CN111169002A - 一种打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台 - Google Patents

一种打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台。包括调位机构、旋转平台和底座，底座下方安装的伺服电机Ⅰ输出轴通过联轴器与安装于旋转平台底部的支撑轴相连；旋转平台上方通过两个L型支座安装有调位机构，调位机构包括旋转框架、打印平台、角度旋转输出装置，旋转框架其中两侧分别与两个L型支座顶部铰接相连且两侧铰接端分别连接有伺服电机Ⅱ和挡块；打印平台两侧分别与旋转框架另两侧铰接相连且两侧铰接端分别连接有伺服电机Ⅱ和挡块。本发明增加了三维打印承载台的灵活性，可以以更高的精度完成回转曲面的加工，并且可以动态选择最优打印方向，改善了打印工艺和打印件的阶梯效应，有效地提高了增材制造强度和精度。

Description

一种打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台
技术领域
本发明属于三维打印设备领域，具体涉及一种打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台。
背景技术
三维打印技术，是20世纪80年代中后期发展起来的快速成型技术的深化和发展，以数字模型文件为基础，通过逐层打印材料的方式来制造物体。
随着科学技术的发展和社会进步，三维打印的技术越来越多，其中包括：选择性激光烧结、熔融沉积成型、立体平版印刷、分层实体制造等。
当前的三维打印装置主要以三轴为主，采用的打印方法是对数字模型文件在高度方向上按照给定层厚进行分层，对于每一层的模型根据面片求取近似轮廓，利用打印装置x，y方向平动实现轮廓以及内部支撑的打印。在打印曲线边界时，由于本身采用的是直线逼近的方法，尽管打印步长可以设置到很小，但是仍然是与原设计模型存在一定的误差。由于设置了初始位置之后不能更改，在高度方向上会出现一定厚度的“阶梯效应”，在打印复杂三维结构时需要打印支撑来保持打印部件的稳定，造成了材料的浪费。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明公开了一种打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台，多轴旋转式摆线逼近的3D打印装置可以在打印过程中对打印承载台进行三轴旋转，解决了拉伸方向不是最佳所造成的阶梯效应，同时可以通过旋转的方式打印曲线边界提高了制造精度。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台
包括调位机构、旋转平台和底座，底座下方安装有伺服电机Ⅰ，伺服电机Ⅰ的输出轴通过联轴器与安装于旋转平台底部的支撑轴相连，旋转平台与底座之间安装有推力球轴承；旋转平台上方通过两个L型支座安装有调位机构。
所述调位机构包括旋转框架、打印平台、角度旋转输出装置，角度旋转输出装置包括第一角度旋转输出装置和第二角度旋转输出装置，每个角度旋转输出装置主要由伺服电机Ⅱ和挡块组成；旋转框架其中两侧分别与两个L型支座顶部铰接相连且两侧铰接端分别连接有第一角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ和挡块，两个L型支座底部固定于旋转平台上；打印平台位于旋转框架中间，打印平台两侧分别与旋转框架另两侧铰接相连且两侧铰接端分别连接有第二角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ和挡块。
所述伺服电机Ⅰ驱动旋转平台转动的同时带动整个调位机构水平旋转；第一角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ驱动旋转框架绕旋转框架的横向轴旋转；第二角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ驱动打印平台绕旋转框架的纵向轴旋转。
所述横向轴为两个L型支座顶部铰接端之间的连线，所述纵向轴为打印平台两侧铰接端之间的连线，且横向轴与纵向横向轴正相交。
所述打印平台设置有加热装置和陀螺仪，陀螺仪用于检测打印平台的偏转情况。
还包括与伺服电机Ⅰ、伺服电机Ⅱ和陀螺仪相连的控制单元，控制单元包括处理器和存储器及控制程序。
二、采用上述打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台的打印方法，其特征在于，包括以下分类：
平面边界曲线打印：根据三维模型中边界曲线的圆心位置和弧长确定打印头起始打印位置和旋转平台的旋转角度，控制单元控制打印头沿单方向直线运动的同时控制旋转平台沿水平方向旋转，从而完成三维模型边界曲线的打印；
平面内部填充打印：利用阿基米德螺旋线对三维模型的内部结构进行等距填充打印，控制单元控制打印头从打印平台中心位置沿单方向匀速平动的同时控制旋转平台沿水平方向匀速旋转，以阿基米德螺旋线的打印填充方式完成三维模型的内部结构的内部结构填充；
