个密封腔室，每个圆柱形滑道306分别与相应的密封腔室相连通，每个密封腔室内充入一定量的空气，密封腔室内的空气不能流动到相邻密封腔室中，使得单个调平机构2工作时不会影响到其它调平机构2。

实施例二

所述的热能做功机构3包括温差半导体309、散热片310、永久磁铁312、导磁体313和线圈314，所述的线圈314缠绕在止回棘爪206曲柄端2061，所述的线圈314和温差半导体309电气连接，所述的温差半导体309热端固定在热床底面，所述的散热片310固定在温差半导体309冷端，所述的永久磁铁312和两个导磁体313均固定安装在安装槽2081中，所述的永久磁铁312具体为U形磁铁，一个所述导磁体313与永久磁铁312的N极相连，另一个所述导磁体313与永久磁铁312的S极相连，在初始工作状态时所述止回棘爪206曲柄端2061由扭簧乙210支承在左右导磁体313的中间位置。

进一步地，所述的散热片310上安装有散热风扇311，用于加速散热。

在上述两个实施例中都将热床的热量转换为可驱动止回棘爪206转动的机械能，使得所述止回棘爪206对棘轮207运动产生约束，参阅图4所示，此时棘轮207不能顺时针转动。但当热床温度与环境温度相同时，所述止回棘爪206不会对棘轮207运动产生约束，此时棘轮207能够顺时针转动，本发明根据空气热胀冷缩性质和温差半导体309的性质提出了两种不同的热能做功机构3的技术方案，但本质上都是利用热床的热能进行工作，无需额外的电源供电，相比于人工手动复位方式来说结构简单，可行性强，解决了每次打印模型后需要人工手动复位的技术难题。

还包括压杆机构5，所述的压杆机构5包括舵机502、支架501、摇臂503、连杆乙504、滑块乙505、燕尾凹槽导轨508、压杆506和紧定螺钉507；所述的滑块乙505上具有燕尾凹槽5051、螺纹孔等结构，所述的压杆506在结构上分为压杆头5061和压杆末端5062两部分，所述的压杆末端5062上设有螺纹，所述的舵机502通过支架501固定在移动滑台6上，所述的燕尾凹槽导轨508固定在移动滑台6上，所述的摇臂503一端周向固定在舵机502输出轴上，所述的摇臂503另一端与连杆乙504一端铰接，所述的连杆乙504另一端与滑块乙505铰接，所述的燕尾凹槽导轨508与滑块乙505背面的燕尾凹槽5051互相配合，所述的滑块乙505可以在燕尾凹槽导轨508上滑动，所述的紧定螺钉507安装在滑块乙505侧面的螺纹孔中，所述的压杆末端5062安装在滑块乙505底部的螺纹孔中，所述的滑块乙505底部的螺纹孔与侧面的螺纹孔相连通。

当压杆506挤压打印平台4时，此时滑块乙505作为原动件，摇臂503作为从动件，舵机502自锁使得摇臂503与连杆乙504保持共线位置，压杆机构5利用曲柄滑块机构在死点位置锁死的原理使得压杆506能够对打印平台4产生较大的挤压压力，推动打印平台4某一边角向下移动；压杆506与滑块乙505螺纹联接，旋动压杆506，能够调节压杆506相对打印平台4的距离，而安装于滑块乙505侧面螺纹孔中的紧定螺钉507能使压杆506位置固定。

