CN109466062B - 磁控极坐标3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控极坐标3D打印机，采用极坐标定位，以磁环中心为极点建系，使程序大大简化，同时克服了关节式程序复杂和悬臂梁不稳定结构等的影响，采用光电传感器，实时测量极角位移并反馈至控制端，实现闭环控制，不仅消除了轮廓失真，也大大提高了精度和稳定性。本发明同步带和丝杠传动用于运动非常缓慢的Z轴升降运动，将二维平面的运动转化为磁力直接控制的无声接触运动；同时，电磁极对永磁极间存在一个向上的分力，使永磁内环大部分重力被抵消，接近于悬浮，对下电磁外环的压力很小，接触部分采用滚珠与滑槽设计，并加以润滑油组成油膜，将噪音降到最低，相比于传统打印机，大大降低了噪音。

Description

磁控极坐标3D打印机

技术领域

本发明涉及三维打印机，尤其涉及磁控极坐标3D打印机。

背景技术

现有的3D打印机，主要分为直角坐标3D打印机和极坐标3D打印机，目前的三维打印机，大部分采用直角坐标系下的三维快速成型技术。快速成型技术的工作原理是根据逐层完成实体原型的制造，具体为，根据三维CAD设计出的打印模型，把三维实体模型离散化，采用“自下而上”材料累加的制造方法来制造实体打印物件，便得到加工所需的三维造型。

直角坐标系打印机有矩形盒式和三角洲式，分别通过丝杠和同步带带动打印头运动，在二维平面进行扫描打印，二维平面扫描速度较快，丝杆与同步带啮合传动噪声较大。直角坐标系打印机的圆是用多边形近似取代的，存在轮廓失真，特别对于薄壁零件，大多为圆形，误差较大。

极坐标3D打印机分为关节式3D打印机和转盘式3D打印机，关节式3D打印机为开环式节点，对于电机精度要求很高，精度较差，同时运动规划困难，程序实现较为复杂，又类似悬臂梁结构，易产生弯曲变形。

近年来所开发的各种快速成型机，虽然所用工艺不同，但是其机械传动部分和分层软件原理却大致相同。然而，直角坐标机构的快速原型机在加工圆、圆环壁等回转体零件时，存在着致命的缺点，即圆是用多边形近似取代的，多边形等分越多，圆越逼真，但用直线取代圆弧本身就存在轮廓的失真；尤其是薄壁零件，其截面一般是圆环，而且内圆和外圆的半径相差不大。要想得到较为精确的零件，对快速原型设备的精度要求就很高。理论上讲，只要圆弧和其垂足线段距离足够短，即喷头的直径足够小，控制喷嘴在X和Y向同时运动的驱动机构足够精确，就可以还原出零件的真实轮廓。但是，这不仅对技术上提出了较高的要求，而且成本高、价格昂贵。从根本上讲，喷头的直径还是存在的，所加工工件的轮廓依然是近似出来的。所以，在加工截面为圆环的薄壁零件时，当其内外圆半径相差不大时，采用XY直角坐标无法从根本上解决这一问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种磁控极坐标3D打印机，以解决现有三维打印机打印速度慢、噪声大、精度低和不稳定等问题。

技术方案：本发明包括上部极坐标控制环、Z轴升降机构、打印喷头和打印平台；上部极坐标控制环包括通过光电传感器实时测量极角位置变化以改变电流实现闭环控制的极角控制机构，以及通过控制电磁滑块的运动改变极径大小达到闭环控制的极径控制机构；Z轴升降机构包括丝杠、步进电机齿轮与同步带传动机构，打印平台与丝杠配合实现丝杠的螺旋运动向打印平台升降运动的转化。

打印机还包括底板、同步带轮、可调节固定支座、齿轮一、齿轮二、步进电机、同步带、丝杠螺母、丝杠固定盘。步进电机带动齿轮一，齿轮一与齿轮二啮合，齿轮二转动，带动与齿轮二同轴且固定在主动丝杠上的同步带轮，同步带轮通过同步带带动三根从动丝杠，丝杆与丝杠螺母和丝杠固定盘作用，使打印底盘在不仅电机的带动中上下运动。

打印机还包括下电磁外环、上电磁外环、电磁极、永磁内环、永磁极、固定螺栓、滚珠和滑槽；上电磁外环与下电磁外环通过固定螺栓相连，内嵌入有均匀分布的滚珠；永磁内环上有内经与滚珠相配合的滑槽，使之永磁内环可在其中旋转滑动；上永磁环上有均匀分布的电磁极，永磁内环上均匀分布有永磁极，电磁极与永磁极通过相互之间的电磁耦合与电磁力精确控制永磁内环旋转的角度。