变方向打印：将打印模型根据设定阈值K分割为M块打印件，针对每一块打印件，通过计算打印件的所有面片法向角度的加权平均得到当前打印件的最优拉伸方向，控制单元通过控制伺服电机Ⅱ使打印平台旋转至最优拉伸方向，在旋转后的打印平台上打印，从而完成变方向打印。
所述变方向打印中的拉伸方向为打印过程中的打印件的成型方向。
本发明具有的有益效果是：
本发明增加了3D打印的精度，可以直接用摆线逼近曲线边界，相对于传统直线逼近曲线的打印方法具有更高的精度；在打印内部填充时，可以使旋转和移动平稳进行，提高走线速度；能够动态改变打印方向，减少许多可以节省的支撑打印，节约材料，减少了阶梯效应提高了打印体的精度和结构强度。
本发明增加了三维打印承载台的灵活性，可以以更高的精度完成回转曲面的加工，并且可以动态选择最优打印方向，改善了打印工艺和打印件的阶梯效应，有效地提高了增材制造强度和精度，可以广泛运用于快速成型领域。
附图说明
图1是本发明的总装配体线框图正视图。
图2是本发明的总装配体线框图俯视图。
图3是图1中底层旋转平台的三维线框图。
图4是图1中调位机构三维线框图。
图5是内部填充的阿基米德螺旋打印方法。
图6是变方向打印方法。
图中：1.伺服电机Ⅰ，2.底座，3.推力球轴承，4.旋转平台，5.L型支座，6.伺服电机Ⅱ，7.旋转平台，8.挡块，10.固定轴、11.旋转框架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明：
如图1和图3所示，本发明包括调位机构、旋转平台4和底座2，底座2下方安装有伺服电机Ⅰ1，伺服电机1的输出轴通过联轴器与安装于旋转平台4底部的支撑轴相连，旋转平台4与底座之间安装有推力球轴承3；旋转平台4上方通过两个L型支座安装有调位机构。
如图2和图4所示，调位机构包括旋转框架11、打印平台、角度旋转输出装置，角度旋转输出装置包括第一角度旋转输出装置和第二角度旋转输出装置，每个角度旋转输出装置主要由伺服电机Ⅱ6和挡块8组成；旋转框架11其中两侧分别与两个L型支座顶部铰接相连且两侧铰接端分别连接有第一角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ6和挡块8，两个L型支座底部固定于旋转平台4上；打印平台7位于旋转框架11中间，打印平台7两侧分别与旋转框架11另两侧铰接相连且两侧铰接端分别连接有第二角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ6和挡块8。
打印平台7设置有加热装置和陀螺仪，陀螺仪用于检测打印平台7的偏转情况。
伺服电机Ⅰ1驱动旋转平台4转动的同时带动整个调位机构水平旋转；第一角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ6驱动旋转框架11绕旋转框架11的横向轴旋转；第二角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ6驱动打印平台7绕旋转框架11的纵向轴旋转。所述横向轴为两个L型支座顶部铰接端之间的连线，所述纵向轴为打印平台7两侧铰接端之间的连线，且横向轴与纵向横向轴正相交。
本发明还包括与伺服电机Ⅰ1、伺服电机Ⅱ6和陀螺仪相连的控制单元，控制单元包括处理器和存储器及控制程序。
具体实施方式：
平面边界曲线打印步骤：根据曲线边界曲形结构位置信息，控制底部旋转平台进行旋转的同时通过控制打印喷头横向移动，以在打印承载台上打印出三维模型的曲线边界。
平面内部填充打印步骤：利用阿基米德螺旋线对内部结构进行等距填充，填充时转台匀速转动及喷头匀速平动，通过控制喷头开闭完全内部区域填充。
变方向打印的打印步骤：如图6所示，通过调位机构将需要打印平面调整至与打印方向垂直，在已打印部分基础上变方向打印。利用计算机对打印模型在高度方向进行分析，确定出每一个高度下最适合的拉伸方向，利用调位机构进行打印平台的旋转，从而减少打印支撑的需求，加强表面质量，提高打印精度。
本发明的工作原理如下：旋转平台通过底座固定于地面或者桌面之上，通过伺服电机带动旋转平台轴沿Z轴转动，利用推力球轴承进行支撑。通过螺栓将调位机构与旋转平台固定在一起，保证在运动过程中不会出现晃动的情况。调位机构通过两个伺服电机Ⅱ带动两个正交方向的转动。
如图5所示，本发明进行3D打印时：对于边界曲线打印，首先利用控制单元对模型进行处理，对于其中的曲线部分，利用计算机计算出每一段摆线的圆心位置，联合沿单方向直线运动的打印头和旋转装置对每一段摆线进行打印，这样可以直接打印出曲线边界而并非是通过小的直线段拟合而成的曲线边界。对于内部填充，可直接采用阿基米德螺线联合直线运动的喷头和旋转装置进行匀速打印，有效加快了内部填充的打印效率。对于变方向打印，将打印模型根据设定阈值K分割为M块打印件，针对每一块打印件，通过计算打印件的所有面片法向角度的加权平均得到当前打印件的最优拉伸方向，控制单元通过控制伺服电机Ⅱ6使打印平台7旋转至最优拉伸方向，在旋转后的打印平台7上打印，从而完成变方向打印。

