一种SLS金属3D打印机自动调平装置的制作方法

本发明属于金属3d打印技术和微位移驱动技术领域，具体涉及一种激光烧结式金属3d打印机的自动调平装置。

背景技术：

选区激光烧结技术(selectedlasersintering，sls)是一种材料利用率高，且价格较便宜的工艺，因此普遍应用在金属3d打印技术中。sls金属3d打印机的工艺过程是先用铺粉车铺一层粉末材料，激光束在粉层上烧结，使被照射的粉末黏结。当烧结完一层后，成型平台下降一个层厚的高度，铺粉车在成型平台上铺新的粉末材料，然后激光束再次烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作。

在sls金属3d打印的整个工艺开始前，需要对成型平台进行调平，使铺粉车能将粉末材料完全铺上。铺粉车铺粉一层的厚度为0.03mm，因此，需微调成型缸使成型平台和铺粉车刮刀间隙在0.03±0.01mm。而目前，sls金属3d打印机在使用之前的调平过程很不方便，以ep-m250为例，工作人员需通过经验不断重复调节3个顶针螺丝进行调平，不仅浪费大量时间，还无法保证调平的精度。因此，为了保证加工精度、缩短工期，需要提高一种更加简单精准的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种sls金属3d打印机自动调平装置。

本发明包括水平位移机构、竖直位移激光测距机构和微位移驱动机构。所述的水平位移机构包括横移驱动电机、底座、转轴、支撑轴、凸轮组、动力杆组、滑块和横移滑轨。所述的底座和横移滑轨均固定在sls金属3d打印机的铺粉车上。所述的滑块与横移滑轨构成滑动副。滑块上开设有安装通槽。所述的转轴支承在底座上，并由横移驱动电机驱动。所述的凸轮组包括第一凸轮、第二凸轮和第三凸轮。所述的第一凸轮、第二凸轮及第三凸轮均固定在转轴上。所述的支撑轴支承在铺粉车上。所述的动力杆组包括第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆、第四主动杆和连杆。所述的第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆及第四主动杆的内端均与转轴固定。第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆的外端与第一凸轮、第二凸轮、第三凸轮的工作轮廓分别在转轴轴线方向上对齐。第四主动杆的外端与连杆的一端铰接。连杆的另一端与滑块铰接。

所述第二凸轮的工作轮廓由n段有效圆弧段和n段无效连接段组成，1≤n≤5。n段有效圆弧段、n段无效连接段依次间隔相连成环形。n段有效圆弧段的半径不同，且轴线均与转轴轴线共线。

在第二凸轮工作轮廓中的有效圆弧段与第二主动杆的外端接触的状态下，第一凸轮与第一主动杆的外端分离，且第三凸轮与第三主动杆的外端分离。在第二凸轮工作轮廓中的有效圆弧段与第二主动杆的外端不接触的状态下，第二凸轮与第二主动杆的外端分离，第一凸轮与第一主动杆的外端接触，且第三凸轮与第三主动杆的外端接触。

所述的竖直位移激光测距机构包括壳体、冲杆、翻转驱动电机、螺旋轴、激光测距仪和翻转组件。所述的壳体与滑块上的安装通槽固定。所述的螺旋轴支承在壳体内，并由翻转驱动电机驱动。螺旋轴的圆柱面上开设有螺旋槽。所述的冲杆由一体成型的横杆、上竖杆、圆弧杆和下竖杆组成。所述横杆的内端与上竖杆的顶端连接。所述上竖杆的底端与圆弧杆的顶端连接。所述圆弧杆的底端与下竖杆的顶端连接。上竖杆及下竖杆均与壳体构成滑动副。横杆的外端支承有第一滚子。第一滚子位于螺旋轴上的螺旋槽内。圆弧杆上开设有弧形导向槽。上竖杆上开设有第一定位直槽。下竖杆上开设有第二定位直槽。弧形导向槽的顶端与第一定位槽的底端连通，底端与第二定位槽的顶端连通。

所述的翻转组件由l形翻转杆和翻转板组成。所述l形翻转杆的中部与壳体构成公共轴线水平的转动副。l形翻转杆的一端支承有第二滚子。第二滚子位于弧形导向槽内。l形翻转杆的另一端与翻转板固定。所述的激光测距仪固定在翻转板的一侧侧面。激光测距仪的检测头朝向垂直于翻转板侧面的方向。

