CN106553336A - 三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平*** - Google Patents

Abstract

一种三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***，包括控制器、机床进给机构、下卡件旋进装置、热床下支板、热床上支板、热床上平板、喷头、上卡件、喷头固定件、应变传感器；上卡件和喷头固定于喷头固定件上，上卡件底部高度高于喷头底部；应变传感器设置在热床上平板表面。该***利用低成本应变传感器进行调平检测和距离置零，利用喷头与热床的相对运动进行热床调平，从而减少了热床调平功能中的检测及驱动机构，降低了对控制器接口的需求，以较低成本实现了距离置零和热床调平的自动化。

Description

三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***

技术领域

本发明涉及三维打印机，特别是一种三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***。

背景技术

三维打印技术，学名增材制造技术，可以快速地加工传统机床和模具无法生产的模型，还可以加工活动的结构件从而减少装配时间。它的发展将会打破传统的生产运作模式；带来设计理念的转变；更好地满足个性化需求。目前，采用熔融沉积成型技术（FDM)的桌面型三维打印机已经在设计室中慢慢普及，并逐渐走进普通家庭中，甚至成为中小学生的学***台、物料托盘，下称热床）的距离零点，简称置零；还要调节热床与打印头的平行，简称调平。置零与调平关系到第一层打印的质量及整体打印的精度。对于三维打印机需要经常移动的情况，置零与调平则成为经常调校的项目。

现有技术中，调平和置零或者由操作者采用塞尺手动完成，或者采用额外的电机和昂贵的传感器实现自动化。例如中国发明专利CN104676211A公开了一种分层自动调平装置，该装置需要使用两台伺服电机进行角度调整。在这些技术方案中，手动操作增加了操作难度，浪费了用户的时间，限制了其在普通用户中的普及；而增加电机和传感器的方式不仅增加了成本还增加了控制电路的检测和驱动接口的数量，还增加了打印机体积和重量。由于相关近距离传感器的价格非常高，使得整机价格非常高，这将使打印机限于工业应用不利于其进入家庭；而体积重量的提高则使得三维打印机难于移动，不利于中小学生的使用。目前，在自组装（DIY）机器中喷头与热床不同位置距离的测量往往用压敏电阻、限位开关等接触式传感器完成，这种方式要求压敏电阻、限位开关等高出喷头以防止喷头与热床相撞。一些机器则需要增加舵机机构，在测量完距离后将传感器收起。当采用红外距离传感器等非接触传感器时，由于此类传感器很难在近距离（比如首层层厚0.2mm）进行精确测量，因而很难用来进行零点设置。现有机器的传感器多是用来测量喷头与热床几个点的距离，然后计算出热床倾斜的状况，并依此修正喷头在打印时的高度，让打印件跟着热床一起倾斜，从而保证打印件的三维尺寸。然而，这种自动补偿的方式在热床倾斜较多的情况下，使得高度轴在一层打印中运动较大，影响打印速度和质量，因而先进行热床调平仍然是必要的。

发明内容

为了解决目前三维打印机热床调平功能需要过多的检测及驱动机构，距离置零功能难于实现自动化的问题，本发明提供一种利用低成本应变传感器进行调平检测和距离置零；利用喷头与热床的相对运动进行热床的自动调平的全自动调校***，该***可减少热床调平功能中的检测及驱动机构，降低了对控制器接口的要求，以较低成本实现了距离置零的自动化。

本发明的技术解决方案如下：

一种三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***，包括机床进给机构、控制器、喷头、喷头固定件、热床下支板、热床上支板和热床上平板，其特征在于：还包括下卡件旋进装置、上卡件、至少三个应变传感器、电荷放大器和施密特触发器；