下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及到的内容进行详细说明。

3D打印机开始打印模型前，会先预热喷嘴7和热床，打印平台4包括热床，热能做功机构3安装于热床底部，此时腔体305内气体的温度会随着热床温度升高而升高，气体受热体积膨胀，膨胀的气体克服扭簧乙210的弹力并推动活塞304、复位弹簧303、滑块甲302沿着圆柱形滑道306向外移动，由于复位弹簧303的弹簧刚度远大于扭簧乙210的刚度，所以复位弹簧303的被压缩量可以忽略不计，滑块甲302、连杆甲301和止回棘爪206的曲柄端2061组成一个曲柄滑块机构，其中，滑块甲302作为原动件，曲柄端2061作为从动件，滑块甲302的移动使得止回棘爪206克服扭簧乙210弹力绕转轴逆时针转动，止回棘爪206的卡槽端2062长度大于曲柄端2061的长度，根据杠杆原理，卡槽端2062绕圆周的行程大于曲柄端2061的行程，使得卡槽端2062能够压紧棘轮207并卡住棘轮207的轮齿，棘轮207不能顺时针转动。对气体受热膨胀过程进行理论分析，设热能做功机构3内气体体积为V，一般环境温度为20到30摄氏度之间，而热床预热温度为50到60摄氏度之间，由于气体在受热膨胀过程中可以推动活塞304来改变密封容腔的体积，在此过程中受到扭簧乙210的弹力，扭簧乙210弹簧刚度较小，扭簧乙210弹力可以忽略不计，所以气体在膨胀过程中压强近似不变，当热能做功机构3内气体温度接近热床温度时，根据理想气体状态方程进行求解，气体体积膨胀到原来的1.1倍，即1.1V，膨胀的气体推动活塞304产生的位移经过曲柄滑块机构使得止回棘爪206旋转，然后通过杠杆原理将其放大，使得卡槽端2062能够压紧棘轮207并卡住棘轮207的轮齿。

压杆机构5开始动作，其中，摇臂503、连杆乙504、滑块乙505和燕尾凹槽导轨508组成一个曲柄滑块机构，舵机502带动摇臂503顺时针转动使得滑块乙505向下运动，当摇臂503转动到与连杆乙504共线时，舵机502停止转动并自锁，此时压杆头5061到打印平台4的距离应比喷嘴7到打印平台4的距离更近，两者之间的距离差值一般设定为5mm。若压杆头5061到打印平台4的距离大于喷嘴7到打印平台4的距离时，拧松紧定螺钉507，旋动压杆506使得压杆506位置逐渐下降，直到压杆头5061到打印平台4的距离比喷嘴7到打印平台4的距离近5mm时停止旋动压杆506。

当压杆506伸出后，打印平台4开始调平。首先位于移动滑台6上的压杆506移动到打印平台4边缘的某一边角上，控制升降平台1逐渐上升使得压杆头5061能够对打印平台4的某一边角产生挤压压力并使得该边角高度下降，处在该边角处的调平机构2工作，齿条202沿着燕尾槽导轨205滑动，此时齿条202相对套筒208之间的位置关系发生变化，而齿条202是固定在升降平台1上的，所以套筒208与升降平台1间的距离逐渐减小，打印平台4的位姿向受压方向逐渐倾斜。在此过程中，齿条202带动大齿轮203顺时针转动，大齿轮203带动小齿轮204转动，小齿轮204带动棘轮207克服扭簧甲209的弹力逆时针转动，扭簧甲209被压缩，由于棘轮207是逆时针转动，所以止回棘爪206此时不会锁死棘轮207。在棘轮207逆时针转动过程中，紧靠棘轮207轮齿边缘的止回棘爪206也在小幅度往复摆动，曲柄端2061通过连杆甲301带动滑块甲302在圆柱形滑道306中往复运动，通过复位弹簧303的伸缩补偿滑块甲302的往复运动，使得活塞304的位置不受影响，保持热能做功机构3中的气体压力不变。当升降平台4上升到预设高度h时便逐渐下降，压杆头5061不再挤压打印平台4，此时由于缺少压杆506的挤压使得棘轮207在扭簧甲209的作用下具有顺时针转动的趋势，但由于止回棘爪206的卡槽端2062的紧紧卡住棘轮207轮齿，使得棘轮207不能顺时针转动，进而保持了位于该边角处的套筒208与升降平台1间的距离高度。然后，压杆506依次移动到打印平台4另外三个边角上，重复同样的操作，改变各个调平机构2中套筒208与升降平台1间的距离，进而改变打印平台4的位姿，实现打印平台4的调平。如图4所示，在打印平台4某一边角受到压杆506挤压过程中，该处边角的高度下降，使得打印平台4向受压方向逐渐倾斜，由于打印平台4上的通孔2012直径大于螺栓2011大径，所以能够容纳打印平台4小幅度地倾斜，并通过补偿弹簧201进一步地伸缩来使打印平台4紧紧地压在套筒208上，此特殊结构保证打印平台4的顺利调平，避免了调平过程中出现卡死现象，相比现有技术使用球面副或万向铰作为连接件的方案来说结构简单，实用性更强。