所述的微位移驱动机构包括支撑块和三个压电陶瓷促动器。所述的支撑块设置在sls金属3d打印机内的成型缸与成型平台之间。支撑块的中部开设有三个促动器安置槽。三个促动器安置槽呈正三角形排列。三个促动器安置槽内均嵌有压电陶瓷促动器。

进一步地，所述弧形导向槽的中间弧线的形状满足如下方程：

其中，r为第二滚子的中心到l形翻转杆、壳体所成转动副公共轴线的距离；θ为随动杆与竖直方向夹角；s为弧形导向槽顶端与低端的间距，取值为2r。

进一步地，所述的水平位移机构还包括对射式光电传感器。所述的第一凸轮、第二凸轮及第三凸轮上均开设有定位孔。三个定位孔同轴设置。对射式光电传感器的发射器和接收器均固定在底座上，且分别位于凸轮组的两侧。定位孔轴线到转轴轴线的距离等于对射式光电传感器的检测头到转轴轴线的距离。

进一步地，所述的l形翻转杆由一体成型的随动杆和自转杆组成。所述随动杆的内端与自转杆的内端连接。所述自转杆的轴线与l形翻转杆、壳体所成转动副的公共轴线重合。所述随动杆的轴线与l形翻转杆、壳体所成转动副的公共轴线垂直。第二滚子支承在随动杆的外端。翻转板与自转杆固定。

进一步地，所述壳体内壁的顶部固定有测距传感器。测距传感器位于冲杆内横杆的正上方，且检测头朝向正下方。

进一步地，所述的激光测距仪采用型号为si-f10的激光位移传感器。

进一步地，所述的压电陶瓷促动器采用江苏联能电子技术有限公司生产的型号为qds10×10×30的压电驱动器。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明能够检测sls金属3d打印机内成型平台的水平度，并将sls金属3d打印机调节至水平状态。

2、本发明中的竖直位移激光测距机构能够精密测距，翻转结构能使仪器不受工作环境(金属粉尘)的影响。

3、本发明基于不破坏原有仪器的基础上设计，拆卸方便，可直接配套使用，具有较高商业价值。

4、本发明的水平位移机构，采用三凸轮-连杆-滑块组合，巧妙实现滑块的间歇性滑动。

5、本发明采用压电陶瓷完成微位移驱动，精度高。

附图说明

图1为本发明安装在sls金属3d打印机上的结构示意图；

图2为本发明中水平位移机构的立体示意图；

图3为本发明中水平位移机构的运动简图图；

图4为本发明中第二凸轮11-2的廓线示意图；

图5为本发明中竖直位移激光测距机构的结构示意图；

图6为本发明中微位移驱动机构的立体示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明安装在sls金属3d打印机上。sls金属3d打印机包括机架、水平滑轨3、铺粉车4、成型缸1和成型平台7。成型缸1及水平滑轨3均固定在机架上。铺粉车4与水平滑轨3构成滑动副。成型平台7安装在成型缸1上。固定在铺粉车4上的刮刀6位于成型平台的上方。

sls金属3d打印机工作过程如下：铺粉车4沿水平滑轨3滑动，固定在铺粉车4上的刮刀6在成型平台7上铺一层粉末材料，激光束在粉层上烧结，使被照射的粉末黏结。当烧结完一层后，成型缸1驱动成型平台7下降一个层厚的高度，铺粉车4在成型平台7上铺新的粉末材料，然后激光束再次烧结，如此循环往复，层层叠加，直至完成整个三维物体的打印工作。