所述的上卡件和喷头固定于喷头固定件的下部，所述的上卡件底部与喷头固定件底部的距离小于喷头底部与喷头固定件底部的距离，所述的应变传感器设置在热床上平板表面；

所述的应变传感器分别与电荷放大器相连，该电荷放大器经所述的施密特触发器与控制器相连；

当进行置零时，喷头缓慢下降使应变传感器产生应变并输出电荷，电荷放大器将电荷量放大成电压量，直到喷头下降的位移使电荷放大器输出的电压达到施密特触发器设定的电压，施密特触发器将输出触发信号给控制器，控制器通过如下算法计算距离零点值：将当前坐标，即控制器收到触发信号时喷头的位置坐标，加上应变传感器的位移，再减去应变传感器的厚度；将此位置零点值设为坐标零点即可实现距离置零；

所述应变传感器的位移与电荷放大器的输出电压有如下正比关系：

d ∝ d₃₁*U*l²/t²

d — 应变传感器的位移（即喷头推动应变传感器下降的距离）；

d₃₁— 压电系数；

U — 电荷放大器的输出电压；

l — 应变传感器的长度；

t — 应变传感器的厚度；

根据上式可以精确计算出应变传感器的位移。在置零过程中由于应变传感器可以产生很大的变形，即使喷头运动超过设定的位移也不会使喷头与机床发生碰撞。由于上卡件底部的位置高于喷头底部的位置，因而也不会与热床发生碰撞。距离置零是精确打印的基础，同时也可以为自动调平提供参考。

一种三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***，包括机床进给机构、控制器、喷头、喷头固定件、热床下支板、热床上支板和热床上平板，其特征在于：还包括下卡件旋进装置、上卡件、至少一个应变传感器、电荷放大器、施密特触发器和距离传感器；

所述的上卡件和喷头固定于喷头固定件的下部，所述的上卡件底部与喷头固定件底部的距离小于喷头底部与喷头固定件底部的距离，所述的应变传感器设置在热床上平板表面；

所述的应变传感器分别与电荷放大器相连，该电荷放大器经所述的施密特触发器与控制器相连；

所述距离传感器可以选用红外距离传感器、超声距离传感器、电容距离传感器或者光电传感器；所述的距离传感器与控制器相连；该距离传感器底部与喷头底部的距离设置在距离传感器的有效测量范围内；

当进行置零时，喷头缓慢下降使应变传感器产生应变并输出电荷，电荷放大器将电荷量放大成电压量，直到喷头下降的位移使电荷放大器输出的电压达到施密特触发器设定的电压，施密特触发器将输出触发信号给控制器，控制器发出指令使距离传感器测量此时的坐标值，距离零点值可计算如下：当前坐标值，即控制器收到触发信号时距离传感器测量的坐标数值，加上应变传感器的位移，再减去应变传感器的厚度。

所述的应变传感器选用压电单晶片、压电双晶片或者电阻应变片作为传感原件；所述应变传感器一端固定于热床上平板表面，另一端自由悬空构成压电悬臂梁结构。

所述的三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***还包括热床支板导杆、压簧、防松螺母；所述的下卡件旋进装置由楔块、定位框架、卡盘精密螺栓和卡环组成，定位框架固定于热床上支板一侧，卡盘精密螺栓的螺纹端穿过定位框架与楔块通过螺纹连接，其中楔块中的螺纹为防松螺纹；所述楔块置于热床下支板和热床上支板之间，热床下支板与热床上支板由热床支板导杆连接，在热床下支板下设有压簧，压簧穿过热床支板导杆并由防松螺母紧固；定位框架与楔块间设有卡环，该卡环卡在精密螺栓上用于推动楔块向热床内移动；所述的卡盘精密螺栓的卡盘沿直径外侧设有花纹，用于增加摩擦力；卡盘精密螺栓的外径高度高于热床上平板，以防止喷头与热床相撞；所述的上卡件底部设有花纹或附加橡胶粘弹性材料层，上卡件与卡盘精密螺栓的卡盘圆面平行；当上卡件与卡盘精密螺栓做相对平动时，通过两者的摩擦可以将相对平动转化为卡盘精密螺栓的旋转运动，从而对热床的坐标进行调整。

