托盘式极坐标回转曲面3D打印装置的制作方法

本实用新型属于增材制造技术领域，具体涉及一种托盘式极坐标回转曲面3D打印装置。

背景技术：

快速成型(RP)是一种创新技术，它可以在几个小时内利用三维CAD设计的图形通过快速成型机直接生产出复杂零件。其基本原理就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。目前市面上打印所使用的材料多为工程塑料，呈固态线状缠绕在料盘上，具体打印过程是将这些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。近年来所开发的快速成型机，虽然成型方法不同，但机身框架结构和机械传动部分的原理大体是相同的。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-Z 3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和Y向的移动而实现截面加工。

但是直角坐标式的快速成型机在打印例如矫形器，薄壁回转件等曲面结构时，存在根本上的缺点。由于对于截面的打印轨迹是由XY两个方向的运动叠加而成，就造成在打印圆弧，曲面结构的曲面和一些特殊曲线时，需要借助计算机进行不断的差补运算并利用极小的线段来取代圆弧曲线的近似方法，换句话说所得零件的轮廓并不是真实的轮廓。虽然运算量越大线段等分越多可以使轮廓更接近真实值，但这样对快速成型机的精度要求非常高，并不能从根本上解决这个问题。尤其在加工薄壁回转体零件时，由于加工工件的轮廓是近似出来的，而加工截面内外圆直径相差很小，导致工件失真非常严重。直角坐标式快速成型机无法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。理论上来说，平面内任意一点直角坐标系和极坐标系下都可以表示，但在极坐标系下对于圆弧和曲线的表示有其独特的优势。例如对于阿基米德螺旋线，在极坐标系下的表示为ρ＝a+bθ，可是在直角坐标系下却是复杂的二元二次方程组，不仅加大计算机运算量还无法保证打印精度。

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，但现有的托盘式极坐标回转曲面3D打印装置存在一定缺陷，即因为旋转轴的存在，无法实现在工作平台上的全覆盖打印，旋转轴所在圆柱体空间是不能进行打印的，所以开发托盘式极坐标回转曲面3D打印装置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，而提供一种托盘式极坐标回转曲面3D打印装置。本实用新型主要利用可按极坐标方式360°旋转的托盘，可在竖直方向上下移动的由X轴光杆构成的横梁和喷头，从而构成R-θ-Z”成型运动机构，其中R为移动轴的极径，θ为托盘旋转角度，可使喷头运动到托盘上的任意位置。Z轴运动机构带动喷头做上下运动。当对一层打印完成后，控制Z轴电机运动，使喷头向上运动一个层片厚度的距离，控制挤出机在托盘上进行打印。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种托盘式极坐标回转曲面3D打印装置，其特征在于，所述打印装置包括：立板、侧板、可按极坐标方式360°旋转的托盘、可在竖直方向上下移动的由水平放置的X轴光杆构成的横梁和喷头，所述侧板竖直且垂直放置在所述立板的两侧，和所述立板构成稳定的主体框架；所述托盘设置在所述立板的底端，所述托盘的底端设有控制盒，所述托盘和所述控制盒构成旋转工作平台；所述立板的顶端设有线材挤出装置。

进一步地，所述打印装置还包括设置于所述立板底部的Z轴电机、竖直放置的Z轴丝杠和Z轴光杆，所述Z轴丝杠的一端与所述Z轴电机的输出端相连，所述横梁两端与所述Z轴丝杠的丝杠螺母相连且与所述Z轴光杆通过直线轴承相连。

进一步地，所述打印装置还包括设置于所述控制盒和所述托盘之间的Y轴电机和调平平台，所述Y轴电机的输出端通过齿轮与所述调平平台的输入端相连，所述调平平台与所述托盘通过螺杆弹簧结构相连。

进一步地，由X轴光杆构成的所述横梁上还包括X轴电机，同步带和喷头支撑滑块，所述X轴电机设置于所述横梁的一端，所述喷头支撑滑块通过直线轴承与所述X轴光杆相连，所述同步带的两端连接在所述喷头支撑滑块上且分别缠绕在所述X轴电机的输出端和所述横梁另一端的轴承上。