Claims (7)

1.一种打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台，其特征在于，包括调位机构、旋转平台4)和底座(2)，底座(2)下方安装有伺服电机Ⅰ(1)，伺服电机Ⅰ(1)的输出轴通过联轴器与安装于旋转平台(4)底部的支撑轴相连，旋转平台(4)与底座之间安装有推力球轴承(3)；旋转平台(4)上方通过两个L型支座安装有调位机构；
所述调位机构包括旋转框架(11)、打印平台、角度旋转输出装置，角度旋转输出装置包括第一角度旋转输出装置和第二角度旋转输出装置，每个角度旋转输出装置主要由伺服电机Ⅱ(6)和挡块(8)组成；旋转框架(11)其中两侧分别与两个L型支座顶部铰接相连且两侧铰接端分别连接有第一角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ(6)和挡块(8)，两个L型支座底部固定于旋转平台(4)上；打印平台(7)位于旋转框架(11)中间，打印平台(7)两侧分别与旋转框架(11)另两侧铰接相连且两侧铰接端分别连接有第二角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ(6)和挡块(8)。
2.根据权利要求1所述的打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台，其特征在于，所述伺服电机Ⅰ(1)驱动旋转平台(4)转动的同时带动整个调位机构水平旋转；第一角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ(6)驱动旋转框架(11)绕旋转框架(11)的横向轴旋转；第二角度旋转输出装置的伺服电机Ⅱ(6)驱动打印平台(7)绕旋转框架(11)的纵向轴旋转。
3.根据权利要求1所述的打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台，其特征在于，所述横向轴为两个L型支座顶部铰接端之间的连线，所述纵向轴为打印平台(7)两侧铰接端之间的连线，且横向轴与纵向横向轴正相交。
4.根据权利要求1所述的打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台，其特征在于，所述打印平台(7)设置有陀螺仪，陀螺仪用于检测打印平台(7)的偏转情况。
5.根据权利要求4所述的打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台，其特征在于，还包括与伺服电机Ⅰ(1)、伺服电机Ⅱ(6)和陀螺仪相连的控制单元。
6.采用权利要求1～5任一所述的打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台的打印方法，其特征在于，包括以下分类：
平面边界曲线打印：根据三维模型中边界曲线的圆心位置和弧长确定打印头起始打印位置和旋转平台(4)的旋转角度，控制单元控制打印头沿单方向直线运动的同时控制旋转平台(4)沿水平方向旋转，从而完成三维模型边界曲线的打印；
平面内部填充打印：利用阿基米德螺旋线对三维模型的内部结构进行等距填充打印，控制单元控制打印头从打印平台(7)中心位置沿单方向匀速平动的同时控制旋转平台(4)沿水平方向匀速旋转，以阿基米德螺旋线的打印填充方式完成三维模型的内部结构的内部结构填充；
变方向打印：将打印模型根据设定阈值K分割为M块打印件，针对每一块打印件，通过计算打印件的所有面片法向角度的加权平均得到当前打印件的最优拉伸方向，控制单元通过控制伺服电机Ⅱ(6)使打印平台(7)旋转至最优拉伸方向，在旋转后的打印平台(7)上打印，从而完成变方向打印。
7.根据权利要求6所述的打印平面可变的旋转式摆线逼近三维打印承载台的打印方法，其特征在于，所述变方向打印中的拉伸方向为打印过程中的打印件的成型方向。
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