所述的下卡件旋进装置还可以由卡盘精密螺栓、弹簧和防松螺母构成；卡盘精密螺栓的螺栓依次穿过热床上支板、弹簧和热床下支板与防松螺母相连；所述防松螺母与热床下支板固定相连；所述弹簧为压簧，在热床上支板和热床下支板间有一定的预紧力；所述的卡盘精密螺栓的盘面高度高于热床上平板以使上卡件可以接触到；卡盘精密螺栓的卡盘沿直径外侧设有花纹，用于增加摩擦力；相应地，上卡件侧面设有花纹或附加橡胶粘弹性材料层；当上卡件与卡盘精密螺栓做相对平动时，通过两者的摩擦可以将相对平动转化为卡盘精密螺栓的旋转运动，从而对热床的坐标进行调整。

三维打印机的热床一般由三个或三个以上的热床支板导杆进行支撑，相应地，可以采用三个或三个以上所述的应变传感器，分别设置在热床支板导杆或热床上平板的四个角附近；采用两个或多个下卡件旋进装置用于热床调平。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明利用机床自身的运动进行热床自动调平，减少了执行机构的数量，降低了成本；

2）采用应变传感器实现了距离自动置零和热床平行的自动测量，所用的应变传感器不需要占用模数转换模块；

3）利用距离传感器与应变传感器实现了距离自动置零和距离的实时测量，所用的应变传感器不需要占用模数转换模块；

4）采用压电应变传感器具有一定的弹性不会使喷头和热床相撞而损坏。

附图说明

图 1 为本发明第一实施例示意图。

图 2 为本发明第一实施例自动调平示意图。

图 3 为本发明下卡件旋进装置示意图。

图 4 为本发明第二实施例示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

采用熔融沉积成型技术(FDM)的三维打印机一般由机床进给机构驱动喷头组件与热床组件做相对运动，从而将熔融的材料一层层地堆积成设定的形状。图 1 为本发明一种三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***的示意图。如图所示，该三维打印机喷头组件由喷头6、喷头固定件15、上卡件14组成，喷头6和上卡件14固定于喷头固定件15上，上卡件14底部与喷头固定件15底部的距离小于喷头6底部与喷头固定件15底部的距离，即上卡件14底部高度高于喷头6的底部。热床组件由热床下支板3、热床上支板4、热床上平板5、应变传感器16、下卡件旋进装置2，热床支板导杆8，弹簧9和防松螺母10构成。

热床上平板5四个角附近设有四个应变传感器16用于距离零点检测和热床平行检测。所述应变传感器16可以选用压电单晶片，压电双晶片或者电阻应变片作为传感原件，优选的是压电单晶片。所述压电单晶片一端固定于热床上平板5表面，另一端自由悬空构成压电悬臂梁结构。可以在热床上支板4及热床上平板5开通孔用于放置应变传感器16，如图1所示。应变传感器16与电荷放大器17相连，电荷放大器17与施密特触发器18相连，施密特触发器18与控制器1相连。所述电荷放大器17可以由放大器A，放大器输入电容Ci，放大器反馈电容Cf和放大器反馈电阻Rf组成；其中放大器输入电容Ci与压电材料并联。

当进行距离置零时，由机床进给机构驱动喷头6至应变传感器16的自由端，然后缓慢下降使应变传感器16产生应变从而输出电荷。电荷放大器17将电荷量放大成电压量，直到喷头下降的位移使电荷放大器17输出的电压达到施密特触发器18设定的电压，施密特触发器18将输出触发信号给控制器1，控制器1根据触发信号停止喷头6的进给运动。此过程中喷头6的位移与电荷放大器17的输出电压有如下正比关系：

d ∝ d₃₁*U*l²/t²

d — 应变传感器16的位移（即喷头6推动应变传感器16下降的距离）；

d₃₁— 压电系数；

U — 电荷放大器17的输出电压；

l — 应变传感器16的长度；

t — 应变传感器16的厚度。

通过这个公式可以精确地计算出喷头6接触应变传感器16时的位置。如果应变传感器16下表面与热床上平板5表面处于同一高度，则控制器1通过如下算法计算距离零点值：将当前坐标，即控制器1收到触发信号时喷头6的位置坐标，加上应变传感器16的位移，再减去应变传感器16的厚度，将此位置零点值设为坐标零点即可实现距离置零。在置零过程中由于应变传感器16可以产生很大的变形，即使喷头运动超过设定的位移也不会使喷头与机床发生碰撞。由于上卡件14底部的位置高于喷头6底部的位置，因而也不会与热床发生碰撞。

