一种三自由度三维打印机以及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三自由度三维打印机以及控制方法，属于机械工具技术领域。
【背景技术】
[0002] 三维打印技术是快速成型制造技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运 用粉末状金属或者塑料等可粘合材料，将一定厚度的材料逐层反复打印在平台上，循环往 复，直到生成整个成型件。其工艺工程是先利用三维造型软件创建三维实体造型，再将设计 出的实体造型通过快速成型设备的处理软件进行"分区"成逐层的截面切片，然后将处理过 的数据输入设备进行制造，最后还需要进行一定的后处理以得到最终的成品。国内开发的 三维立体打印快速成型设备一般设置可升降的工作台，喷嘴活动连接在工作台上，根据需 要控制喷嘴的运动，喷嘴的位置调整比较复杂，一般通过步进电机牵引同步带，同步带拉动 丝杠转动来带动喷嘴移动，这种开环控制加上机构间隙等因素，并不能使喷嘴位置具有较 高精度，采用的送丝机构结构也比较复杂，无法有效送丝，不能满足三维打印的要求。针对 目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，解决现有技术中存在的缺陷。
【发明内容】
[0003] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、打印精度高三自由度三 维打印机，解决现有技术的三自由度三维打印机送料装置机构复杂，不能准确有效送丝问 题，无法满足高精度的三维打印要求。
[0004] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0005] -种三自由度三维打印机，包括送料装置，所述送料装置包括绕线盘、送丝机构、 固定轴，绕线盘活动连接在固定轴上，耗材丝一端缠绕在绕线盘上，另一端与送丝机构相连 接，送丝机构包括压线盒、送料轮、压线机构、电机，压线盒设置有凹槽，用以放置送料轮和 压线机构，压线盒一端与电机相连接，电机轴穿过压线盒与送料轮固定连接。压线盒设置有 不规则凹槽，根据压线机构的形状设置凹槽的形状，这样凹槽能够有效固定压线机构和送 料轮。
[0006] 进一步地，所述压线机构为月牙形中间位置安装有轴承，压线机构安装在压线盒 凹槽内与送料轮保持一定的间隔空隙，使得耗材丝穿过并且对耗材丝形成一定的挤压摩擦 力，当送料轮旋转时，送料轮在压线机构的配合下，带动耗材丝往一个方向运动。压线机构 通过螺栓安装在压线盒凹槽内，压线机构并不完全固定，能够相对移动，用于调整压线机构 与送料轮的间隙。
[0007] 进一步地，所述压线盒靠近所述压线机构的一端面开有螺栓孔，并安装有弹簧，弹 簧一端在压线盒内与压线机构相接触，另一端在压线盒侧面的螺栓孔内并处于压缩状态， 压线盒装配有调节螺母、圆垫片，调节螺母从压线盒的螺栓孔内旋进推动圆垫片，圆垫片压 缩弹簧，进而弹簧被压缩产生弹性力推动压线机构移动，进行实现调节压线机构的目的。
[0008] 进一步地，所述送料轮设置有紧定螺钉，通过拧紧紧定螺钉能够使得电机轴与送 料轮同步旋转。
[0009] 进一步地，所述送料轮设置有齿结构，且齿轮的中间有浅凹槽，使得耗材丝容易定 位。由于送料轮是圆柱形，耗材丝一般也是圆柱形，二者之间的摩擦力比较小，因此送料轮 设置带齿结构并且中间设置有浅凹槽，使得耗材丝能够在浅凹槽中穿过，防止耗材丝滑动。
[0010] 进一步地，在压线盒靠近送料轮一端设置有辅助豁口，方便调节紧定螺钉。
[0011] 进一步地，还包括机械臂装置，机械臂装置设置有控制机构，控制机构包括控制芯 片和显示屏，控制芯片根据需要打印的位置信息，控制三个电机旋转，进而实现调整末端执 行器位姿的目的。利用机械臂控制三自由度三维打印机的喷嘴能够实现三维空间快速准确 定位，并且其结构紧凑能够放置在狭窄的空间内。优选地，机械臂装置为三自由度机械臂。
