CN105904736A - 一种基于追逐法的3d打印机打印平台调平方法及液压自动调平*** - Google Patents

一种基于追逐法的3d打印机打印平台调平方法及液压自动调平*** Download PDF

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Abstract

一种基于追逐法的3D打印机打印平台调平方法及液压自动调平***，本发明针对大成型幅面3D打印机，打印头沿X、Y、Z方向运动，测距传感器与打印头安装在同一水平高度上并随打印头一起运动，通过测距传感器测量值反映打印头与打印平台的相对位置，打印平台与液压缸活塞杆以球型铰链的方式连接，液压缸活塞杆同样以球型铰链连接方式与固定支撑架连接，通过液电比例方向控制阀的阀芯位移控制液压缸活塞的升降以完成打印平台的自动调平过程。测距传感器数据输出端连接控制器数据输入端，控制器数据输出端与液电比例方向控制阀相连。本发明通过液压***与控制器配合完成打印平台的快速、准确、自动调平，大大减少平台调平的工作量，提高打印精度。

Description

一种基于追逐法的3D打印机打印平台调平方法及液压自动调平***
技术领域
本发明涉及一种基于追逐法的3D打印机打印平台调平方法及液压自动调平***，该装置包括3D打印机机械结构零部件、液压回路设计及调平方法。本发明属于3D打印快速成型制造(快速增材制造技术)领域。
背景技术
3D打印技术又称增材制造技术，区别于减材制造和等材制造技术，它以三维模型数据为基础，借助计算机获取模型的切面数据，根据切片数据逐层加工实体，从而省却了传统制造方法中图纸绘制、工艺实施、模具制造等多个环节，达到了缩短设计时间、强调个性设计、自动化集成度加大的目的，同时打破了传统去除材料成型工艺对设计形状的限制。因此3D打印技术广泛应用于汽车、航空航天、生物医疗、工艺品制作等领域。
熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)技术是3D打印技术的一个重要分支，FDM成型技术通过打印头加热热熔性材料，同时打印头在打印平台上方并距离打印平台一定高度的位置上按照三维模型的切片数据规划运动路径，热熔性材料随打印头的运动路径形成二维截面，完成一个截面的打印工作后，打印头和平台之间离开一个层厚的距离，所以打印头可以在上一层打印截面的基础上完成下一层打印工作，通过如此层层叠加完成整个模型的3D打印造型过程。FDM工艺设备具有成本相对较低、使用操作方便等特点，所以广泛应用于零件初设计期、装配实验及性能测试等方面。但其成形实体的尺寸精度、形位精度及表面质量处在一个较低的水平，这严重制约着FDM技术的应用。FDM打印精度主要受其机械结构件加工精度、运动精度、打印平台状态、工艺参数等因素的影响。在这些因素中，打印平台的状态将直接影响打印精度，如果打印平台不水平将导致打印头吐丝不均匀。当打印平台与打印头的距离过小时，打印头不能顺利出丝，很容易出现打印头堵丝的问题，假如打印头发生堵丝，则必须停止打印工作，并采取一定的措施进行通丝处理，因为打印头的直径非常小，所以通丝工作比较复杂，而且严重情况下，必须更换打印头；当打印平台与打印头的距离过大时，打印头挤出的丝材之间的结合力不够，甚至在打印基层时被挤出的丝材不能和打印平台进行粘接，使得模型被迫处于悬空打印状态，无容置疑会导致打印失败。另外，当打印平台较大时，人工调节打印平台会非常费事，而且很难达到理想状态，调节打印平台的平面度精度及水平精度很难达到误差允许范围。
针对以上所述，本发明所设计的3D打印机打印平台调平方法及液压自动调平***主要针对大幅面的基于熔融堆积成型的3D打印机，通过液压***中的液电比例方向控制阀和控制器配合工作能够实现打印平台的自动调平，调节过程无需人工干涉，规避了传统人工调节方法既费时又费力的缺点，并且最终的调节结果能够使打印平台处于最佳的水平位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对大幅面基于熔融堆积成型的3D打印机的打印平台调平方法及液压自动调平***，该***由3D打印机机械结构、打印头运动控制电路及液压自动调平回路组成，该调平方法基于低点不动的追逐法，该方法首先利用测距传感器测量打印头和打印平台间的垂直距离，保持垂直距离最大位置处的液压缸活塞不动，然后其他标记点处的液压缸活塞收缩，直至各个标记点到打印头的距离一致。通过测距传感器、打印头运动控制器及液压自动调平回路配合实现打印平台的自动调平。
