技术领域本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种悬臂式极坐标复杂曲面板材快速成型系统。
背景技术：
3D打印技术，即快速成型技术(RapidManufacturing，简称RM)，是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术(增材制造)。目前市面上打印所使用的材料多为工程塑料，具体打印过程是将固态的打印材料通过喷嘴处加热变成熔融状态，在电脑的控制下将这些熔融的打印材料一层层叠加起来，最终将构建的模型变成实物。现在市面上普遍出现的是基于直角坐标式的快速成型机，其运动由X-Y-Z3个方向3个坐标实现。Z方向实现零件的层面转换，依次加工零件各层。而在平面直角坐标下喷头的X向和Y向的移动而实现截面加工。生产实践中很多产品是曲面结构例如矫形器，薄壁回转件等。直角坐标式的快速成型机在打印这些曲面结构时，需要借助计算机进行不断的差补运算，当所打印的曲面或曲线较复杂时，计算机进行的计算量非常大，而且用该方法加工的圆弧，非圆二次曲线的表面只是近似值，而非理论值。例如在打印一个圆柱形产品时，利用直角坐标式的快速成型机在每层截面上的打印轨迹并不是真实的圆，而是用极小的直线段取代圆弧的多边形。由于加工曲面结构的轮廓是近似出来的，而当加工截面内外圆直径相差很小时，就会导致曲面结构失真非常严重。现有的普通的直角坐标式快速成型机不能满足曲面结构的表面质量。极坐标系是指在平面内由极点、极轴和极径组成的坐标系。在平面上取定一点O，称为极点。从O出发引一条射线OX，称为极轴。再取定一个长度单位，通常规定角度取逆时针方向为正。这样，平面上任一点P的位置就可以用线段OP的长度ρ以及从OX到OP的角度θ来确定，有序数对(ρ，θ)就称为P点的极坐标，记为P(ρ，θ)；ρ称为P点的极径，θ称为P点的极角。理论上平面内任一点直角坐标系和极坐标系都可以进行表示，但极坐标系在表示圆和一些曲线时有其特有的优势。比如半径为10的圆在直角坐标系下的表示方法为X2+Y2＝100，而在极坐标系下的表示则为ρ＝10。用极坐标表示减少了对变量的控制，也大大减小了计算机的工作量，并且所得截面圆的轨迹为真实的圆。因此，对于极坐标式快速打印机而言，因其在极坐标系下，对于曲线和圆弧的轮廓打印都是一次完成的，大大提高了表面质量，并且加快了打印速度，所以设计悬臂式极坐标复杂曲面板材快速成型系统对于曲面结构零件至关重要。
技术实现要素：
根据上述提出的现有快速打印机在打印圆弧、曲线等方面遇到的工作平台无法全覆盖打印等技术问题，而提供一种悬臂式极坐标复杂曲面板材快速成型系统。本发明主要利用极坐标系的特点，设计可按360°旋转的喷头以及可以上下移动的工作平台，从而构成“R-θ-Z”成型运动机构，其中R为移动轴的极径，θ为旋转轴旋转角度，可使喷头运动到加工平台上的任意位置。Z轴运动机构带动加工平台做上下运动，当对一层打印完成后，控制Z轴电机运动，使工作平台向下运动一个层片厚度的距离，控制挤出机在其上进行打印。本发明采用的技术手段如下：一种悬臂式极坐标复杂曲面板材快速成型系统，其特征在于，所述快速成型系统包括：由一水平放置的底板、水平放置的顶板和竖直放置的立柱构成的主体框架；一设置于所述顶板下端的可按极坐标方式360°旋转的喷头和设置于所述顶板上端面的控制盒；一设置在所述顶板和所述底板之间上下移动的工作平台。进一步地，所述快速成型系统还包括竖直设置的Z轴光杆、设置在所述底板上的Z轴电机以及竖直设置的Z轴丝杠，所述Z轴光杆设置于所述顶板和所述底板之间，所述Z轴丝杠的一端与所述Z轴电机的输出端相连，所述工作平台与所述Z轴丝杠的丝杠螺母相连且与Z轴光杆通过直线轴承相连。进一步地，所述快速成型系统还包括水平设置的悬臂、Y轴电机和旋转轴，所述Y轴电机设置于所述顶板上端面，所述悬臂通过旋转轴设置于所述顶板下端，所述Y轴电机的输出端通过齿轮与所述旋转轴的输入端相连。进一步地，所述悬臂上设置有X轴电机、水平设置的同步带、水平设置的X轴光杆和悬臂支撑件，所述X轴电机设置于悬臂支撑件上，所述悬臂支撑件通过螺杆与所述旋转轴相连，所述喷头设置于所述悬臂的前端，所述X轴电机的输出端与所述同步带相连，所述同步带的前后端分别与所述悬臂的前后端相连，所述X轴光杆通过直线轴承与所述悬臂支撑件相连。本发明的有益效果体现在：按照极坐标系的方式，对于曲面结构的打印轨迹是真实的圆弧，控制电机运转的参数只有所得截面位置的径向长度和旋转角度，在控制系统的设计上较为简单。