电磁极上缠绕有铜线，铜线有两触点与铜线出孔相接，方便布线和更换。电磁极由多层硅钢片压制而成。

工作原理：本发明通过采用极坐标系进行定位，以极角差不同的磁极产生的电磁力作为极角运动的动力，由于固定于永磁内环上的永磁极与固定于上电磁外环上的电磁极之间存在极角差，当电磁极按一定时序通电后，永磁极与电磁极间会产生一个切向的力，可以通过改变电磁极上线圈的电流大小和相位来改变受力情况，以此来改变极角运动情况；电磁极相比于永磁极的水平位置稍高，所以电磁极间存在一个向上的分力，工作时，此分力抵消了永磁内环的大部分重力，使永磁内环接近于悬浮，摩擦力和噪音都极小，同时采用滚珠和滑槽减小摩擦力，实现快速响应，通过光电传感器实现极角位移测量，反馈至控制端实现闭环控制；中间的极径控制部分也采用电磁作用力来推动，由电磁滑块和永磁导轨组成，电磁滑块与永磁导轨上的磁极间距不同，通过连续改变电磁滑块上磁极的线圈的电流大小，改变电磁滑块运动位置，控制极径长度。z轴运动通过步进电机带动齿轮组，再通过同步带轮带动四根丝杠运动，使打印平台实现升降运动。

有益效果：与现有技术相比，本发明采用大磁环直接控制极角变化，而现有打印机采用步进电机带动，先用小磁场控制步进电机转动，再由机械结构对步进电机的运动放大，带动打印喷头运动，相比而言本发明的极坐标磁控环比步进电机速度快很多，打印速度快。

本发明采用极坐标定位，以磁环中心为极点建系，使程序大大简化，同时克服了关节式程序程序复杂和悬臂梁不稳定结构等的影响，同时采用光电传感器，实时测量极角位移，反馈至控制端，实现闭环控制，不仅消除了轮廓失真，也大大提高了精度和稳定性。

本发明同步带和丝杠传动只用于运动非常缓慢的Z轴升降运动，未如现有产品用于二维平面的快速运动定位，产生很大噪声，而是将二维平面的运动转化为磁力直接控制的无声接触运动，同时，电磁极对永磁极间存在一个向上的分力，使永磁内环大部分重力被抵消，接近于悬浮，对下电磁外环的压力很小，接触部分采用滚珠与滑槽设计，并加以润滑油组成油膜，将噪音降到最低，相比于传统打印机，大大降低了噪音。

附图说明

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明控制流程图；

图3为本发明上部极坐标磁控环；

图4为本发明磁控运动机构的剖视图；

图5为本发明明暗条纹分布图；

图6为本发明电磁极细节图；

图7为本发明的Z轴四轴联动升降机构图；

图8为本发明的极角控制原理简图；

图9为本发明的电磁极时序控制图。

具体实施方式

如图1所示，磁控极坐标3D打印机包括上部极坐标磁控环和z轴升降机构；上部极坐标磁控环包括极角控制机构和极径控制机构，极角控制机构包括永磁内环4、上电磁外环2和下电磁外环1，永磁内环4由非导磁性尼龙环和永磁极环绕组成，其中非导磁性尼龙环也可以用其它塑料或非导磁材料替代。电磁外环由上电磁外环2和下电磁外环1组成，上、下电磁外环通过固定螺栓连接，并与永磁内环4过盈配合，通过永磁内环4上的滚珠与上、下电磁外环上的滑槽配合限制运动范围和减小摩擦。上电磁外环由非导磁性材料尼龙环和电磁极组成。尼龙环均匀分布有电磁极孔，孔上安装有各电磁极；下电磁外环通过丝杠固定盘23与Z轴升降机构相连。极径控制机构，主要由永磁导轨7和电磁滑块6组成，电磁滑块6可以通过控制自身电流来实现在导轨上的移动，滑块下部用于安装打印喷头，但不限于打印喷头9，也可为激光头、摄像头等执行部件。Z轴升降机构主要由步进电机20带动四根丝杠转动，使打印平台能上下升降，做到Z轴方向的定位移动，其中四根丝杠为一根主动丝杠24和三根从动丝杠13。

如图2所示，本发明通过控制极角、极径及z轴的高度，实现三维定位。极角控制，通过控制电磁极3电流大小及相位，改变电磁极3与永磁极5的受力情况，通过光电传感器29来实时测量反应极角的位置变化，以此作为反馈数据改变电流大小，达到闭环控制。极径控制机构，通过控制电磁滑块6的电流脉冲，来控制电磁滑块6的运动，改变极径大小，通过编码器反馈数据，达到闭环控制。Z轴高度控制中，通过控制步进电机20的转动，改变打印平台14的高度，通过步进电机20的编码器实时反馈，实现闭环控制。