本发明是采用以下技术手段实现的：
3D打印机的机械结构部分包括打印平台、打印头、打印头运动用X向导轨、Y向导轨和Z向导轨组成，打印过程中打印平台固定不动，打印头沿X、Y、Z三个方向运动完成打印动作。
3D打印机液压自动调平回路包括四个液压缸、四个压力传感器、九个溢流阀、四个双向液压锁、四个液电比例方向控制阀、十三个单向阀、蓄能器、压力表、齿轮泵、电动机、过滤器、油箱；压力油经过过滤器流进齿轮泵，电动机驱动齿轮泵为***提供动力油，动力油经过单向阀后分四路给四个液压缸供油，在每条支路上压力油首先经过液电比例方向控制阀，接着流入双向液压锁，并最终流入液压缸；回路中溢流阀起到安全阀的作用，防止回路压力过高损坏液压缸；压力传感器用于检测液压缸支撑件是否着地，判断是否存在虚腿现象。
打印平台和液压缸活塞通过球型铰链连接，保证液压缸活塞杆受到的平台压力始终沿液压缸活塞杆的轴线方向，液压缸活塞杆与固定支撑架之间同样以球型铰链连接，保证液压缸活塞杆所受的固定支撑架的反作用力始终沿着液压缸活塞杆的轴线方向。
在距离打印平台边缘六分之边长的位置处分别标定为A、B、C、D点，并在每个点的正下方连接液压缸等液压装置。当平台尺寸大于600mm*600mm，小于1000mm*1000mm时，调平过程首先使打印头按从A到B到C到D的指定路线运动；当打印平台尺寸大于1000mm*1000mm时，调平过程首先使打印头按从A到B到C到D到E的指定路线运动，E点为平台的中心点。
测距传感器测量打印平台上各标定点到打印头之间的距离，测距传感器的数据输出端与控制器的数据输入端相连，测距传感器将测量数据传递到控制器中，控制器根据控制算法对数据进行处理，控制器的数据输出端与液电比例方向控制阀的数据接收端相连，液电比例方向控制阀根据接受信号定量、定向移动阀芯位移，达到自动调节平台到水平状态的目的。
本发明所设计液压自动调平***可以完成大幅面的基于熔融堆积成型的3D打印机打印平台的自动调平，该方法通过控制器完成测距传感器测量值与液电比例方向控制阀位移值之间的数据映射，确保了打印平台状态及时准确的反馈到液压自动调平***，使得调平软件和调平硬件***紧密配合；液压回路中的液电比例方向控制阀可以精确调节液压缸活塞位移，保证调节精度，回路中的双向液压锁能够使得打印平台在某一位置上可靠停止，并保持位置不变。此发明的调节过程无人为因素干涉，在一定程度上减少了人为原因造成的调节误差甚至调节不合格，同时提高了调节效率，在一定程度上缩短了打印时间，并且最终的调节结果能够使打印平台处于最佳的水平位置。
附图说明
图1是3D打印机机械结构原理图及液压自动调平***原理图；
图2是3D打印机打印平台与液压缸活塞杆连接方式示意图；
图3是3D打印机打印平台上标定点位置示意图；
图4是调平算法程序流程图；
图5是控制***结构原理图；
其中：1-打印头，2-X向导轨，3-测距传感器，4-Z向导轨，5-Y向导轨，6-打印平台，7-液压缸，8-溢流阀，9-压力传感器，10-双向液压锁，11-液电比例方向控制阀，12-压力表，13-单向阀，14-齿轮泵，15-过滤器，16-电动机，17-蓄能器，18-第一球型铰链，19-活塞杆，20-活塞，21-活塞杆，22-第二球型铰链，23-固定支撑架
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