在相同结构大小的情况下，打印空间得到大大的提升。预计打印空间为外径400mm、内径100mm的圆环截面，高度为400mm的立体空间，在条件允许的情况下，可以通过增大立柱的高度和悬臂的长度来加大打印面积，有升级的空间。基于上述理由本发明根据该结构设计特点，可以应用于医疗康复器械的制造上，例如打印高度较高的脊椎矫形器和腿部矫形器。还可以应用于装饰品制造上，例如打印特殊不规则薄壁回转体装饰品。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明悬臂式极坐标复杂曲面板材快速成型系统的结构示意图。图2为图1的局部示意图。图中：1.Z轴电机；2.底板；3.立柱；4.Z轴丝杠；5.工作平台；6.Z轴光杆；7.顶板；8.Y轴电机；9.旋转轴；10.控制台；11.喷头；12.同步带；13.X轴光杆；14.悬臂支撑件；15.X轴电机；16.悬臂。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，一种悬臂式极坐标复杂曲面板材快速成型系统，属于结构简单的四轴联动装置，所述快速成型系统包括：水平放置的底板2、水平放置的顶板7和竖直放置的立柱3，所述立柱3支撑固定于所述底板2和所述顶板7的四个角构成主体框架；所述顶板7下端设置有可按极坐标方式360°旋转的喷头11和设置于所述顶板7上端面的控制盒10；所述顶板7和所述底板2之间设有上下移动的工作平台5。还包括竖直设置的Z轴光杆6、设置在所述底板2上的Z轴电机1(图示中为提高工作平台5的稳定性，使用两组电机)以及竖直设置的Z轴丝杠4，所述Z轴光杆6设置于所述顶板7和所述底板2之间，所述Z轴丝杠4的一端与所述Z轴电机1的输出端相连，所述工作平台5与所述Z轴丝杠4的丝杠螺母相连且与Z轴光杆6通过直线轴承相连。如图2所示，所述快速成型系统还包括水平设置的悬臂16、Y轴电机8和旋转轴9，所述Y轴电机8设置于所述顶板7上端面，所述悬臂16通过旋转轴9设置于所述顶板7下端，所述Y轴电机8的输出端通过齿轮与所述旋转轴9的输入端相连，所述旋转轴9设计成中空的结构，里面设置有滑环，从而可以很好的解决所述喷头11在旋转的同时不会受到缠线的干扰；所述喷头11上可以设置线材挤出装置，包括小风扇和挤出机电机，所述旋转轴9的长度适合，可以在所述悬臂16与所述顶板7之间设置料盘，以上结构可以根据后期需要进行升级改造。所述悬臂16上设置有X轴电机15、水平设置的同步带12、水平设置的X轴光杆13和悬臂支撑件14，所述X轴电机15设置于悬臂支撑件14上，所述悬臂支撑件14通过螺杆与所述旋转轴9相连，所述喷头11设置于所述悬臂16的前端，所述X轴电机15的输出端与所述同步带12相连，所述同步带12的前后端分别与所述悬臂16的前后端相连，所述X轴光杆13通过直线轴承与所述悬臂支撑件14相连。喷头11具体运动方式：根据极坐标系的方式，所述喷头11设置于悬臂16的前端，同步带12的两端分别与悬臂16的前端和后端相连，在所述Z轴电机1带动下，所述工作平台5随所述Z轴电机1的丝杠螺母在所述Z轴光杆6上上下运动，实现所述工作平台5在不同层高的打印；在所述X轴电机15的驱动下，通过所述同步带12在水平方向径向运动，带动构成所述悬臂16的所述X轴光杆13可以在所述悬臂支撑件14内自由径向运动，使所述悬臂16在径向上的打印长度发生改变，从而实现平面内的直线打印；在所述Y轴电机8的驱动下，通过齿轮传动，带动所述旋转轴9和所述悬臂16在平面内发生0°-360°的转动，实现喷头11在水平面内360°自由旋转，从而实现极角的改变。控制方面：在平面内任意一点极坐标系和直角坐标系都有自己的表示方式，极坐标系和直角坐标系之间也存在转化关系。直角坐标系内的点用有序数对(X,Y)表示，极坐标系内的点用有序数对(ρ,θ)表示，以上两种表示方法存在以下关系:X＝ρcosθ，Y＝ρsinθ。所以在已有的直角坐标系控制系统的基础上做一些有关电机运转参数方面的修改，便可得到极坐标系下的控制系统。该套控制系统作为固件通过电脑写入快速成型机的控制器中，将构建好的实体模型通过切片软件转换成能被控制器识别的语言G-code，在控制器的控制下指示快速成型机进行打印。本发明的整个快速成型系统的设计明确，结构简单，外观易于接受，具有很好的稳定性和可复制性。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。