基于3D打印机的喷头针尖校准方法和低温打印平台与流程

本发明涉及3d打印
技术领域：
，更具体地，涉及基于3d打印机的喷头针尖校准方法和低温打印平台。
背景技术：
：从打印成型原理分析，3d打印是一种通多特定喷头将材料或能量以挤出、喷射或发射的形式按照预定的轨迹传递到一个成型平台上，通过逐层累积最终获得三维模型的过程。对于挤出式3d打印设备，为了实现更高效的打印操作，提高设备的自动化水平和准确度时必然发展趋势，在常见的生物3d打印设备上，针尖自动校准是衡量设备性能的重要指标，配备针尖校准功能的设备可以满足打印中不同喷头之间相互切换时确保针尖位置可控以及更换针头后重新标定针尖位置，可以有效减少人工介入操作，提高打印精确度。但在一般针尖校准时，为了提高校准结果的精确度，往往需要喷头缓缓的触碰传感器以获取位置参数，但由于初始校准行程较长，往往会导致校准过程耗时较多，从而影响打印效率。除了具备针尖校准效率问题外，在首次喷头加载材料后，由于预挤压打印过程不可控还经常导致喷头进入模型轨迹运动后针尖无材料挤出的问题发生。技术实现要素：本发明为克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于3d打印机的喷头针尖校准方法和低温打印平台，该方法可以实现更快速、更高效的喷头针尖校准。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种基于3d打印机的喷头针尖校准方法，具体包括如下步骤：s01：快速定位阶段，控制器驱动喷头针尖以速度v2靠近位置传感器，使针尖带动位置传感器的校准平面产生回缩位移l2，控制器根据回缩位移l2计算针尖与位置传感器的校准平面的初始校准高度h；s02：返回二次校准高度阶段，控制器驱动喷头针尖以速度v3反方向运动l2+l3的距离,其中h>l3>0，此时针尖已脱离位置传感器的校准平面并达到第二次校准高度；s03：慢速校准阶段，控制器驱动针尖以速度v4向校准平面运动，所述的v2>v4，使针尖带动位置传感器的校准平面产生回缩位移l4，校准过程完成。使用位置传感器进行位置校准的原理是：针尖保持竖直并慢慢靠近位置传感器的校准平面，当针尖接触位置传感器的校准平面并使校准平面产生一定位移时，位置传感器立刻输出与该位移量等价的电信号，通过采集该位置传感器发出的电信号并进行运算处理后既可以转换为针尖此刻所处的位置。在常规喷头针尖位置校准系统中，校准开始前针尖所处的位置一般远离校准平面且空间位置不可知，校准开始时针尖以一定的速度向校准平面运动并使得校准平面产生信号反馈。在该过程中，由于针尖初始位置不可知，很难评估针尖向校准平面运动的速度，若为了缩短校准时间，则需要加大该速度，但追求速度势必降低校准精度；若为了提高校准精度，则需要降低该速度，但在针尖与校准面较远的距离时降低速度必然会大大延长针尖校准的时间，降低打印效率。为了缩短校准时间同时提高校准精度，本方案提供了上述3d打印机的喷头针尖校准方法，校准时，针尖以较快速度v2向位置传感器的校准平面运动，与校准平面接触后推动校准平面在位置传感器的额定行程中运动直至位置传感器有位置信号反馈输出，控制器根据位置信号初步计算针尖相对于位置传感器的校准平面的初始校准高度h，即针尖的基本位置，然后控制器驱动针尖保持较高速度v3反向抬高l2+l3(h>l3>0)，使得针尖脱离校准平面至第二次校准针尖高度，此时针尖虽然已经脱离校准平面，但是离校准平面的位置非常接近且可控，这时控制器驱动针尖以较慢速度v4再次向位置传感器的校准平面运动直至位置传感器输出精确的位置信号，由于在本方案中传感器运动机构的校准平面与低温打印平台的成型平面处于同一水平面内或者保持定量已知的相对水平高度差，因此，控制器可以在获得针尖精确的位置信号后通过反向运动针尖以确定针尖与低温打印平台成型平面处于合适的打印距离。