[0012] 进一步地，还包括打印执行装置，打印执行装置包括连接架、加热机构、散热机构、 金属散热管，连接架通过螺钉固定在末端执行器上，同时与加热机构固定连接，机械臂装置 带动连接架进行运动。所述末端执行器中间位置设置有通孔，金属散热管一端连接有保护 软管并穿过末端执行器的通孔，另一端通过连接螺柱固定在加热机构上。所述连接螺柱为 中空外螺纹结构，一端通过螺纹配合连接金属散热管另一端通过螺纹配合连接喷嘴。
[0013] 一种三自由度三维打印机的控制方法，包括以下步骤：
[0014] 第10步，采集轮廓离散点信息包括X、Y、X坐标信息，输入到控制芯片；
[0015] 第20步，控制芯片对打印轮廓利用NURBS曲线进行描述；
[0016] 第30步，由于三维打印过程，喷嘴需要匀速运动，利用NURBS曲线理论知识，求出对 应的下一插补点参数u值，计算公式如下所示：
[0018] Ts是采样周期，V喷嘴的运动速度，m为上一插补点的参数值，X'（u)为NURBS曲线X 坐标的一阶导数，Y'（u)为NURBS曲线Y坐标的一阶导数，Z'（u)为NURBS曲线Z坐标的一阶导 数，X"（u)为NURBS曲线X坐标的二阶导数，Y"（u)为NURBS曲线Y坐标的二阶导数，Z"（u)为 NURBS曲线Z坐标的二阶导数；
[0019] 第40步，根据计算出的参数u，计算下一插补点坐标，即控制芯片控制打印机喷嘴 需要运动到坐标位置，插补点c坐标计算公式如下：
[0021]其中：Pk+i为控制点、wk+i为权重因子、Ni-ρ,ρ为基函数；
[0022]第50步，根据NURBS曲线插补算法，得到插补点坐标，控制芯片根据每个采样周期 内的插补点坐标计算出需要对每个电机的发送脉冲数，控制电机旋转，实现三维打印机喷 嘴的移动。
[0023] 进一步地，第20步，包括以下步骤：
[0024] 第201步，控制芯片确定节点向量，已知m+p+1个控制点 .，P为所构造的基 函数次数，根据控制点之间的距离远近，计算出合适的节点向量值u，
[0025]先计算控制点之间距离山，公式为：
[0027] 其中X谦示控制点匕的横轴坐标，y谦示控制点匕的纵轴坐标；
[0028] 哈德利一贾德方法递推公式进行变形，变形后公式为：
[0030]其中m表示第i个节点，进而可得节点向量U递推公式为：
[0032]为了使得控制点首末端点和通过点的首末端点相重合，一般节点向量首末节点都 取P+1重，求出的节点向量形式为：
[0034]第202步，控制芯片根据节点向量计算样条基函数，利用递推公式求基函数:给定 参数U轴一个剖分：，用下列递推方式确定的基函数称为相应于U的P次，即P+1阶B 样条基函数：
[0037] m称为节点，N^U)的双下标中第一下标i表示序号，第二个下标ρ表示次数，u为 样条参数变量；
[0038] 第203步，进而可得第k段NURBS曲线Pk(u )，表达式为：
[0040] uE [uk+p，Uk+P+i]，k = 1，2· · .m+1
[0041] 其中：pk+i为控制点、wk+i为权重因子、Ni-p,p为基函数；
[0042] 第204步，反算控制点，由于控制点比轮廓离散点多2个，假设控制点与轮廓离散点 的始末端点重合，这样未知量就减少2个，就可以直接利用关系矩阵反算出控制点；
[0043]第205步，计算NURBS曲线的导矢:一阶导数，二阶导数。
[0044] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0045] 本发明利用送料轮与压线机构的摩擦力实现耗材丝的输送，结构简单，可靠性高； 本发明的压线盒设置有不规则凹槽，根据压线机构的形状设置凹槽的形状，这样凹槽能够 有效固定压线机构和送料轮。
[0046]本发明利用机械臂控制三自由度三维打印机的喷嘴能够实现三维空间快速准确 定位，并且其结构紧凑能够放置在狭窄的空间内。
[0047]本发明结构较为简单，可靠性高，在已有的控制算法下，具有较高的位置精度。
【附图说明】
[0048]图1为本发明具体实施例的三自由度三维打印机装配图；
[0049]图2为本发明具体实施例的三自由度三维打印机爆炸视图；
[0050]图3为本发明具体实施例的三自由度三维