进一步地，所述侧板为相对设置的三角形侧板，所述侧板之间设有线盘支架。

较现有技术相比，本实用新型将根据极坐标系的特点，托盘式极坐标回转曲面3D打印装置本身需要具有一个旋转轴和两个移动轴，将工作平台改为托盘进行旋转，构成“R-θ-Z”成型运动机构。其中R为移动轴的极径，θ为托盘旋转角度，可使喷头运动到托盘上的任意位置。Z轴运动机构带动喷头做上下运动。当对一层打印完成后，控制Z轴电机运动，使喷头向上运动一个层片厚度的距离，控制挤出机在托盘上进行打印。

本实用新型的有益效果体现在：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。在同等结构的大小下，打印空间得到大大的提升。预计打印空间在以300mm为直径的底圆高为500mm的圆柱体立体空间，并在条件允许的情况下，可以通过增大立板和三角形侧板的高度和尺寸以及托盘的圆周尺寸可以加大打印面积，有升级的空间。托盘下面有调平平台，可以手动调整托盘的平整度，保证了打印精度。

基于上述理由本实用新型根据该快速成型机结构设计特点，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等。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型所述一种托盘式极坐标回转曲面3D打印装置的结构示意图；

图2为图1的横梁部分局部示意图；

图3为图1的旋转工作平台局部示意图：

图中：1.控制盒；2.Z轴电机；3.Z轴光杆；4.Z轴丝杠；5.喷头；6.X轴电机；7.立板；8.喷头支撑滑块；9.线材挤出装置；10.侧板；11.线盘支架；12.X轴光杆；13.同步带；14.托盘；15.Y轴电机；16.调平平台。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种托盘式极坐标回转曲面3D打印装置，本系统属于结构简单的四轴联动装置，所述打印装置包括：竖直放置的立板7、竖直且垂直于所述立板7两侧放置的三角形的侧板10，立板7和侧板10构成主体框架，三角形的侧板10利用了三角形稳定性原理，在节省材料的同时保证了整个快速成型机打印时的稳定性；所述立板7的顶端设有线材挤出装置9，线材挤出装置9设置于立板7顶端，可以减少整个喷头部位的重量，将影响打印精度的可能降到最低；所述侧板10之间设有线盘支架11，充分利用剩余空间，避免额外提供放置线盘的装置。

还包括设置于所述立板7底部的Z轴电机2、竖直放置的Z轴丝杠4和Z轴光杆3，所述Z轴丝杠4的一端与所述Z轴电机2的输出端相连，所述横梁两端与所述Z轴丝杠4的丝杠螺母相连且与所述Z轴光杆3通过直线轴 承相连；可在所述立板7竖直方向上下移动的由水平放置的X轴光杆12构成的横梁，所述横梁上设有喷头5。

如图2所示，由X轴光杆12构成的所述横梁上还包括X轴电机6，同步带13和喷头支撑滑块8，所述X轴电机6设置于所述横梁的一端，所述喷头支撑滑块8通过直线轴承与所述X轴光杆12相连，所述同步带13的两端连接在所述喷头支撑滑块8上且分别缠绕在所述X轴电机6的输出端和所述横梁另一端的轴承上；还包括由一设置于所述立板7底端的可按极坐标方式360°旋转的托盘14和一设置于所述托盘14底端的控制盒1构成的旋转工作平台，如图3所示，所述控制盒1和所述托盘14之间还设有Y轴电机15和调平平台16，所述Y轴电机15的输出端通过齿轮与所述调平平台16的输入端相连，所述调平平台16与所述托盘14通过螺杆弹簧结构相连，调平平台16与托盘14之间通过简单的旋转螺母达到调整托盘14平整度，方便快捷，提高打印精度，所述托盘14可根据实际操作的需要设置为可加热式，上述的立板7和侧板10以及托盘14的尺寸大小可根据打印需求进行重新改造。

喷头5具体运动方式：根据极坐标系的方式，在Z轴电机2带动下，由X轴光杆12构成的横梁随Z轴电机2的丝杠螺母在Z轴光杆3上上下运动，实现喷头5在不同层高的打印。在X轴电机6的带动下，通过同步带13，喷头支撑滑块8在X轴光杆12上发生径向运动，从而使喷头5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Y轴电机15的带动下，通过齿轮传动，带动调平平台16和托盘14在平面内发生0°-360°的转动，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。

本实用新型的整个打印装置的设计明确，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实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的范围。