如图1所示，一种sls金属3d打印机自动调平装置，包括水平位移机构2、竖直位移激光测距机构和微位移驱动机构8。

如图1、2和3所示，水平位移机构2包括横移驱动电机9、底座10、转轴、支撑轴、凸轮组11、动力杆组12、滑块13和横移滑轨14。sls金属3d打印机内的铺粉车4上开设有60mm×200mm的矩形滑槽。互相平行的两根横移滑轨14分别固定在铺粉车4上矩形滑槽的两侧。滑块13与两根横移滑轨14构成滑动副。滑块13的中部开设有直径60mm的安装通槽。底座10固定在铺粉车4上。转轴支承在底座10上。横移驱动电机9固定在底座10上。横移驱动电机9的输出轴与转轴的一端通过第一联轴器固定。凸轮组11包括第一凸轮11-1、第二凸轮11-2和第三凸轮11-3。第一凸轮11-1、第二凸轮11-2及第三凸轮11-3均固定在转轴上。支撑轴支承在铺粉车4上。动力杆组12包括第一主动杆12-1、第二主动杆12-2、第三主动杆12-3、第四主动杆12-4和连杆12-5。第一主动杆12-1、第二主动杆12-2、第三主动杆12-3及第四主动杆12-4的内端均与转轴固定。第一主动杆12-1、第二主动杆12-2、第三主动杆12-3的外端与第一凸轮11-1、第二凸轮11-2、第三凸轮11-3的工作轮廓分别在转轴轴线方向上对齐。第四主动杆12-4的外端与连杆12-5的一端铰接。连杆12-5的另一端与滑块铰接。横移驱动电机9提供驱动力，通过凸轮组→动力杆组→滑块的传动顺序完成滑块水平位移。并且，三凸轮的结构设计能够在横移驱动电机9保持匀速转动的情况下，完成使滑块的间歇性运动，从而使得滑块达到在三个指定位置各停留15s的操作要求。滑块13行程为200mm。

如图1、2、3和4所示，第二凸轮11-2的工作轮廓由三段有效圆弧段和三段无效连接段组成。三段有效圆弧段、三段无效连接段依次间隔相连成环形(无效连接段仅起到连接作用，任何状态下均不与第二主动杆12-2接触)。三段有效圆弧段的半径不同且轴线均与转轴轴线共线。

在第二凸轮11-2工作轮廓中的有效圆弧段与第二主动杆12-2的外端接触的状态下，第一凸轮11-1与第一主动杆12-1的外端分离，且第三凸轮11-3与第三主动杆12-3的外端分离。此时，由于有效圆弧段在转动中不会驱动第二主动杆12-2运动，故这一状态下滑块保持静止。有效圆弧段对应的圆心角和转轴转速决定滑块在静止时长。

在第二凸轮11-2工作轮廓中的有效圆弧段与第二主动杆12-2的外端不接触的状态下，第二凸轮11-2与第二主动杆12-2的外端分离，第一凸轮11-1与第一主动杆12-1的外端接触，且第三凸轮11-3与第三主动杆12-3的外端接触，第一凸轮11-1、第一主动杆12-1、第三凸轮11-3、第三主动杆12-3形成共轭凸轮机构。

第一凸轮11-1、第二凸轮11-2及第三凸轮11-3上均开设有定位孔。三个定位孔同轴设置。对射式光电传感器的发射器和接收器均固定在底座10上，且分别位于凸轮组11的两侧。定位孔轴线到转轴轴线的距离等于对射式光电传感器的检测头到转轴轴线的距离。凸轮组11的初始位置由定位销确定。当凸轮组11在初始位置时，对射式光电传感器发射器发出的光信号可穿过凸轮组11的定位孔到达接收器，凸轮组11每转动一周，光电传感器完成一次信号的接收。根据光电传感器接收信号的周期变化可调整电机转速。凸轮组-动力杆组-滑块机构长期使用会产生磨损，故需合理安装，定期更换各构件连接处的润滑油，清洁零件等。

如图1和5所示，竖直位移激光测距机构包括壳体15、冲杆16、翻转驱动电机17、第二联轴器18、螺旋轴19、激光测距仪20和翻转组件21。底部开放的壳体15与滑块13上的安装通槽固定。轴线垂直于成型平台顶面的螺旋轴19支承在壳体15内。翻转驱动电机17固定在壳体15内部。翻转驱动电机17的输出轴与螺旋轴19的一端通过第二联轴器18固定。螺旋轴19的圆柱面上开设有螺距确定的螺旋槽。

冲杆16由一体成型的横杆、上竖杆、圆弧杆和下竖杆组成。横杆的内端与上竖杆的顶端连接。上竖杆的底端与圆弧杆的顶端连接。圆弧杆的底端与下竖杆的顶端连接。上竖杆及下竖杆均与壳体构成沿螺旋轴19轴线方向滑动的滑动副。横杆的外端支承有第一滚子。第一滚子位于螺旋轴19上的螺旋槽内。圆弧杆上开设有弧形导向槽。上竖杆上开设有第一定位直槽。下竖杆上开设有第二定位直槽。弧形导向槽的顶端与第一定位槽的底端连通，底端与第二定位槽的顶端连通。