当打印平台4调平完成后，舵机502带动摇臂503逆时针转动使得滑块乙505向上运动，压杆506也随着滑块乙505向上运动，当摇臂503转动到与连杆乙504共线时，舵机502停止转动并自锁，使得压杆头5061到打印平台4的距离远大于喷嘴7到打印平台4的距离。由于打印平台4是由压杆506调平的，所以需要将升降平台1的位置升高到比调平时的预设高度高5mm，即此时升降平台1高度为h+5，这时喷嘴7紧贴打印平台4，打印平台4已经完全调平。

此时，模型可以开始打印。

当模型打印完成后，热床冷却，热能做功机构3内部的气体体积逐渐收缩，活塞304和与之相连的复位弹簧303、滑块302在大气压作用下向圆柱形滑道306内部运动，止回棘爪206在扭簧乙210的作用下转动复位，使得卡槽端2062逐渐远离棘轮207轮齿，棘轮207失去止回棘爪206的限制，进而扭簧甲209能够带动棘轮207顺时针转动，通过齿轮机构和齿轮齿条机构的传动，使得齿条202沿着燕尾槽导轨205向外滑动，套筒208与升降平台1间的距离逐渐增大，并推动打印平台4不断上升，使得四个调平机构2复位，实现打印平台4自动复位，等待下一次模型打印前的自动调平。

下面结合另外一个优选实施例，对上述实施例中涉及到的内容进行详细说明。

3D打印机开始打印模型前，会先预热喷嘴7和热床，热床温度逐渐升高到预定温度，温差半导体309热端温度跟随热床温度，温差半导体309冷端由于有散热片310和散热风扇311，冷端温度可与周围环境温度保持一致，此时温差半导体309热端与冷端温度相差大概30摄氏度左右，根据塞贝克效应，温差半导体309两端会产生固定的电压，与温差半导体309电气相连的线圈314产生磁通，其大小和方向由温差半导体309两端输出电流的大小和方向决定。假定电流流入线圈314时，曲柄端2061一端为N极，另一端为S极，于是曲柄端2061上产生逆时针方向的磁力矩，止回棘爪206克服扭簧乙210的弹力逆时针转动直到卡槽端2062紧压在棘轮207轮齿上并卡住棘轮207轮齿，使得棘轮207不能够顺时针转动。

压杆机构5开始动作，其中，摇臂503、连杆乙504、滑块乙505和燕尾凹槽导轨508组成一个曲柄滑块机构，舵机502带动摇臂503顺时针转动使得滑块乙505向下运动，当摇臂503转动到与连杆乙504共线时，舵机502停止转动并自锁，此时压杆头5061到打印平台4的距离应比喷嘴7到打印平台4的距离更近，两者之间的距离差值一般设定为5mm。若压杆头5061到打印平台4的距离大于喷嘴7到打印平台4的距离时，拧松紧定螺钉507，旋动压杆506使得压杆506位置逐渐下降，直到压杆头5061到打印平台4的距离比喷嘴7到打印平台4的距离近5mm时停止旋动压杆506。

