CN104859151A - 一种3d打印机托盘全自动调平装置及全自动调平方法 - Google Patents

Abstract

一种3D打印机托盘全自动调平装置，包括托盘、固定红外测距传感器和喷头的移动机构、固定框架、若干平行的丝杠副与配套的步进电机，移动机构带动喷头在固定框架内水平移动，步进电机带动固定在固定框架上的丝杠副转动，带动承载的托盘竖直移动，所述托盘重心与所述固定框架限定平面的中心靠近或重合，与沿所述丝杠副顺序围成图形的边界接近。本发明的3D打印机托盘全自动调平装置利用XY轴水平面的移动机构适时测量沿Z轴步进的托盘承载面的平行程度，通过多点测量获得Z轴步进时各支撑机构间的微小误差，并及时进行调整，使得平行误差无法累计。耗材固化过程中的表面高度不会出现偏差，保证了打印精度。还包括全自动调平方法。

Description

一种3D打印机托盘全自动调平装置及全自动调平方法

技术领域

本发明设计一种物料平台的水平调整结构，特别是涉及一种打印机耗材承载平台的水平调整结构。

背景技术

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以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构造物体的技术。固定框架上设置有可沿X轴和Y轴在水平面中逐点步进的移动机构，移动机构的下端面中设置喷头，该移动机构能够比较完美地完成XY轴水平面内喷头的逐点定位。

用于承载逐层固化的粘合材料(耗材)的托盘需要随着固化过程沿Z轴步进位移。在现有的3D打印机结构中，固定框架的顶端固定用于移动机构移动的导轨，固定框架的断面与Z轴垂直，沿Z轴方向设置丝杠。通常采用丝杠副的丝杠与步进电机结合的方式，由丝杠副的丝杠螺母带动托盘步进，利用丝杠螺母保持托盘承载面与XY轴水平面平行。但是对于较大的成品模型，由于托盘承载的耗材质量并不能均匀分布，在托盘沿Z轴步进位移时，使得托盘承载面与XY轴水平面无法维持平行，打印周期、耗材质量与这种平行误差正相关。简单增加丝杠数量或直径改善托载稳定性，会导致步进精度下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印机托盘全自动调平装置，解决托盘承载面在沿Z轴步进过程中由于固有结构精度，无法与XY轴水平面始终保持水平的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种3D打印机托盘全自动调平方法，解决托盘承载面在沿Z轴步进过程中无法与XY轴水平面始终保持水平的技术问题。

本发明的3D打印机托盘全自动调平装置，包括托盘、固定红外测距传感器和喷头的移动机构、固定框架、若干平行的丝杠副与配套的步进电机，移动机构带动喷头在固定框架内水平移动，步进电机带动固定在固定框架上的丝杠副转动，带动承载的托盘竖直移动，所述托盘重心与所述固定框架限定平面的中心靠近或重合，与沿所述丝杠副顺序围成图形的边界接近。

所述固定框架包括上层和下层平行的水平固定环和垂直的立柱，水平固定环的内外轮廓为相似的正五边形，在水平固定环的第一、第二、第三、第四顶点位置开设立柱通孔，在第五顶点位置、第一第二顶点的中点位置、第三第四顶点的中点位置开设丝杠通孔，通过上层和下层水平固定环的相应立柱通孔固定立柱两端；通过上层和下层水平固定环的相应丝杠通孔固定丝杠两端。

还包括支撑架，支撑架为一环体，支撑架的内外轮廓为相似三角形，在支撑架的三个顶点位置分别开设螺母固定通孔，丝杠螺母从下向上***螺母固定通孔；

在支撑架顶部固定托盘，托盘为矩形，托盘的两组相对侧边分别与移动机构的X轴和Y轴平行。

所述移动机构设置在上层的水平固定环中，移动机构的底部固定与Z轴平行的喷头，在移动机构底部喷头的一侧，固定安装红外测距传感器，红外测距传感器的光线投射方向与Z轴平行。

利用上述的3D打印机托盘全自动调平装置进行托盘，全自动调平的控制方法包括以下步骤：

红外测距传感器初始化，确定托盘承载面处于初始位置时的距离；

红外测距传感器采样喷头至托盘的离散点的距离数据，反馈上位机；

上位机根据距离数据形成各步进电机控制信号，各步进电机主轴带动相应丝杠转动，调整托盘承载面，使处于水平；

上位机形成托盘沿Z轴步进信号，控制各步进电机带动相应丝杠转动，同步位移；

上位机周期地采集距离数据，形成各步进电机控制信号，在喷头喷射后，同步位移前采集距离数据；

直至打印结束。

还包括以下步骤：

上位机计算步进过程中粘合材料在托盘上的分布特征，例如质量分布特征、累积高度特征等；

在根据距离数据形成各步进电机控制信号的过程中，加入与分布特征相关的修正数据。

本发明的3D打印机托盘全自动调平装置利用XY轴水平面的移动机构适时测量沿Z轴步进的托盘承载面的平行程度，通过多点测量获得Z轴步进时各支撑机构间的微小误差，并及时进行调整，使得平行误差无法累计。耗材固化过程中的表面高度不会出现偏差，保证了打印精度。