翻转组件21由l形翻转杆和翻转板组成。l形翻转杆的中部与壳体构成公共轴线水平的转动副。l形翻转杆由一体成型的随动杆和自转杆组成。随动杆的内端与自转杆的内端连接。自转杆的轴线与l形翻转杆、壳体所成转动副的公共轴线重合。随动杆的轴线与l形翻转杆、壳体所成转动副的公共轴线垂直。随动杆的外端支承有第二滚子。第二滚子位于弧形导向槽内。

弧形导向槽的中间弧线的形状满足如下方程：

其中，r为第二滚子的中心到l形翻转杆、壳体所成转动副公共轴线的距离，取值为15mm；θ为随动杆与竖直方向夹角(此为中间变量，两条方程联立即可约去)；s为弧形导向槽顶端与低端的间距，取值为30mm。

自转杆的外端固定有翻转板。翻转板为50mm×50mm×10mm的长方体。激光测距仪20固定在翻转板的一侧侧面的中部。激光测距仪20的检测头朝向垂直于翻转板侧面的方向。激光测距仪采用型号为si-f10的激光位移传感器，其测量范围为11.30mm到12.35mm，分辨率为0.25μm。

翻转驱动电机17驱动螺旋轴19转动，使得冲杆上下滑动，进而让第二滚子在第一定位槽、弧形导向槽和第二定位槽内滑动，带动翻转组件的转动。翻转组件能够带动激光测距仪20完成180°角的翻转，从而使得激光测距仪20能够在非工作状态下朝向上方，被收到翻转板的保护，减少金属3d打印过程中产生的大量金属粉尘对激光测距仪20的损害。第一定位槽、第二定位槽能够保证翻转板处于两个极限位置时，翻转板的侧面与成型平台保持精准的平行状态，为水平度的精准测量提供保障。由于竖直位移激光测距机构面临恶劣的工作环境(金属粉尘)，故需要定期拆卸清洗。

壳体内壁的顶部固定有测距传感器。测距传感器位于冲杆16内横杆的正上方，且检测头朝向正下方，从而检测冲杆的竖直位移量。通过记录冲杆移动一个螺旋轴19上螺旋槽螺距的时长，能够计算出翻转驱动电机17的转速，从而调整翻转驱动电机17的转速，使运动更加精确。

如图1和6所示，微位移驱动机构8包括支撑块和三个压电陶瓷促动器。支撑块设置在sls金属3d打印机内的成型缸与成型平台之间。支撑块的四个角上均开设有固定孔。四个固定孔与成型缸及成型平台固定。支撑块的中部开设有三个促动器安置槽。三个促动器安置槽呈正三角形排列。三个促动器安置槽内均嵌有压电陶瓷促动器。压电陶瓷促动器采用江苏联能电子技术有限公司生产的型号为qds10×10×30的压电驱动器，材料是pzt-554，尺寸为10mm×10mm×30mm，驱动电压为150vdc，行程28μm，可承受最大压力为4000n。

本发明的工作原理具体如下：

步骤一、sls金属3d打印机内的铺粉车移动至成型平台顶面的正上方。翻转驱动电机17正转，使得翻转板转动至激光测距仪20的检测头朝向成型平台的状态。i＝1,2,3,4，依次执行步骤二和三。

步骤二、横移驱动电机9转动一周，驱动滑块水平往复滑动。驱动滑块水平往复滑动的过程中，停顿三次。每次驱动滑块停顿时，激光测距仪20检测到的与成型平台顶面的间距，激光测距仪20三次检测到的间距分别为hi,1、hi,2、hi,3。

步骤三、铺粉车水平移动5mm。

步骤四、翻转驱动电机17反转，使得翻转板转动至激光测距仪20的检测头背离成型平台的状态。

步骤五、根据步骤二和三检测到的十二个间距值计算成型平台顶面与水平面的倾斜角大小。

步骤六、根据步骤五所得的倾斜角，三个压电陶瓷促动器运动，使得成型平台的顶面平行于水平面。