在获得距离零点后，三维打印机可以进行热床平行测量。由机床进给机构驱动喷头与热床做相对运动使喷头6分别运动到其它几个应变传感器16处进行距离测量，根据所测量的距离值可以获得热床在几个方向上倾斜的角度。

电荷放大器17也可以采用电压放大器，也可以进行多级放大。施密特触发器18也可以采用电压比较器。

热床一般可由三个支撑点进行支撑，即采用三个热床支板导杆8。可以设置3个应变传感器16，分别放置于三个热床支板导杆8附近；应变传感器16也可以设置4个或更多，由于采用电压比较、触发中断的方式，因而不需要占用控制芯片的模数转换通道，从而降低了对控制器资源的需求。

图 2为本发明自动调平的示意图。如图所示，热床调平主要由上卡件14与下卡件旋进装置2的相对运动实现。所述的下卡件旋进装置2由卡盘精密螺栓13、定位框架12、楔块11和卡环19组成，如附图 3 所示。定位框架12固定于热床上支板4一侧，卡盘精密螺栓13的螺纹端穿过定位框架12与楔块11通过螺纹连接，其中楔块11中的螺纹为防松螺纹。所述楔块11置于热床下支板3和热床上支板4之间，热床下支板3与热床上支板4由热床支板导杆8连接，在热床下支板3下设有压簧9，压簧9穿过热床支板导杆8并由防松螺母10紧固。定位框架12与楔块11间设有卡环19，该卡环卡在精密螺栓13上用于推动楔块11向热床内移动。

卡盘精密螺栓13的卡盘沿直径外侧设有花纹，用于增加摩擦力；其外径高度高于热床上平板5，以防止喷头6与热床相撞。上卡件14底部设有花纹或附加橡胶粘弹性材料层，上卡件14与卡盘精密螺栓13的卡盘圆面平行。在调平时，上卡件14与卡盘精密螺栓13相接触并带动其旋转，从而拉动楔块11产生平动，如图2中箭头所示，楔块11与弹簧9共同驱动热床在高度方向上进行调整直至设定的高度值。

热床一般由三个或三个以上的支撑点进行固定，如图1中三个热床支板导杆8所处的位置，调平点可以比支撑点少一个，因而下卡件旋进装置2的数量最少可以有两个；上卡件14设置在喷头6侧面，可以设置一个或多个；喷头6侧面一般会使用冷却风扇，上卡件14可设置在风扇外壳底部。

所述的压簧9也可以采用拉簧，设置在热床上支板4与热床下支板3之间，并与热床上支板4和热床下支板3固定连接。

所述的下卡件旋进装置2也可以采用履带式结构：在与卡盘精密螺栓13相平行的位置增加一个圆盘和履带，由履带连接该圆盘和卡盘精密螺栓13；所述履带具有卡孔或同步齿，上卡件14在机床进给机构驱动下卡住履带驱动卡盘精密螺栓13旋转从而进行热床平行调节。

所述的机床进给机构即可以是采用笛卡尔坐标系的机床进给机构，也可以是采用Delta结构的机床进给机构。

实施例2

图 4为本发明第二实施例的示意图。如图所示，该三维打印机喷头组件由喷头6、距离传感器7、喷头固定件15、上卡件14组成，距离传感器7与控制器1相连，喷头6、距离传感器7和上卡件14固定于喷头固定件15上，上卡件14底部及距离传感器7底部的高度均高于喷头6底部。热床组件由热床下支板3、热床上支板4、热床上平板5、应变传感器16 和下卡件旋进装置2构成。所述下卡件旋进装置2由卡盘精密螺栓13、弹簧9和防松螺母10构成。

