一種三自由度三維打印機(jī)以及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三自由度三維打印機(jī)以及控制方法，屬于機(jī)械工具技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 三維打印技術(shù)是快速成型制造技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn) 用粉末狀金屬或者塑料等可粘合材料，將一定厚度的材料逐層反復(fù)打印在平臺(tái)上，循環(huán)往 復(fù)，直到生成整個(gè)成型件。其工藝工程是先利用三維造型軟件創(chuàng)建三維實(shí)體造型，再將設(shè)計(jì) 出的實(shí)體造型通過(guò)快速成型設(shè)備的處理軟件進(jìn)行"分區(qū)"成逐層的截面切片，然后將處理過(guò) 的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備進(jìn)行制造，最后還需要進(jìn)行一定的后處理以得到最終的成品。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的 三維立體打印快速成型設(shè)備一般設(shè)置可升降的工作臺(tái)，噴嘴活動(dòng)連接在工作臺(tái)上，根據(jù)需 要控制噴嘴的運(yùn)動(dòng)，噴嘴的位置調(diào)整比較復(fù)雜，一般通過(guò)步進(jìn)電機(jī)牽引同步帶，同步帶拉動(dòng) 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)噴嘴移動(dòng)，這種開(kāi)環(huán)控制加上機(jī)構(gòu)間隙等因素，并不能使噴嘴位置具有較 高精度，采用的送絲機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，無(wú)法有效送絲，不能滿足三維打印的要求。針對(duì) 目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實(shí)有必要進(jìn)行研究，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、打印精度高三自由度三 維打印機(jī)，解決現(xiàn)有技術(shù)的三自由度三維打印機(jī)送料裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不能準(zhǔn)確有效送絲問(wèn) 題，無(wú)法滿足高精度的三維打印要求。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0005] -種三自由度三維打印機(jī)，包括送料裝置，所述送料裝置包括繞線盤(pán)、送絲機(jī)構(gòu)、 固定軸，繞線盤(pán)活動(dòng)連接在固定軸上，耗材絲一端纏繞在繞線盤(pán)上，另一端與送絲機(jī)構(gòu)相連 接，送絲機(jī)構(gòu)包括壓線盒、送料輪、壓線機(jī)構(gòu)、電機(jī)，壓線盒設(shè)置有凹槽，用以放置送料輪和 壓線機(jī)構(gòu)，壓線盒一端與電機(jī)相連接，電機(jī)軸穿過(guò)壓線盒與送料輪固定連接。壓線盒設(shè)置有 不規(guī)則凹槽，根據(jù)壓線機(jī)構(gòu)的形狀設(shè)置凹槽的形狀，這樣凹槽能夠有效固定壓線機(jī)構(gòu)和送 料輪。
[0006] 進(jìn)一步地，所述壓線機(jī)構(gòu)為月牙形中間位置安裝有軸承，壓線機(jī)構(gòu)安裝在壓線盒 凹槽內(nèi)與送料輪保持一定的間隔空隙，使得耗材絲穿過(guò)并且對(duì)耗材絲形成一定的擠壓摩擦 力，當(dāng)送料輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，送料輪在壓線機(jī)構(gòu)的配合下，帶動(dòng)耗材絲往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。壓線機(jī)構(gòu) 通過(guò)螺栓安裝在壓線盒凹槽內(nèi)，壓線機(jī)構(gòu)并不完全固定，能夠相對(duì)移動(dòng)，用于調(diào)整壓線機(jī)構(gòu) 與送料輪的間隙。