可见，本申请中采用两次触碰式的针尖校准的方法更能保证校准精度并缩短校准时间。优选地，所述位置传感器的接触力范围为1n～5n，优选地，位置传感器的接触力范围为1n～3n。优选地，本方案中的3d打印机z轴方向的成型尺寸为5mm～500mm，更优选地，3d打印机z轴方向的成型尺寸为10mm～200mm。由于本方案可以进行快速定位，因此，针对z轴方向的成型尺寸在几十甚至几百毫米范围内的3d打印机，采用本申请中两次触碰式的针尖校准的方法更能保证校准精度并缩短校准时间。优选地，所述位置传感器的有效操作速度范围为50～200mm/min。具体地，所述l2、l4最大值为位置传感器的额定行程，所述v3≥v2，所述v4为位置传感器的有效操作速度。优选的，其中，lmax为位置传感器的额定行程，f为位置传感器的接触力，m为喷头和针尖的质量。满足该条件的v2可保证不发生针尖运动过快损坏传感器的情况。优选的，位置传感器接触力为1n，所述的喷头运动部件重量为5kg，l2的极限值为5mm,校准初始时针尖距离位置传感器的校准平面的实际初始距离χ≥6.650mm。优选的，位置传感器接触力为1.5n，所述的喷头运动部件重量为5kg，l2的极限值为5mm,校准初始时针尖距离位置传感器的校准平面的实际初始距离χ≥6.188mm。优选的，位置传感器接触力为2.5n，所述的喷头运动部件重量为5kg，l2的极限值为5mm,校准初始时针尖距离位置传感器的校准平面的实际初始距离χ≥5.995mm。优选的，位置传感器接触力为3n，所述的喷头运动部件重量为5kg，l2的极限值为5mm,校准初始时针尖距离位置传感器的校准平面的实际初始距离χ≥5.910mm。在步骤s01开始前，可以调整位置传感器的校准平面与低温打印区域成型平面处于同一水平面或某一已知距离。这样的调整能够确保校准后，针尖相对于低温打印区域的距离准确。本发明还提供一种3d打印机的低温打印平台，其能够实现在打印前对喷头针尖的校准过程，具体包括低温打印区域和设于所述低温打印区域一侧的位置传感器，所述的位置传感器包括传感器运动机构和传感器通讯接口，所述传感器运动机构的表面为位置传感器的校准平面，所述位置传感器通过传感器通讯接口向控制器反馈位置参数。进一步的，所述的低温打印平台包括微调平台，所述的微调平台能够调整低温打印区域成型平面与位置传感器的校准平面的距离。微调平台主要在对针尖位置校准前，先保障低温打印区域与位置传感器的校准平面在同一平面或者距离已知，才能保障校验后的针尖位置继续保持准确。具体的，微调平台可以是自动的，也可以是手动的。进一步的，微调平台包括微动平台移动机构、锁定旋钮和微调旋钮，所述的位置传感器与所述的微动平台移动机构固定，所述的锁定旋钮能够锁紧微动平台移动机构的现有高度，微调旋钮能够在锁定旋钮松开的状态下对微动平台移动机构的高度进行调节。从而，通过手动调节微调旋钮和锁定旋钮的方式实现对位置传感器位置的移动。进一步的，该低温打印平台还包括落料检测模块和落料收纳模块，所述落料检测模块用于检测是否有材料挤出，所述的落料收纳模块设置在落料检测模块的下方用于收纳滴落的材料。优选的，所述落料检测模块包括光学传感器，落料收纳模块设置在落料检测模块光学传感器的下方并能够收纳滴落的落料。完成预挤操作的喷头接受控制器的指令停止材料挤出，但由于材料粘性等原因会使得部分已挤出的材料积聚在喷嘴针尖周围，形成挂涎现象，挂涎严重时会导致材料整团滴落，破坏模型结构。因此需要对预挤操作完成后的喷嘴针尖擦拭去除多余材料。