一種三自由度三維打印機以及控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三自由度三維打印機以及控制方法，屬于機械工具技術領域。
【背景技術】
[0002] 三維打印技術是快速成型制造技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運 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打印在平臺上，循環(huán)往 復，直到生成整個成型件。其工藝工程是先利用三維造型軟件創(chuàng)建三維實體造型，再將設計 出的實體造型通過快速成型設備的處理軟件進行"分區(qū)"成逐層的截面切片，然后將處理過 的數(shù)據(jù)輸入設備進行制造，最后還需要進行一定的后處理以得到最終的成品。國內開發(fā)的 三維立體打印快速成型設備一般設置可升降的工作臺，噴嘴活動連接在工作臺上，根據(jù)需 要控制噴嘴的運動，噴嘴的位置調整比較復雜，一般通過步進電機牽引同步帶，同步帶拉動 絲杠轉動來帶動噴嘴移動，這種開環(huán)控制加上機構間隙等因素，并不能使噴嘴位置具有較 高精度，采用的送絲機構結構也比較復雜，無法有效送絲，不能滿足三維打印的要求。針對 目前現(xiàn)有技術中存在的上述缺陷，實有必要進行研究，解決現(xiàn)有技術中存在的缺陷。

【發(fā)明內容】

[0003] 為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單、打印精度高三自由度三 維打印機，解決現(xiàn)有技術的三自由度三維打印機送料裝置機構復雜，不能準確有效送絲問 題，無法滿足高精度的三維打印要求。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為：
[0005] -種三自由度三維打印機，包括送料裝置，所述送料裝置包括繞線盤、送絲機構、 固定軸，繞線盤活動連接在固定軸上，耗材絲一端纏繞在繞線盤上，另一端與送絲機構相連 接，送絲機構包括壓線盒、送料輪、壓線機構、電機，壓線盒設置有凹槽，用以放置送料輪和 壓線機構，壓線盒一端與電機相連接，電機軸穿過壓線盒與送料輪固定連接。壓線盒設置有 不規(guī)則凹槽，根據(jù)壓線機構的形狀設置凹槽的形狀，這樣凹槽能夠有效固定壓線機構和送 料輪。
[0006] 進一步地，所述壓線機構為月牙形中間位置安裝有軸承，壓線機構安裝在壓線盒 凹槽內與送料輪保持一定的間隔空隙，使得耗材絲穿過并且對耗材絲形成一定的擠壓摩擦 力，當送料輪旋轉時，送料輪在壓線機構的配合下，帶動耗材絲往一個方向運動。壓線機構 通過螺栓安裝在壓線盒凹槽內，壓線機構并不完全固定，能夠相對移動，用于調整壓線機構 與送料輪的間隙。
[0007] 進一步地，所述壓線盒靠近所述壓線機構的一端面開有螺栓孔，并安裝有彈簧，彈 簧一端在壓線盒內與壓線機構相接觸，另一端在壓線盒側面的螺栓孔內并處于壓縮狀態(tài)， 壓線盒裝配有調節(jié)螺母、圓墊片，調節(jié)螺母從壓線盒的螺栓孔內旋進推動圓墊片，圓墊片壓 縮彈簧，進而彈簧被壓縮產(chǎn)生彈性力推動壓線機構移動，進行實現(xiàn)調節(jié)壓線機構的目的。
[0008] 進一步地，所述送料輪設置有緊定螺釘，通過擰緊緊定螺釘能夠使得電機軸與送 料輪同步旋轉。
[0009] 進一步地，所述送料輪設置有齒結構，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 設置帶齒結構并且中間設置有淺凹槽，使得耗材絲能夠在淺凹槽中穿過，防止耗材絲滑動。
[0010] 進一步地，在壓線盒靠近送料輪一端設置有輔助豁口，方便調節(jié)緊定螺釘。
[0011] 進一步地，還包括機械臂裝置，機械臂裝置設置有控制機構，控制機構包括控制芯 片和顯示屏，控制芯片根據(jù)需要打印的位置信息，控制三個電機旋轉，進而實現(xiàn)調整末端執(zhí) 行器位姿的目的。利用機械臂控制三自由度三維打印機的噴嘴能夠實現(xiàn)三維空間快速準確 定位，并且其結構緊湊能夠放置在狹窄的空間內。優(yōu)選地，機械臂裝置為三自由度機械臂。