[0007] 進(jìn)一步地，所述壓線盒靠近所述壓線機(jī)構(gòu)的一端面開(kāi)有螺栓孔，并安裝有彈簧，彈 簧一端在壓線盒內(nèi)與壓線機(jī)構(gòu)相接觸，另一端在壓線盒側(cè)面的螺栓孔內(nèi)并處于壓縮狀態(tài)， 壓線盒裝配有調(diào)節(jié)螺母、圓墊片，調(diào)節(jié)螺母從壓線盒的螺栓孔內(nèi)旋進(jìn)推動(dòng)圓墊片，圓墊片壓 縮彈簧，進(jìn)而彈簧被壓縮產(chǎn)生彈性力推動(dòng)壓線機(jī)構(gòu)移動(dòng)，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)壓線機(jī)構(gòu)的目的。
[0008] 進(jìn)一步地，所述送料輪設(shè)置有緊定螺釘，通過(guò)擰緊緊定螺釘能夠使得電機(jī)軸與送 料輪同步旋轉(zhuǎn)。
[0009] 進(jìn)一步地，所述送料輪設(shè)置有齒結(jié)構(gòu)，且齒輪的中間有淺凹槽，使得耗材絲容易定 位。由于送料輪是圓柱形，耗材絲一般也是圓柱形，二者之間的摩擦力比較小，因此送料輪 設(shè)置帶齒結(jié)構(gòu)并且中間設(shè)置有淺凹槽，使得耗材絲能夠在淺凹槽中穿過(guò)，防止耗材絲滑動(dòng)。
[0010] 進(jìn)一步地，在壓線盒靠近送料輪一端設(shè)置有輔助豁口，方便調(diào)節(jié)緊定螺釘。
[0011] 進(jìn)一步地，還包括機(jī)械臂裝置，機(jī)械臂裝置設(shè)置有控制機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)包括控制芯 片和顯示屏，控制芯片根據(jù)需要打印的位置信息，控制三個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)整末端執(zhí) 行器位姿的目的。利用機(jī)械臂控制三自由度三維打印機(jī)的噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間快速準(zhǔn)確 定位，并且其結(jié)構(gòu)緊湊能夠放置在狹窄的空間內(nèi)。優(yōu)選地，機(jī)械臂裝置為三自由度機(jī)械臂。
[0012] 進(jìn)一步地，還包括打印執(zhí)行裝置，打印執(zhí)行裝置包括連接架、加熱機(jī)構(gòu)、散熱機(jī)構(gòu)、 金屬散熱管，連接架通過(guò)螺釘固定在末端執(zhí)行器上，同時(shí)與加熱機(jī)構(gòu)固定連接，機(jī)械臂裝置 帶動(dòng)連接架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。所述末端執(zhí)行器中間位置設(shè)置有通孔，金屬散熱管一端連接有保護(hù) 軟管并穿過(guò)末端執(zhí)行器的通孔，另一端通過(guò)連接螺柱固定在加熱機(jī)構(gòu)上。所述連接螺柱為 中空外螺紋結(jié)構(gòu)，一端通過(guò)螺紋配合連接金屬散熱管另一端通過(guò)螺紋配合連接噴嘴。
[0013] 一種三自由度三維打印機(jī)的控制方法，包括以下步驟：
[0014] 第10步，采集輪廓離散點(diǎn)信息包括X、Y、X坐標(biāo)信息，輸入到控制芯片；
[0015] 第20步，控制芯片對(duì)打印輪廓利用NURBS曲線進(jìn)行描述；
[0016] 第30步，由于三維打印過(guò)程，噴嘴需要?jiǎng)蛩龠\(yùn)動(dòng)，利用NURBS曲線理論知識(shí)，求出對(duì) 應(yīng)的下一插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)u值，計(jì)算公式如下所示：
[0018] Ts是采樣周期，V噴嘴的運(yùn)動(dòng)速度，m為上一插補(bǔ)點(diǎn)的參數(shù)值，X'（u)為NURBS曲線X 坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)，Y'（u)為NURBS曲線Y坐標(biāo)的一階導(dǎo)數(shù)，Z'（u)為NURBS曲線Z坐標(biāo)的一階導(dǎo) 數(shù)，X"（u)為NURBS曲線X坐標(biāo)的二階導(dǎo)數(shù)，Y"（u)為NURBS曲線Y坐標(biāo)的二階導(dǎo)數(shù)，Z"（u)為 NURBS曲線Z坐標(biāo)的二階導(dǎo)數(shù)；
[0019] 第40步，根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)u，計(jì)算下一插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，即控制芯片控制打印機(jī)噴嘴 需要運(yùn)動(dòng)到坐標(biāo)位置，插補(bǔ)點(diǎn)c坐標(biāo)計(jì)算公式如下：
[0021]其中：Pk+i為控制點(diǎn)、wk+i為權(quán)重因子、Ni-ρ,ρ為基函數(shù)；