进一步的，所述的落料收纳模块包括收纳盒主体、磁吸和收纳盒卡槽，所述的收纳盒主体位于发射端和接收端的下方位置，收纳盒卡槽能够对收纳盒主体的位置限定，磁吸位于收纳盒卡槽内并能够将收纳盒主体吸引固定在收纳盒卡槽内。收纳盒卡槽优选的设置在机台上，磁吸可以仅仅设置在收纳盒卡槽内，也可以既设置在收纳盒卡槽内又设置在对应位置的收纳盒主体上，从而能够实现方便收纳盒主体的固定与拆卸。进一步的，该低温打印平台还包括针尖擦拭区，所述的擦拭区包括毛刷，所述的喷头针尖能够在针尖擦拭区做往复运动，使得喷头针尖多余材料被清理。进一步的，所述的毛刷与收纳盒主体固定或二者为一个整体。这样的设计当收纳盒中落料渐满时就可以抽出收纳盒更换收纳盒或清理落料。与现有技术相比，有益效果是：(1)喷头针尖校准过程中，分两次以快慢两种速度触碰位置传感器，在首次触碰时针尖离位置传感器较远，以较快速度触碰可以有效缩短校准时间，第二次碰触时，针尖离传感器较近，以较慢速度触碰时可以为位置传感器预留更多的反应时间从而提高了针尖校准准确性；(2)位置传感器的校准平面与低温打印平台的成型平面的相对水平位置可以调节，当进行打印平台水平度调节操作后，可以通过调节微动旋钮保证位置传感器的校准平面与低温打印平台的成型平面保持在同一水平面或相差一已知距离；(3)喷头落料检测模块可以在打印开始前帮助检测喷头料筒中的材料是否已经到达针尖位置，通过落料检测功能可以有效提高喷头挤材料动作与喷头运动轨迹协调性，避免喷头进入模型轨迹运动后针尖无材料挤出现象；(4)通过设置落料收纳盒，可以保证落料检测时回收被挤出的材料，避免材料污损打印平台和落料检测系统的传感器；采用磁吸固定落料收纳盒的形式既可以稳定固定又可以快速拆除，大大提高了效率；(5)通过设置针尖擦拭功能区，对落料检测后的针尖擦拭，避免了针尖的挂涎现象，降低了针头堵塞的可能性同时避免了挂涎材料在打印过程中发生积聚滴落造成模型破坏。附图说明图1是本发明实施例中两次触碰式针尖校准流程图。图2是本发明实施例中常规单次触碰式针尖校准流程图。图3是本发明实施例中常规单次触碰式针尖校准原理图。图4是本发明实施例中两次触碰式针尖校准原理图。图5是本发明实施例中两种针尖校准方法的校准时间走线图。图6是本发明实施例中3d打印机的低温打印平台的立体图。图7是本发明实施例中针尖校准模块以及落料检测模块的示意图。图8是本发明实施例中落料收纳盒结构示意图。图9是本发明实施例中具有两级流道的低温打印平台结构爆炸图。图10是本发明实施例中低温打印平台中热板两级流道结构示意图。图中：低温打印区域1，平台基板1001，热板密封盖1002，进水口1003、出水口1005，平台热板1004，半导体制冷片组1006，低温板1007，温度传感器安装孔1008，一级流道1009，二级流道1010；微调平台2，微调旋钮21，锁定旋钮22，微动平台移动机构23，位置传感器3，校准平面3001，传感器通讯接口3002，落料收纳模块4，收纳盒主体41，磁吸42，收纳盒卡槽43，针尖擦拭区5，落料检测模块6，发射端601，接收端602，固定支架603。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。实施例一：如图1-5，使用a传感器分别用常规的一次触碰式和本申请的两次触碰式进行喷头针尖位置校准，设定校准初始时针尖距离位置传感器的校准平面的实际初始距离为χ，a传感器的技术参数如表1所示：额定行程5mm可重复性1um有效操作速度操作速度50～200mm/min触点寿命300万次保护结构ip67接触力1.5n接触部位材料超硬合金表1使用常规的一次触碰进行喷头针尖位置校准的流程如图2所示，校准原理如图3所示，针尖以速度v1触碰到位置传感器1校准平面后伴随其运动直至停止的距离为l1(l1≤5㎜)，则采用一次触碰式进行喷头针尖校准所耗时间为τ＝(χ+l1)/v1；采用本申请中两次触碰式进行喷头针尖校准的过程如图1所示，以速度v2向位置传感器1的校准平面运动，所以针尖触碰位置传感器1的校准平面后伴随其运动直至停止的距离为l2(l2≤5㎜)，此时控制器驱动针尖以速度v3反向运动抬高l2+l3的距离以保证针尖脱离校准平面。