热床上平板5上设有一个应变传感器16用于距离零点检测。所述应变传感器16的构成和使用方法与实施例1相同。本实施例采用低成本距离传感器7进行热床平行测量，所述距离传感器7可以是红外距离传感器、超声距离传感器、电容距离传感器、光电传感器等。优选的是红外光电传感器。在进行热床平行测量时，由机床进给机构驱动喷头与热床做相对运动，距离传感器7可以在不同位置测量距离值，由这些距离值计算热床在几个方向上倾斜的角度。

热床调平主要由上卡件14与卡盘精密螺栓13的相对运动实现，如图4所示。卡盘精密螺栓13的螺纹端依次穿过热床上支板4、弹簧9和热床下支板3与防松螺母10相连。所述防松螺母10与热床下支板3固定相连；所述弹簧9为压簧，设置在热床上支板4和热床下支板3间有一定的预紧力。卡盘精密螺栓13的卡盘圆面与热床上平板5平行，其高度高于热床上平板5以使上卡件14可以接触到。卡盘精密螺栓13的卡盘沿直径外侧设有花纹，用于增加摩擦力；相应地，上卡件14侧面设有花纹或附加橡胶粘弹性材料层。

同实施例1一样，下卡件旋进装置2可以设置两个或多个，上卡件14可以设置一个或多个。

距离置零也可以由距离传感器7和应变传感器16共同完成。低成本的距离传感器一般只能精确测量几毫米外的距离，因而可以将距离传感器7底部与喷头6底部的距离设置在距离传感器7的有效测量范围内。当进行距离置零时，喷头6缓慢下降直到使施密特触发器8发出触发信号给控制器1，控制器1发出指令使距离传感器7测量此时的坐标值，距离零点值可计算如下：当前坐标值，即控制器1收到触发信号时距离传感器7测量的距离数值，加上应变传感器16的位移，再减去应变传感器16的厚度。

Claims (6)

1.一种三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***，包括机床进给机构、控制器（1）、喷头（6）、喷头固定件（15）、热床下支板（3）、热床上支板（4）和热床上平板（5），其特征在于：还包括下卡件旋进装置（2）、上卡件（14）、至少三个应变传感器（16）、电荷放大器（17）和施密特触发器（18）；

所述的上卡件（14）和喷头（6）固定于喷头固定件（15)的下部，所述的上卡件（14）底部与喷头固定件（15)底部的距离小于喷头（6）底部与喷头固定件（15)底部的距离，所述的应变传感器（16）设置在热床上平板（5）表面；

所述的应变传感器（16）分别与电荷放大器（17）相连，该电荷放大器（17）经所述的施密特触发器（18）与控制器（1）相连；

当进行置零时，喷头（6）缓慢下降使应变传感器（16）产生应变并输出电荷，电荷放大器（17）将电荷量放大成电压量，直到喷头下降的位移使电荷放大器（17）输出的电压达到施密特触发器（18）设定的电压，施密特触发器（18）将输出触发信号给控制器（1），控制器（1）通过如下算法计算距离零点值：将当前坐标，即控制器（1）收到触发信号时喷头（6）的位置坐标，加上应变传感器（16）的位移，再减去应变传感器（16)的厚度，将此位置零点值设为坐标零点即可实现距离置零。

2.一种三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***，包括机床进给机构、控制器（1）、喷头（6）、喷头固定件（15）、热床下支板（3）、热床上支板（4）和热床上平板（5），其特征在于：还包括下卡件旋进装置（2）、上卡件（14）、至少一个应变传感器（16）、电荷放大器（17）、施密特触发器（18）和距离传感器（7）；

所述的上卡件（14）和喷头（6）固定于喷头固定件（15)的下部，所述的上卡件（14）底部与喷头固定件（15)底部的距离小于喷头（6）底部与喷头固定件（15)底部的距离，所述的应变传感器（16）设置在热床上平板（5）表面；