本发明的3D打印机托盘全自动调平方法，利用合理的调平方法，将调平过程与打印过程相结合，保证了耗材固化过程中的表面高度不会出现偏差。

附图说明

图1为本发明3D打印机托盘全自动调平装置的主视示意图；

图2为本发明3D打印机托盘全自动调平装置的A-A方向剖视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1和图2所示，本实施例的3D打印机托盘全自动调平装置包括设置在固定框架01上，与Z轴平行的三根丝杠02，每根丝杠的丝杠螺母03嵌入支撑架04，支撑架04上固定托盘05；

固定框架01包括上层和下层平行的水平固定环11、垂直的四根立柱12，水平固定环11，水平固定环11的内外轮廓为相似的正五边形，在水平固定环11的第一、第二、第三、第四顶点位置开设立柱通孔13，在第五顶点位置、第一第二顶点的中点位置、第三第四顶点的中点位置开设丝杠通孔14，丝杠通孔14中设置滚动轴承，在上层和下层水平固定环11相应立柱通孔13间固定立柱12；通过上层和下层水平固定环11相应丝杠通孔14的滚动轴承固定丝杠02两端；也可以将较细的丝杠02两端***相应丝杠通孔14中固定，省略滚动轴承，丝杠02同样可以平滑转动。

支撑架04为一环体，支撑架04的内外轮廓为相似三角形，在支撑架04的三个顶点位置分别开设螺母固定通孔31，用于固定丝杠螺母03；丝杠螺母03从下向上***螺母固定通孔31，丝杠螺母03随丝杠02转动方向而上下移动，带动支撑架04做出相应位移。

在支撑架04顶部固定托盘05，托盘05为矩形，托盘05的两组相对侧边分别与X轴和Y轴平行；

移动机构06设置在上层的水平固定环11中，移动机构06的底部固定与Z轴平行的喷头61，在移动机构06底部喷头61的一侧，固定安装红外测距传感器62；本实施例选用FT 25RA(-60-NSU-M4M)系列，红外测距传感器62的光线投射方向与Z轴平行；

丝杠02的上端通过联轴器63，连接固定在上层的水平固定环11上的步进电机64的主轴；

步进电机64和红外测距传感器62的控制信号输入端连接上位机的信号输出端。

本实施例中，利用三根丝杠02上的丝杠螺母03连接支撑架04，使支撑架04形成可沿Z轴进行平稳位移的最小的支撑面，利用支撑面的稳定性，在支撑架04上固定投影面积远大于支撑面的托盘05。该结构可以减小直接利用丝杠螺母03带动托盘05时，因托盘05形状和面积需要增加丝杠副才能保证托盘05平稳移动的缺陷。本结构这种对丝杠副的最小配置，也降低了位移精度控制的复杂性。进一步，固定框架01的水平固定环11采用五边形形状，既可以保证与立柱12的稳固连接，又可以与偏置的丝杠副相结合，获得固定框架01内的最大托盘面积，保证模型成品的加工尺寸。每个丝杠02配置的步进电机可以对托盘05位移过程中各丝杠螺母03的行程进行独立微调，红外测距传感器62的距离反馈信号通过上位机处理后行程步进电机的步进(及修正)控制信号，可以将托盘行程积累的位移误差进行调整消除。降低了打印对丝杠副加工精度的要求，有效降低设备制造成本。

本实施例中，托盘(矩形)05重心与固定框架01限定平面(五边形)的中心靠近或重合，与所述丝杠副顺序围成图形(三角形)的边界(一条边)接近的支撑结构，可以保证托盘在负载固化耗材时，重心受到以丝杠副为转折点的支撑架04的一条边框的稳定支撑，在固化耗材非均匀分布在托盘上时，水平误差会在远离托盘重心的丝杠副方向放大(相似杠杆作用)，使得位移误差更容易为传感器采集。上位机可据此更准确地调整累积误差。

喷头附近的红外测距传感器(精度0.02mm)与喷头固定在一起，测量方向与喷头喷射方向一致，两者间的基准误差可以精确测量。在此基础上，可以精确检测到喷头到托盘的距离。利用本实施例进行全自动调平的控制方法包括以下步骤：