当压杆506伸出后，打印平台4开始自动调平。首先位于移动滑台6上的压杆506移动到打印平台4边缘的某一边角上，升降平台1逐渐上升使得压杆头5061能够对打印平台4的某一边角产生挤压压力并使得该边角高度下降，处在该边角处的调平机构2工作，齿条202沿着燕尾槽导轨205滑动，此时齿条202相对套筒208之间的位置关系发生变化，而齿条202是固定在升降平台1上的，所以套筒208与升降平台1间的距离逐渐减小，打印平台4的位姿向受压方向逐渐倾斜。在此过程中，齿条202带动大齿轮203顺时针转动，大齿轮203带动小齿轮204转动，小齿轮204带动棘轮207克服扭簧甲209的弹力逆时针转动，扭簧甲209被压缩，由于棘轮207是逆时针转动，所以止回棘爪206此时不会约束棘轮207。当升降平台4上升到预设高度h时便逐渐下降，压杆头5061不再挤压打印平台4，此时由于缺少压杆506的挤压使得棘轮207在扭簧甲209的作用下具有顺时针转动的趋势，但由于止回棘爪206的卡槽端2062的紧紧卡住棘轮207轮齿，使得棘轮207不能顺时针转动，进而保持了位于该边角处的套筒208与升降平台1间的距离高度。然后，压杆506依次移动到打印平台4另外三个边角上，重复同样的操作，改变各个调平机构2中套筒208与升降平台1间的距离，进而改变打印平台4的位姿，实现打印平台4的调平。如图4所示，在打印平台4某一边角受到压杆506挤压过程中，该处边角的高度下降，使得打印平台4向受压方向逐渐倾斜，由于打印平台4上的通孔2012直径大于螺栓2011大径，所以能够容纳打印平台4小幅度地倾斜，并通过补偿弹簧201进一步地伸缩来使打印平台4紧紧地压在套筒208上，此特殊结构保证打印平台4的顺利调平，避免了调平过程中出现卡死现象。

当打印平台4调平完成后，舵机502带动摇臂503逆时针转动使得滑块乙505向上运动，压杆506也随着滑块乙505向上运动，当摇臂503转动到与连杆乙504共线时，舵机502停止转动并自锁，使得压杆头5061到打印平台4的距离远大于喷嘴7到打印平台4的距离。由于打印平台4是由压杆506调平的，所以需要将升降平台1的位置升高到比调平时的预设高度高5mm，即此时升降平台1高度为h+5，这时喷嘴7紧贴打印平台4，打印平台4已经完全调平。

此时，模型可以开始打印。

当模型打印完成后，热床冷却至室温，温差半导体309冷端和热端不再有温差，此时温差半导体309不再输出电流，线圈314不会产生磁通，曲柄端2061在扭簧乙210的弹力作用下复位到左右导磁体313的中间位置，进而止回棘爪206卡槽端2062远离棘轮207轮齿，不在约束棘轮207，棘轮207失去止回棘爪206的限制，进而扭簧甲209能够带动棘轮207顺时针转动，通过齿轮机构和齿轮齿条机构的传动，使得齿条202沿着燕尾槽导轨205向外滑动，套筒208与升降平台1间的距离逐渐增大，并推动打印平台4不断上升，使得四个调平机构2复位，从而实现打印平台4自动复位，等待下一次模型打印前的自动调平。

在上述两个具体实施方式中虽然都使用了压杆机构5挤压打印平台4，使得打印平台4位姿发生改变，但是，在节省产品成本的条件下，3D打印机也可以不安装压杆机构5，直接使用喷嘴7代替压杆机构5的作用。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种3D打印机自动调平装置，其特征在于：包括3D打印机本体、调平机构和热能做功机构；

所述的3D打印机本体包括打印平台、升降平台、移动滑台和喷嘴，所述的打印平台包括热床；

所述的调平机构包括补偿弹簧、齿条、大齿轮、小齿轮、棘轮、止回棘爪、扭簧甲、扭簧乙和套筒，所述的调平机构位于升降平台与打印平台之间，所述的套筒内部为空腔且下端开口，所述的套筒内部具有燕尾槽导轨、安装槽等结构，所述的齿条具有燕尾槽、固定端部等结构，所述的止回棘爪在结构上分为曲柄端和卡槽端两部分，所述卡槽端长度比曲柄端长，所述齿条的固定端部固定安装在升降平台上，所述的打印平台四个边角处设有通孔且通孔直径略大于螺栓螺纹大径，所述的套筒上端面设有螺纹孔，所述的打印平台通过套有补偿弹簧的螺栓与所述套筒螺纹联接，所述的补偿弹簧具有一定的预压缩量用于螺纹联接的预紧，使得所述的打印平台紧紧地压在套筒上，所述的燕尾槽导轨与齿条背面的燕尾槽与相配合，所述的套筒内部转动安装有大齿轮、小齿轮、棘轮和止回棘爪，所述的齿条与大齿轮相互啮合组成齿轮齿条机构，所述的大齿轮与小齿轮相互啮合实现齿轮传动，所述的小齿轮与棘轮均通过键联接周向固定在转轴上，所述的安装槽内转动安装有止回棘爪，所述止回棘爪在初始位置时不会对棘轮运动产生约束，所述的扭簧甲一端固定在棘轮上另一端固定在套筒内壁上，所述的扭簧乙一端固定在止回棘爪上另一端固定在套筒内壁上；