所述的应变传感器（16）分别与电荷放大器（17）相连，该电荷放大器（17）经所述的施密特触发器（18）与控制器（1）相连；

所述距离传感器（7）与控制器（1）相连；该距离传感器（7）底部与喷头（6）底部的距离设置在距离传感器（7）的有效测量范围内；

当进行置零时，喷头（6）缓慢下降使应变传感器（16）产生应变并输出电荷，电荷放大器（17）将电荷量放大成电压量，直到喷头下降的位移使电荷放大器（17）输出的电压达到施密特触发器（18）设定的电压，施密特触发器（18）将输出触发信号给控制器（1），控制器（1）发出指令使距离传感器（7）测量此时的距离值，距离零点值可计算如下：当前坐标值，即控制器（1）收到触发信号时距离传感器（7）测量的距离数值，加上应变传感器（16）的位移，再减去应变传感器（16)的厚度。

3.根据权利要求1或2所述的三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***，其特征在于：所述的应变传感器（16）选用压电单晶片、压电双晶片或者电阻应变片作为传感原件；所述应变传感器（16）一端固定于热床上平板（5）表面，另一端自由悬空构成压电悬臂梁结构。

4.根据权利要求1或2所述的三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***，其特征在于：还包括热床支板导杆（8）、压簧（9）、防松螺母（10）；所述的下卡件旋进装置（2）由楔块（11）、定位框架（12）、卡盘精密螺栓（13）和卡环（19）组成，定位框架（12）固定于热床上支板（4）一侧，卡盘精密螺栓（13）的螺纹端穿过定位框架（12）与楔块（11）通过螺纹连接，其中楔块（11）中的螺纹为防松螺纹；所述楔块（11）置于热床下支板（3）和热床上支板（4）之间，热床下支板（3）与热床上支板（4）由热床支板导杆（8）连接，在热床下支板（3）下设有压簧（9），压簧（9）穿过热床支板导杆（8）并由防松螺母（10）紧固；定位框架（12）与楔块（11）间设有卡环（19），该卡环卡在精密螺栓（13）上用于推动楔块（11）向热床内移动；所述的卡盘精密螺栓（13）的卡盘沿直径外侧设有花纹，用于增加摩擦力；卡盘精密螺栓（13）的外径高度高于热床上平板（5），以防止喷头（6）与热床相撞；所述的上卡件（14）底部设有花纹或附加橡胶粘弹性材料层，上卡件（14）与卡盘精密螺栓（13）的卡盘圆面平行；当上卡件（14）与卡盘精密螺栓（13）做相对平动时，通过两者的摩擦可以将相对平动转化为卡盘精密螺栓（13）的旋转运动，从而对热床进行调平。

5.根据权利要求1或2所述的三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***，其特征在于，所述的下卡件旋进装置（2）由卡盘精密螺栓（13）、弹簧（9）和防松螺母（10）构成；卡盘精密螺栓（13）的螺栓依次穿过热床上支板（4）、弹簧（9）和热床下支板（3）与防松螺母（10）相连；所述防松螺母（10）与热床下支板（3）固定相连；所述弹簧（9）为压簧，在热床上支板（4）和热床下支板（3）间有一定的预紧力；所述的卡盘精密螺栓（13）的盘面高度高于热床上平板（5）以使上卡件（14）可以接触到；卡盘精密螺栓（13）的卡盘沿直径外侧设有花纹，用于增加摩擦力；相应地，上卡件（14）侧面设有花纹或附加橡胶粘弹性材料层；当上卡件（14）与卡盘精密螺栓（13）做相对平动时，通过两者的摩擦可以将相对平动转化为卡盘精密螺栓（13）的旋转运动，从而对热床进行调平。

6.根据权利要求1或2所述的三维打印机喷头与热床距离自动置零及调平***，其特征在于：采用三个或更多个所述的应变传感器（16），分别设置在热床支板导杆（8）或热床上平板（5）的四个角附近；采用两个或多个下卡件旋进装置（2）用于热床调平。