此时针尖达到第二次校准高度，然后控制器驱动针尖以速度v4向位置传感器1的校准平面运动，碰触校准平面后伴随其运动直至停止的距离为l4(l2≤5㎜)，则采用两次触碰式进行喷头针尖校准所耗时间为t＝(χ+l2)/v2+(l2+l3)/v3+(l3+l4)/v4。当采用两次触碰式校准时，第一次触碰的目的是使3d打印机的控制器获得针尖相对于位置传感器的校准平面的初始校准高度h，即针尖基本位置，而不考虑位置的精确度，因而可以在第一次触碰时选择较大的运动速度v2。我们在以v2速度碰触校准平面时要保证针尖可以在位置传感器的额定行程内停止，由表1可知位置传感器接触力f及额定行程lmax，设定针尖以及喷头运动部件重量m，则由牛顿第二定律f＝m×a、针尖加速度与触碰速度关系0-v22＝2al以及l≤lmax，可得代入a传感器接触力f为1.5n，额定行程lmax为5mm，选取针尖以及喷头运动部件重量m为5kg，由上式计算可得v2最大值为55㎜/s，即为保证不发生针尖过冲损坏传感器，针尖运动的极限速度不超过55mm/s。本实施例中，为保证不发生针尖过冲损坏传感器，保险起见我们取v2为50mm/s。同时依据表1给出的保证校准精度的有效操作速度50～200mm/min，即v1和v4的最小有效操作速度为50mm/min，最大有效操作速度为200mm/min，本实施例中，为提高校准效率，选取v1＝v4＝200mm/min。另外，为提高校准效率，本实施例中，选取v3＝v2＝50mm/s。在传感器的额定行程内选取l1＝l2＝l4＝5㎜，为保证反向抬起时针尖完全脱离校准平面，选取l3大于零，本实施例中，选取l3为5㎜。将对应参数分别代入校准所耗时间公式τ＝(χ+l1)/v1及t＝(χ+l2)/v2+(l2+l3)/v3+(l3+l4)/v4，绘制两种校准模式在保证校准精度的前提下实际初始距离χ与校准所耗时间τ以及实际初始距离χ与校准所耗时间t的曲线图，参见图5。如图5所示，两种校准模式的校准所耗时间相交于m点，m点对应的实际初始距离为xm＝6.188，当实际初始距离χ>6.188时，t小于τ即当χ超过6.188mm时，采用两次触碰式校准相较于常规的一次触碰式校准可以有效地缩短针尖校准时间，提高校准效率且不影响校准精度。由于3d打印机的z方向成型尺寸一般为几十甚至几百毫米，远远超过6.188mm，因此，采用两次触碰式针尖校准的方法更能保证校准精度并缩短校准时间。优选地，本实施例中的3d打印机z轴方向的成型尺寸为5mm～500mm，更优选地，3d打印机z轴方向的成型尺寸为10mm～200mm。进一步地，在上述计算时我们以v3＝v2代入计算并做了图5曲线，而事实上，当v3>v2值时会减小校准所耗时间t表达式的常数项数值，因而最终所得χ会小于6.188mm，即当采用两次触碰式针尖校准时，基于a传感器的参数，在v3≥v2范围内，随着v3数值的不断递增，χ值会逐渐线性递减,也就是说，存在一个v3的值可以使得当χ>0时，采用两次触碰式校准的校准时间便优于常规的一次触碰式校准的校准时间，换句话说，v3足够快得情况下可以保证，无论针尖的实际初始位置χ为何值，采用两次触碰式校准的校准时间必定优于一次触碰式校准的校准时间。