红外测距传感器初始化，确定托盘承载面处于初始位置时的距离；

红外测距传感器采样喷头至托盘的离散点的距离数据，反馈上位机；

上位机根据距离数据形成各步进电机控制信号，各步进电机主轴带动相应丝杠转动，调整托盘承载面，使处于水平；

上位机形成托盘沿Z轴步进信号，控制各步进电机带动相应丝杠转动，同步位移；

上位机周期地采集距离数据，形成各步进电机控制信号，在喷头喷射后，同步位移前采集距离数据；

直至打印结束。

本实施例的控制方法可以在以上结构的基础上，在步进过程中有效消除由于结构误差、公差精度导致的水平累积误差。可以避免支撑架位移中出现过度或不足，延长丝杠的使用周期，保持其加工精度。在上述控制方法中，上位机利用距离数据和喷头的喷射量，可以进一步形成对水平精度的控制方法，具体如下：

上位机计算步进过程中粘合材料在托盘上的分布特征，例如质量分布特征、累积高度特征等；

在根据距离数据形成各步进电机控制信号的过程中，加入与分布特征相关的修正数据。

修正数据可以起到前反馈作用，消除固有的趋势性误差，使得在步进过程的累积性误差的累积趋势平缓。可以有效改善在粘合材料凝固过程的初始阶段的流体特性，使每一个凝固层的高度差趋于平衡。

离散点由沿X轴和Y轴步进的移动机构带动喷头随机或规则移动后定位，利用红外测距传感器对托盘距离进行采样获得。随机移动优选线性离散，规则移动优选熵增离散。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种3D打印机托盘全自动调平装置，包括托盘、固定红外测距传感器和喷头的移动机构、固定框架、若干平行的丝杠副与配套的步进电机，移动机构带动喷头在固定框架内水平移动，步进电机带动固定在固定框架上的丝杠副转动，带动承载的托盘竖直移动，其特征在于：所述托盘重心与所述固定框架限定平面的中心靠近或重合，与沿所述丝杠副顺序围成图形的边界接近。

2.如权利要求1所述的3D打印机托盘全自动调平装置，其特征在于：所述固定框架(01)包括上层和下层平行的水平固定环(11)和垂直的立柱(12)，水平固定环(11)的内外轮廓为相似的正五边形，在水平固定环(11)的第一、第二、第三、第四顶点位置开设立柱通孔(13)，在第五顶点位置、第一第二顶点的中点位置、第三第四顶点的中点位置开设丝杠通孔(14)，通过上层和下层水平固定环(11)的相应立柱通孔(13)固定立柱(12)两端；通过上层和下层水平固定环(11)的相应丝杠通孔(14)固定丝杠(02)两端。

3.如权利要求2所述的3D打印机托盘全自动调平装置，其特征在于：还包括支撑架(04)，支撑架(04)为一环体，支撑架(04)的内外轮廓为相似三角形，在支撑架(04)的三个顶点位置分别开设螺母固定通孔(31)，丝杠螺母(03)从下向上***螺母固定通孔(31)；

在支撑架(04)顶部固定托盘(05)，托盘(05)为矩形，托盘(05)的两组相对侧边分别与移动机构的X轴和Y轴平行。

4.如权利要求3所述的3D打印机托盘全自动调平装置，其特征在于：所述移动机构(06)设置在上层的水平固定环(11)中，移动机构(06)的底部固定与Z轴平行的喷头(61)，在移动机构(06)底部喷头(61)的一侧，固定安装红外测距传感器(62)，红外测距传感器(62)的光线投射方向与Z轴平行。

5.利用权利要求1至4任一所述的3D打印机托盘全自动调平装置进行托盘，全自动调平的控制方法包括以下步骤：

红外测距传感器初始化，确定托盘承载面处于初始位置时的距离；

红外测距传感器采样喷头至托盘的离散点的距离数据，反馈上位机；

上位机根据距离数据形成各步进电机控制信号，各步进电机主轴带动相应丝杠转动，调整托盘承载面，使处于水平；

上位机形成托盘沿Z轴步进信号，控制各步进电机带动相应丝杠转动，同步位移；

上位机周期地采集距离数据，形成各步进电机控制信号，在喷头喷射后，同步位移前采集距离数据；

直至打印结束。

6.如权利要求5所述的全自动调平控制方法，还包括以下步骤：

上位机计算步进过程中粘合材料在托盘上的分布特征，例如质量分布特征、累积高度特征等；

在根据距离数据形成各步进电机控制信号的过程中，加入与分布特征相关的修正数据。