如图3、图4所示，上部极坐标磁控环包括下电磁外环1、上电磁外环2、电磁极3、永磁内环4、永磁极5、电磁滑块6、永磁导轨7、打印喷头9、固定螺栓10。其中下电磁外环1有四个耳状螺纹孔，通过四个固定螺栓10与上电磁外环2相连接；下电磁外环上部有滑槽11，滑槽11与永磁内环4上的滚珠12相配合，减小接触面积，用滚动摩擦代替滑动摩擦，减小阻力，下电磁外环1侧面有一通孔，通孔内安装有光电传感器29，用于测定极角位移。上电磁外环2上分布有间隔均匀的电磁极3的安装孔，电磁极3通过紧配合固定于安装孔内，均匀分布于上电磁外环2，电磁极3由硅钢片叠加而成，上有绕制的铜线25，铜线25绕制后与铜线外接触点26相连，上电磁外环2的安装孔处有铜线出孔8与电磁极3的铜线外接触点26相连接，方便布线，以实现对电磁极3的控制。永磁内环4上下表面嵌有均匀分布的滚珠12，与滑槽11相配合，永磁内环4直径小于下电磁外环1和上电磁外环2内径，使之侧部无接触，仅通过滚珠与滑槽11接触，减小摩擦，同时，电磁极3对永磁极5间存在一个向上的分力，使永磁内环4大部分重力被抵消，接近于悬浮，对下电磁外环1的压力很小，接触部分采用滚珠与滑槽11设计，并加以润滑油组成油膜，将噪音降到最低，提高相应速度。永磁内环4上均匀分布有间距不同的永磁极5，在电磁极通电状态下，永磁极5与电磁极3直接产生作用力，控制永磁内环4转动。极径控制机构由电磁滑块6与永磁导轨7组成，永磁导轨7上有均匀相间的永磁极。

上部磁控运动机构由极角控制机构、极径运动机构组成，极角运动机构由下电磁外环1、上电磁外环2、电磁极3、永磁内环4、永磁极5组成；永磁极5均匀分布于永磁内环，本实施例中各永磁极间距角为nθ(其中n为电磁极组数),永磁极分为两组，为永磁组一和永磁组二，一组N极朝内，S极朝外，为永磁组一；另一组N极朝外，S极朝内，为永磁组二，两组磁极相间分布。上电磁外环2上均匀分布有间距相等的电磁极3，本实施例中各电磁极间距角为θ，电磁组分为n组，当电磁组正向通电时，电磁极3指向圆心侧为N极，相反方向为S极，电磁极3与永磁极间存在切向力，可通过控制各组电磁极3上绕制的铜线25的电流，使永磁内环4产生旋转的力。同时，电磁极3比永磁极5的水平位置稍高，所以每个电磁极3对永磁极5都有一个向上的分力，以此克服掉永磁内环4的大部分重力，使其与下电磁外环1压力最小，接近于悬浮状态。极径控制机构包括永磁导轨7与电磁滑块6，电磁滑块6由非导磁材料和均匀间距的电磁极组成，电磁滑块6为可在永磁滑块上滑动的锲形滑块，下部有多块均匀间距的方形小电磁极固定于滑块上，本实施例电磁极的中间距为L,电磁的上部为N极，下部为S极；滑块上部通过滑槽与永磁导轨配合，限制运动方向。永磁导轨7由非导磁性方形长条与一排等间距的方形永久磁铁组成，方形永久磁铁间间距为L+ΔL。永久磁铁的N极朝上，S极朝下。由于永磁铁与电磁异性磁极相对，产生吸力，当改变各电磁绕线电流大小与相位变化时，可实现对永磁导轨7与电磁滑块6的力和相对运动环的控制。通过控制电磁滑块6中的电磁铁电流控制极径的滑块的运动，使打印喷头9能在二维平面内任意运动。

下电磁外环1、上电磁外环2与永磁内环4的配合与安装时，下电磁外环1与上电磁外环2内有滑槽11，永磁内环4上下都分别均匀内嵌有均匀分布的滚珠，滚珠12稍小于内嵌孔，并有润滑油润滑，在内形成油膜，大大减小摩擦。永磁内环4直径稍小于下电磁外环1、上电磁外环2内径，使之侧部无接触，仅通过滚珠与滑槽接触，减小摩擦，提高相应速度。