3D打印机的机械结构部分和液压调平回路如图1所示，机械结构部分包括打印平台(6)、打印头(1)、X向导轨(2)、Y向导轨(5)和Z向导轨(4)组成，X向导轨(2)与打印平台(6)相平行，X向导轨(2)与Y向导轨(5)垂直，Z向导轨(4)与Y向导轨(5)垂直，Y向导轨(5)设置在打印平台(6)的两侧，X向导轨(2)、Y向导轨(5)和Z向导轨(4)为打印头(1)的三向调节结构，打印头(1)、测距传感器(3)均设置在X向导轨(2)上，打印头(1)与测距传感器(3)的平行安装；如图2，在距离打印平台(6)边缘六分之一边长的位置处分别标定为A、B、C、D点，并在每个点的正下方连接液压调平回路，液压调平回路总共包括四个液压缸(7)、四个压力传感器(9)、九个溢流阀(8)、四个双向液压锁(10)、四个液电比例方向控制阀(11)、十三个单向阀(13)、蓄能器(17)、压力表(12)、齿轮泵(14)、电动机(16)、过滤器(15)、油箱；其中液压缸(7)、溢流阀(8)、压力传感器(9)、双向液压锁(10)、液电比例方向控制阀(11)为液压调平回路的控制结构，液压缸(7)分别与溢流阀(8)、压力传感器(9)连接，溢流阀(8)、压力传感器(9)分别与双向液压锁(10)连接，双向液压锁(10)通过液电比例方向控制阀(11)与液压驱动***连接。
液压驱动***包括单向阀(13)、蓄能器(17)、压力表(12)、齿轮泵(14)、电动机(16)、过滤器(15)、油箱；齿轮泵(14)通过过滤器(15)与油箱连接，齿轮泵(14)与电动机(16)连接，齿轮泵(14)与液电比例方向控制阀(11)之间设有单向阀(13)，齿轮泵(14)与单向阀(13)之间的支路上设有压力表(12)，单向阀(13)与液电比例方向控制阀(11)之间的支路上设有蓄能器(17)。
图2示意了打印平台和液压缸活塞杆之间的连接方式，为保证液压缸活塞杆受到作用力都是沿其轴线方向，打印平台(6)和液压缸活塞杆(19)通过第一球型铰链(18)连接，液压缸(21)与固定支撑架(23)之间通过第二球型铰链(22)连接。
压力油经过过滤器(15)流进齿轮泵(14)，电动机(16)驱动齿轮泵(14)为***提供动力油，动力油经过单向阀(13)后分四条支路分别给四个液压缸供油，在每条支路上的压力油首先经过液电比例方向控制阀(11)，接着流入双向液压锁(10)，最后流入液压缸(7)中，根据液电比例方向控制阀(11)的阀芯位移和阀芯移动方向来收缩或伸张液压缸活塞杆；回路中溢流阀(8)起到安全阀的作用，防止回路压力过高损坏液压缸；压力传感器(9)用于检测液压缸支撑件是否着地，判断是否存在虚腿现象。
当平台尺寸大于600mm*600mm，小于1000mm*1000mm时，调平过程首先使打印头按从A到B到C到D的指定路线运动；当打印平台尺寸大于1000mm*1000mm时调平过程首先使打印头按从A到B到C到D到E的指定路线运动，E点为平台的中心点，打印平台在E点正下方安装与其他标定点下同样的液压元件。当打印头移动到打印平台上标定点的位置时，测距传感器测量打印头与打印平台之间的距离，以a、b、c、d分别表示测距传感器测量的打印平台上标定点到打印头之间的距离；测距传感器的数据输出端与控制器的数据输入端相连，测距传感器将测量数据传递到控制器中，控制器根据控制算法对数据进行处理，控制器对测量数据处理的调平算法程序流程图如图4，并以a大于b大于c大于d为例进行说明，首先判断四个测量值a、b、c、d之间的差值是否在平台允许的误差范围内，如果四个测量值之间的差值在平台允许的误差范围内，则调平结束；如果四点测量值的差值大于调平误差所允许的范围，进一步求出四个点中的最低点位置，并计算最低点位置处测距传感器测量值与其他点位置处测距传感器测量值的差值，控制器处理数据经放大器输入到液电比例方向控制阀的数据接收端，液电比例方向控制阀接受控制器的控制信号，并按照与输入电信号成比例的输出阀芯位移，并随电信号的正负改变阀芯移动的方向，除最低点外，其他位置点处对应的液压缸活塞杆移动值等于最低点位置处测距传感器测量值与该点测量值的差值，方向指向液压缸活塞的收缩方向，接下来测距传感器进行第二次测量，并重复上述过程，直到打印平台水平误差在误差允许的范围内为止，所以打印平台可以按照测距传感器的测量结果进行自动而精准的调平，这个过程中液压自动调平***涉及的控制***结构原理如图5示意。