[0022]第50步，根據(jù)NURBS曲線插補(bǔ)算法，得到插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，控制芯片根據(jù)每個(gè)采樣周期 內(nèi)的插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出需要對(duì)每個(gè)電機(jī)的發(fā)送脈沖數(shù)，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)三維打印機(jī)噴 嘴的移動(dòng)。
[0023] 進(jìn)一步地，第20步，包括以下步驟：
[0024] 第201步，控制芯片確定節(jié)點(diǎn)向量，已知m+p+1個(gè)控制點(diǎn) .，P為所構(gòu)造的基 函數(shù)次數(shù)，根據(jù)控制點(diǎn)之間的距離遠(yuǎn)近，計(jì)算出合適的節(jié)點(diǎn)向量值u，
[0025]先計(jì)算控制點(diǎn)之間距離山，公式為：
[0027] 其中X謙示控制點(diǎn)匕的橫軸坐標(biāo)，y謙示控制點(diǎn)匕的縱軸坐標(biāo)；
[0028] 哈德利一賈德方法遞推公式進(jìn)行變形，變形后公式為：
[0030]其中m表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而可得節(jié)點(diǎn)向量U遞推公式為：
[0032]為了使得控制點(diǎn)首末端點(diǎn)和通過(guò)點(diǎn)的首末端點(diǎn)相重合，一般節(jié)點(diǎn)向量首末節(jié)點(diǎn)都 取P+1重，求出的節(jié)點(diǎn)向量形式為：
[0034]第202步，控制芯片根據(jù)節(jié)點(diǎn)向量計(jì)算樣條基函數(shù)，利用遞推公式求基函數(shù):給定 參數(shù)U軸一個(gè)剖分：，用下列遞推方式確定的基函數(shù)稱為相應(yīng)于U的P次，即P+1階B 樣條基函數(shù)：
[0037] m稱為節(jié)點(diǎn)，N^U)的雙下標(biāo)中第一下標(biāo)i表示序號(hào)，第二個(gè)下標(biāo)ρ表示次數(shù)，u為 樣條參數(shù)變量；
[0038] 第203步，進(jìn)而可得第k段NURBS曲線Pk(u )，表達(dá)式為：
[0040] uE [uk+p，Uk+P+i]，k = 1，2· · .m+1
[0041] 其中：pk+i為控制點(diǎn)、wk+i為權(quán)重因子、Ni-p,p為基函數(shù)；
[0042] 第204步，反算控制點(diǎn)，由于控制點(diǎn)比輪廓離散點(diǎn)多2個(gè)，假設(shè)控制點(diǎn)與輪廓離散點(diǎn) 的始末端點(diǎn)重合，這樣未知量就減少2個(gè)，就可以直接利用關(guān)系矩陣反算出控制點(diǎn)；
[0043]第205步，計(jì)算NURBS曲線的導(dǎo)矢:一階導(dǎo)數(shù)，二階導(dǎo)數(shù)。
[0044] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0045] 本發(fā)明利用送料輪與壓線機(jī)構(gòu)的摩擦力實(shí)現(xiàn)耗材絲的輸送，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高； 本發(fā)明的壓線盒設(shè)置有不規(guī)則凹槽，根據(jù)壓線機(jī)構(gòu)的形狀設(shè)置凹槽的形狀，這樣凹槽能夠 有效固定壓線機(jī)構(gòu)和送料輪。
[0046]本發(fā)明利用機(jī)械臂控制三自由度三維打印機(jī)的噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間快速準(zhǔn)確 定位，并且其結(jié)構(gòu)緊湊能夠放置在狹窄的空間內(nèi)。
[0047]本發(fā)明結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可靠性高，在已有的控制算法下，具有較高的位置精度。
【附圖說(shuō)明】
[0048]圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例的三自由度三維打印機(jī)裝配圖；
[0049]圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例的三自由度三維打印機(jī)爆炸視圖；
[0050]圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例的三自由度三維