所述的热能做功机构安装在热床底面，具体是一种能量转换装置，所述热能做功机构用于将热床的热量转换为可驱动止回棘爪转动的机械能，使得所述止回棘爪对棘轮运动产生约束。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印机自动调平装置，其特征在于：所述的调平机构至少3个，均匀分布于升降平台与打印平台之间。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印机自动调平装置，其特征在于：所述的热能做功机构包括腔体、圆柱形滑道、连杆甲、滑块甲、复位弹簧和活塞，所述腔体是一个直径远大于其高度的圆柱体，所述的腔体内部为空腔，所述的腔体四周均匀分布有多个相同的圆柱形滑道，所述圆柱形滑道数量与所述调平机构数量相同，所述的圆柱形滑道具体为空心圆柱体，所述的圆柱形滑道与腔体的空腔相连通，所述的圆柱形滑道末端具有挡圈结构，所述的滑块甲具有多个贯穿前后面的通气孔，所述的圆柱形滑道内部滑动安装有滑块甲、复位弹簧和活塞，所述的活塞能够起到密封腔体和圆柱形滑道以及防止腔体内气体泄漏的作用，所述的连杆甲一端与滑块甲铰接，所述的连杆甲另一端与止回棘爪的曲柄端铰链连接，所述的复位弹簧位于滑块和活塞之间，所述的复位弹簧的弹簧刚度远大于扭簧乙的刚度。

4.根据权利要求3所述的一种3D打印机自动调平装置，其特征在于：所述的腔体中充入气体，其中，所述气体具有在受热时体积变化大的性质。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印机自动调平装置，其特征在于：所述的腔体上还设有充气嘴和保护帽，当腔体内的气体泄漏时，可以通过充气嘴向腔体中充入适量的气体以补偿泄漏。

6.根据权利要求4或5所述的一种3D打印机自动调平装置，其特征在于：所述气体为空气。

7.根据权利要求2所述的一种3D打印机自动调平装置，其特征在于：所述的热能做功机构包括温差半导体、散热片、永久磁铁、导磁体和线圈，所述的线圈缠绕在止回棘爪曲柄端，所述的线圈和温差半导体电气连接，所述的温差半导体热端固定在热床底面，所述的散热片固定在温差半导体冷端，所述的永久磁铁和两个导磁体均固定安装在安装槽中，所述的永久磁铁具体为U形磁铁，一个所述导磁体与永久磁铁N极相连，另一个所述导磁体与永久磁铁S极相连，在初始工作状态时所述止回棘爪曲柄端由扭簧乙支承在左右导磁体的中间位置。

8.根据权利要求7所述的一种3D打印机自动调平装置，其特征在于：所述的散热片上安装有散热风扇，用于加速散热。

9.根据权利要求3或4或5或6或7或8所述的一种3D打印机自动调平装置，其特征在于：还包括压杆机构，所述的压杆机构包括舵机、支架、摇臂、连杆乙、滑块乙、燕尾凹槽导轨、压杆和紧定螺钉；所述的滑块乙上具有燕尾凹槽、螺纹孔等结构，所述的压杆在结构上分为压杆头和压杆末端两部分，所述的压杆末端上设有螺纹，所述的舵机通过支架固定在移动滑台上，所述的燕尾凹槽导轨固定在移动滑台上，所述的摇臂一端周向固定在舵机输出轴上，所述的摇臂另一端与连杆乙一端铰接，所述的连杆乙另一端与滑块乙铰接，所述的燕尾凹槽导轨与滑块乙背面的燕尾凹槽互相配合，所述的滑块乙可以在燕尾凹槽导轨上滑动，所述的紧定螺钉安装在滑块乙侧面的螺纹孔中，所述的压杆末端安装在滑块乙底部的螺纹孔中，所述的滑块乙底部的螺纹孔与侧面的螺纹孔相连通。

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