Claims (5)

1.一种基于追逐法的3D打印机打印平台液压自动调平***，其特征在于：
该***包括机械结构部分和液压调平回路，机械结构部分包括打印平台(6)、打印头(1)、X向导轨(2)、Y向导轨(5)和Z向导轨(4)组成，X向导轨(2)与打印平台(6)相平行，X向导轨(2)与Y向导轨(5)垂直，Z向导轨(4)与Y向导轨(5)垂直，Y向导轨(5)设置在打印平台(6)的两侧，X向导轨(2)、Y向导轨(5)和Z向导轨(4)为打印头(1)的三向调节结构，打印头(1)、测距传感器(3)均设置在X向导轨(2)上，打印头(1)与测距传感器(3)的平行安装；在距离打印平台(6)边缘六分之一边长的位置处分别标定为A、B、C、D点，并在每个点的正下方连接液压调平回路，液压调平回路总共包括四个液压缸(7)、四个压力传感器(9)、九个溢流阀(8)、四个双向液压锁(10)、四个液电比例方向控制阀(11)、十三个单向阀(13)、蓄能器(17)、压力表(12)、齿轮泵(14)、电动机(16)、过滤器(15)、油箱；其中液压缸(7)、溢流阀(8)、压力传感器(9)、双向液压锁(10)、液电比例方向控制阀(11)为液压调平回路的控制结构；液压缸(7)分别与溢流阀(8)、压力传感器(9)连接，同时，双向液压锁(10)的两油口分别与液压缸(7)的两油腔连接，双向液压锁(10)通过液电比例方向控制阀(11)与液压驱动***连接；
液压驱动***包括单向阀(13)、蓄能器(17)、压力表(12)、齿轮泵(14)、电动机(16)、过滤器(15)、油箱；齿轮泵(14)通过过滤器(15)与油箱连接，齿轮泵(14)与电动机(16)连接，齿轮泵(14)与液电比例方向控制阀(11)之间设有单向阀(13)，齿轮泵(14)与单向阀(13)之间的支路上设有压力表(12)，单向阀(13)与液电比例方向控制阀(11)之间的支路上设有蓄能器(17)。
2.根据权利要求1所述的一种基于追逐法的3D打印机打印平台液压自动调平***，其特征在于：为保证液压缸活塞杆受到作用力都是沿其轴线方向，打印平台(6)和液压缸活塞杆(19)通过第一球型铰链(18)连接，液压缸(21)与固定支撑架(23)之间通过第二球型铰链(22)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于追逐法的3D打印机打印平台液压自动调平***，其特征在于：压力油经过过滤器(15)流进齿轮泵(14)，电动机(16)驱动齿轮泵(14)为***提供动力油，动力油经过单向阀(13)后分四条支路分别给四个液压缸供油，在每条支路上的压力油首先经过液电比例方向控制阀(11)，接着流入双向液压锁(10)，最后流入液压缸(7)中，根据液电比例方向控制阀(11)的阀芯位移和阀芯移动方向来收缩或伸张液压缸活塞杆；回路中溢流阀(8)起到安全阀的作用，防止回路压力过高损坏液压缸；压力传感器(9)用于检测液压缸支撑件是否着地，判断是否存在虚腿现象。
4.根据权利要求1所述的一种基于追逐法的3D打印机打印平台液压自动调平***，其特征在于：
当平台尺寸大于600mm*600mm，小于1000mm*1000mm时，调平过程首先使打印头按从A到B到C到D的指定路线运动；当打印平台尺寸大于1000mm*1000mm时调平过程首先使打印头按从A到B到C到D到E的指定路线运动，E点为平台的中心点，打印平台在E点正下方安装与其他标定点下同样的液压元件；当打印头移动到打印平台上标定点的位置时，测距传感器测量打印头与打印平台之间的距离，以a、b、c、d分别表示测距传感器测量的打印平台上标定点到打印头之间的距离；测距传感器的数据输出端与控制器的数据输入端相连，测距传感器将测量数据传递到控制器中，控制器根据控制算法对数据进行处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于追逐法的3D打印机打印平台液压自动调平***，其特征在于：
首先判断四个测量值a、b、c、d之间的差值是否在平台允许的误差范围内，如果四个测量值之间的差值在平台允许的误差范围内，则调平结束；如果四点测量值的差值大于调平误差所允许的范围，进一步求出四个点中的最低点位置，并计算最低点位置处测距传感器测量值与其他点位置处测距传感器测量值的差值，控制器处理数据经放大器输入到液电比例方向控制阀的数据接收端，液电比例方向控制阀接受控制器的控制信号，并按照与输入电信号成比例的输出阀芯位移，并随电信号的正负改变阀芯移动的方向，除最低点外，其他位置点处对应的液压缸活塞杆移动值等于最低点位置处测距传感器测量值与该点测量值的差值，方向指向液压缸活塞的收缩方向，接下来测距传感器进行第二次测量，并重复上述过程，直到打印平台水平误差在误差允许的范围内为止，所以打印平台可以按照测距传感器的测量结果进行自动而精准的调平。
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