[0012] 進一步地，還包括打印執(zhí)行裝置，打印執(zhí)行裝置包括連接架、加熱機構、散熱機構、 金屬散熱管，連接架通過螺釘固定在末端執(zhí)行器上，同時與加熱機構固定連接，機械臂裝置 帶動連接架進行運動。所述末端執(zhí)行器中間位置設置有通孔，金屬散熱管一端連接有保護 軟管并穿過末端執(zhí)行器的通孔，另一端通過連接螺柱固定在加熱機構上。所述連接螺柱為 中空外螺紋結構，一端通過螺紋配合連接金屬散熱管另一端通過螺紋配合連接噴嘴。
[0013] 一種三自由度三維打印機的控制方法，包括以下步驟：
[0014] 第10步，采集輪廓離散點信息包括X、Y、X坐標信息，輸入到控制芯片；
[0015] 第20步，控制芯片對打印輪廓利用NURBS曲線進行描述；
[0016] 第30步，由于三維打印過程，噴嘴需要勻速運動，利用NURBS曲線理論知識，求出對 應的下一插補點參數(shù)u值，計算公式如下所示：
[0018] Ts是采樣周期，V噴嘴的運動速度，m為上一插補點的參數(shù)值，X'（u)為NURBS曲線X 坐標的一階導數(shù)，Y'（u)為NURBS曲線Y坐標的一階導數(shù)，Z'（u)為NURBS曲線Z坐標的一階導 數(shù)，X"（u)為NURBS曲線X坐標的二階導數(shù)，Y"（u)為NURBS曲線Y坐標的二階導數(shù)，Z"（u)為 NURBS曲線Z坐標的二階導數(shù)；
[0019] 第40步，根據(jù)計算出的參數(shù)u，計算下一插補點坐標，即控制芯片控制打印機噴嘴 需要運動到坐標位置，插補點c坐標計算公式如下：
[0021]其中：Pk+i為控制點、wk+i為權重因子、Ni-ρ,ρ為基函數(shù)；
[0022]第50步，根據(jù)NURBS曲線插補算法，得到插補點坐標，控制芯片根據(jù)每個采樣周期 內的插補點坐標計算出需要對每個電機的發(fā)送脈沖數(shù)，控制電機旋轉，實現(xiàn)三維打印機噴 嘴的移動。
[0023] 進一步地，第20步，包括以下步驟：
[0024] 第201步，控制芯片確定節(jié)點向量，已知m+p+1個控制點 .，P為所構造的基 函數(shù)次數(shù)，根據(jù)控制點之間的距離遠近，計算出合適的節(jié)點向量值u，
[0025]先計算控制點之間距離山，公式為：
[0027] 其中X謙示控制點匕的橫軸坐標，y謙示控制點匕的縱軸坐標；
[0028] 哈德利一賈德方法遞推公式進行變形，變形后公式為：
[0030]其中m表示第i個節(jié)點，進而可得節(jié)點向量U遞推公式為：
[0032]為了使得控制點首末端點和通過點的首末端點相重合，一般節(jié)點向量首末節(jié)點都 取P+1重，求出的節(jié)點向量形式為：
[0034]第202步，控制芯片根據(jù)節(jié)點向量計算樣條基函數(shù)，利用遞推公式求基函數(shù):給定 參數(shù)U軸一個剖分：，用下列遞推方式確定的基函數(shù)稱為相應于U的P次，即P+1階B 樣條基函數(shù)：
[0037] m稱為節(jié)點，N^U)的雙下標中第一下標i表示序號，第二個下標ρ表示次數(shù)，u為 樣條參數(shù)變量；
[0038] 第203步，進而可得第k段NURBS曲線Pk(u )，表達式為：
[0040] uE [uk+p，Uk+P+i]，k = 1，2· · .m+1
[0041] 其中：pk+i為控制點、wk+i為權重因子、Ni-p,p為基函數(shù)；
[0042] 第204步，反算控制點，由于控制點比輪廓離散點多2個，假設控制點與輪廓離散點 的始末端點重合，這樣未知量就減少2個，就可以直接利用關系矩陣反算出控制點；
[0043]第205步，計算NURBS曲線的導矢:一階導數(shù)，二階導數(shù)。
[0044] 與現(xiàn)有技術相比，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構的摩擦力實現(xiàn)耗材絲的輸送，結構簡單，可靠性高； 本發(fā)明的壓線盒設置有不規(guī)則凹槽，根據(jù)壓線機構的形狀設置凹槽的形狀，這樣凹槽能夠 有效固定壓線機構和送料輪。
[0046]本發(fā)明利用機械臂控制三自由度三維打印機的噴嘴能夠實現(xiàn)三維空間快速準確 定位，并且其結構緊湊能夠放置在狹窄的空間內。
[0047]本發(fā)明結構較為簡單，可靠性高，在已有的控制算法下，具有較高的位置精度。
【附圖說明】
[0048]圖1為本發(fā)明具體實施例的三自由度三維打印機裝配圖；
[0049]圖2為本發(fā)明具體實施例的三自由度三維打印機爆炸視圖；
[0050]圖3為本發(fā)明具體實施例的三自由度三維