实施例二：使用b传感器分别用常规的一次触碰式和本申请的两次触碰式进行喷头针尖位置校准，设定校准初始时针尖距离位置传感器的校准平面的实际初始距离为χ，b传感器的技术参数如表2所示：表2本实施例采用的校验原理与实施例一相同，我们代入计算可知v2的极限速度为70.7mm/s，同样约定v3≥v2范围且取v2＝v3＝70mm/s代入计算，可得xm＝5.995mm，即当实际初始距离χ>5.995mm时，采用两次触碰式校准相较于常规的一次触碰式校准可以有效地缩短针尖校准时间，提高校准效率且不影响校准精度。同理，在v3≥v2范围内，随着v3值的不断递增，χ值会逐渐线性递减。实施例三：使用c传感器分别用常规的一次触碰式和本申请的两次触碰式进行喷头针尖位置校准，设定校准初始时针尖距离位置传感器的校准平面的实际初始距离为χ，c传感器的技术参数如表3所示：额定行程5mm可重复性0.5um有效操作速度50～200mm/min触点寿命300万次保护结构ip67接触力3n接触部位材料超硬合金表3本实施例采用的校验原理与实施例一、二相同，我们代入计算可知v2的极限速度为77.5mm/s，同样约定v3≥v2范围且取v2＝v3＝77mm/s代入计算，可得xm＝5.910mm，即当实际初始距离χ>5.910mm时，采用两次触碰式校准相较于常规的一次触碰式校准可以有效地缩短针尖校准时间，提高校准效率且不影响校准精度。同理，在v3≥v2范围内，随着v3值的不断递增，χ值会逐渐线性递减。实施例四：使用d传感器分别用常规的一次触碰式和本申请的两次触碰式进行喷头针尖位置校准，设定校准初始时针尖距离位置传感器的校准平面的实际初始距离为χ，d传感器的技术参数如表4所示：额定行程5mm可重复性1um有效操作速度50～200mm/min触点寿命300万次保护结构ip67接触力1n接触部位材料超硬合金表4本实施例采用的校验原理与实施例一、二和三相同，我们代入计算可知v2的极限速度为44.7mm/s，同样约定v3≥v2范围且取v2＝v3＝44mm/s代入计算，可得xm＝6.650mm，即当χ超过6.650mm时，采用两次触碰式校准相较于常规的一次触碰式校准可以有效地缩短针尖校准时间，提高校准效率且不影响校准精度。同理，在v3≥v2范围内，随着v3值的不断递增，χ值会逐渐线性递减。根据实施例一至四可知，当χ>xm时，采用两次触碰式校准相较于常规的一次触碰式校准可以有效地缩短针尖校准时间，且在一定的有效操作速度范围内，位置传感器的接触力f越大，则极限速度v2越大且xm的值越小，即实际初始距离χ的范围越大。这意味着，随着位置传感器接触力f的增加，采用两次触碰式校准相较于常规的一次触碰式校准缩短针尖校准时间的效果越明显。实施例五：图6所示为本实施例中3d打印机的低温打印平台的立体图，该低温打印平台能够实现在打印前实现对喷头针尖的校准过程，包括平台基板1001、位于平台基板1001上的低温打印区域1，所述位置传感器3位于低温打印区域一侧，位置传感器3包括传感器运动机构3001和传感器通讯接口3002，所述传感器运动机构3001的表面为位置传感器3的校准平面，所述低温打印区域1的表面即为低温打印平台的成型平面。所述传感器运动机构3001可沿针尖运动方向做伸缩运动，当受到针尖挤压时，可向下运动以带动校准平面向下运动，所述传感器运动机构3001的下方内可设置弹性元件，以使针尖反向运动后，传感器运动机构3001能够在弹簧作用下带动校准平面恢复原位置。所述传感器运动机构3001的表面与低温打印区域1成型平面位于同一水平面或相距一已知距离，所述位置传感器3通过传感器通讯接口3002向控制器反馈位置参数。控制器能够根据位置传感器3反馈的信号控制针尖的运动。具体地，当针尖接触位置传感器的校准平面并使校准平面产生一定位移时，位置传感器立刻输出与该位移量等价的电信号，控制器根据该位置传感器发出的电信号进行运算处理后既可以转换为针尖此刻所处的位置。实施例六：本实施例其他部分与实施例五相同，进一步的，如图7所示，该低温打印平台包括设于平台基板1001上的微调平台2，微调平台2能够调整低温打印区域1与位置传感器3校准平面的距离。具体的，微调平台2包括微动平台移动机构23、锁定旋钮22和微调旋钮21，位置传感器3与微动平台移动机构23固定，锁定旋钮22能够锁紧微动平台移动机构23的现有高度，微调旋钮21能够在锁定旋钮22松开的状态下对微动平台移动机构23的高度进行调节。采用上述装置测量针尖位置时，是基于位置传感器3的校准平面与低温打印区域1成型平面处于同一水平面或距离已知。然而实际运行时，由于打印平台的装配或者调平操作，位置传感器3的校准平面与低温打印区域1成型平面可能会存在距离变动，本实施例中，通过手动旋转微调旋钮21，利用弹簧的弹力在一定范围内对微动平台移动机构23的高度进行调节从而带动固定于微动平台移动机构23上的位置传感器3移动，当调节位置传感器3与低温打印区域1的成型平面处于同一水平面内时，通过锁紧锁定旋钮22就可以维持目前的位置，从而确保针尖与位置传感器3的校准平面的距离就代表打印开始时针尖与低温打印平台成型平面的距离。实施例七：本实施例的其他部分与实施例五、六相同，如图7-8所示，该低温打印平台还包括落料检测模块6，落料检测模块6包括光学传感器，光学传感器包括发射端601和接收端602，发射端601与接收端602之间能够形成光路，控制器能够根据光路的断路信号判断是否有打印材料挤出。该低温打印平台还可以包括落料收纳模块4，落料收纳模块4设置在落料检测模块6光学传感器的下方并能够收纳滴落的落料。落料收纳模块4包括收纳盒主体41、磁吸42和收纳盒卡槽43，收纳盒主体41位于发射端601和接收端602的下方位置，收纳盒卡槽43能够对收纳盒主体41的位置限定，磁吸42位于收纳盒卡槽内43并能够将收纳盒主体41吸引固定在收纳盒卡槽43内。该低温打印平台还可以还包括针尖擦拭区5，所述针尖擦拭区5包括毛刷，喷头针尖能够在针尖擦拭区5做往复运动，使得喷头针尖多余材料被清理。当完成落料检测后的喷头会在运动平台的驱动下连同针头一起向针尖擦拭区5运动并在此区域做往复运动直至针尖擦拭完毕，毛刷与收纳盒主体41固定。毛刷需选择软硬度和密集度恰当的毛刷。本发明的一个实施例中，所述位置传感器3、落料检测模块6、落料收纳模块4和针尖擦拭区5均位于低温打印区域1的同一侧，以方便针尖校准完成后进行落料检测和针尖多余材料的清理。实施例八：如图9-10所示为本实施例中低温打印区域1的结构图，所述低温打印区域1的具体结构包括低温板1007以及位于低温板1007侧面的温度传感器安装孔1008，低温板1007底面与半导体制冷片组1006的默认冷端贴合并涂抹导热硅脂，制冷片组1006的热端与平台热板1004贴合并涂抹导热硅脂。平台热板1004包括一级流道结构1009和二级流道结构1010，一级流道1009用以束缚冷却液按照一定的流向均匀的流经所有制冷片的热端区域，二级流道1010位于一级流道内，起到增加热接触面积和防止产生热交换死角的作用。在一级流道1009始末端分别开有平台热板1004的进水口1003和出水口1005，用以保证冷却液在流道中循环。低温打印区域1工作时平台热板1004中冷却液的会循环带走半导体热端产生的热量，为了防止冷却液的热量传递给平台基板1001以及对流道进行密封，在平台热板1004的下部利用热板密封盖1002进行密封和绝热，本例中，低温板1007和平台热板1004优先选用金属材质，热板密封盖1002优选采用绝热性能较好的塑料材质。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。当前第1页12