如图5所示，永磁内环外部有一系列明暗条纹，明条纹27和暗条纹28分别为宽度相同的矩形块，并相间分布于永磁内环4周围，遍布永磁内环4一周。本实施例中永磁内环4上共分布有暗条纹和明条纹各360条，即每条纹所代表的极角位移为0.5度，下永磁内环上的光电传感器29所在水平面与明暗条纹中心线所在水平面为同一平面，光电传感器29所发射和反射的激光束也全位于这一水平面，明条纹27为反光材料，本实施例为反光膜，但不限于反光膜，暗条纹28为黑色多孔的吸光性材料。当光电传感器29发射的激光束照射在明条纹时，大部分反射光沿原光路返回光电传感器29的光纤探头，经分路后到达光电传感器29的探测部分并测量反射光强度，此时反射光强度较大，光电传感器29得到一个较大的模拟信号值，当光电传感器29发射的激光束照射在暗条纹时，大部分光被暗条纹28所吸收，极少部分光线沿原光路返回光电传感器29的光纤探头，经分路后到达光电传感器29的探测部分并测量反射光强度，此时反射光强度很小，光电传感器29得到一个很小的模拟信号值，通过设定一个阈值，将所得模拟信号转化为数字信号，有处理器处理后得到所经过的明暗条纹数，并由已知的每一条纹对应的0.5度来计算出所转过的极角位移，以此作为反馈数据至控制端，实现闭环控制。其中有一块明条纹比其他明条纹反射率更大，用于标记极角的初始位置，即极角为0的位置，每次打印开始永磁内环4会自动将极角置零。

如图6所示，电磁极3上部绕制有数匝铜线25，铜线25最后引出的两根线与铜线外接触点26相连，铜线外接触点26再与控制电路相连，从而控制各电磁极3电流大小，实现控制电磁极与永磁极间的受力情况，控制极角变换。

如图7所示，步进电机20固定于底板15下部，与齿轮一18紧密配合和紧定螺钉连接固定，齿轮一18与齿轮二19啮合，齿轮二19与主动丝杠24紧配合固定于末端，同步带轮16固定于主动丝杠24上，同步带轮16与同步带21啮合，通过同步带21传动带动其他同步带轮转动，其他同步带轮固定于从动丝杠13上，当步进电机20转动时，主动丝杠24与从动丝杠13同步转动，主动丝杠24与从动丝杠13下部由下丝杠固定盘22固定于底板15上，上部由上丝杠固定盘23固定于下电磁外环，丝杠分别与丝杠固定盘内的轴承固定。步进电机20与从动丝杠13都与打印平台14的螺纹啮合，当丝杠转动时，打印平台14可上下移动。

如图7所示，z轴升降机构中，下电磁外环1下部通过螺栓与四个丝杠固定盘23连接，丝杆固定盘中有轴承，轴承分别与主动丝杆24和从动丝杠13紧配合，使上电磁外环始终与底板15保持固定距离；主动丝杠24与从动丝杠13与打印平台14的螺纹相配合，使丝杠转动后能使打印平台14上下移动；主动丝杆24和从动丝杠13通过下丝杠固定盘22与底板15固定。底板下部有四个可调节高度的支座17，用于使打印机水平稳定摆放。

如图8所示，实施例中各电磁极磁极5间距角为θ，分为多组磁极，一本实施例为三组，可根据不同控制精度增减组数，当通以正向电流时，电磁极a的N极朝内，S极朝外，其他各组电磁极正向通电时，其极性与电磁极a相同；三组磁极相间分布，同组电磁极的电流大小与方向驱动，时序图如图9所示，初始时间t1相同。实施例中各永磁极5间距角为3θ，各永磁极5分为两组磁极，一组N极朝内，S极朝外，为永磁组5-1，另一组N极朝外，S极朝内，为永磁组5-2，两组磁极相间分布。当要使永磁内环顺时针转动时，电磁极分别在不同时间对三组不同的电磁极组施加正向方波电流时，仅电磁极a5-7正向电流，永磁极N极5-4朝内，永磁极S极5-3朝外，电磁极a5-7的每个S极与永磁组5-1的磁极正对，电磁极只受径向力，且由于对称性，整个电磁内环径向受力也平衡为零，只受到一个整体向上的力以抵消电磁内环的重力，下一个时间t2时，仅电磁极b5-6受到正向电流激励，由于电磁组b5-6未处于平衡点，受到永磁组5-1对产生的一个使其顺时针转动的切向吸引力，永磁组5-2对电磁极b5-6产生一个使其顺时针转动的切向排斥力，永磁环总体受一个使其顺时针旋转的力，当到第三个t3时间时，仅电磁极c5-5受到正向电流激励，电磁极c5-5受到一个使其顺时针旋转的切向力，整个电磁内环再顺时针转一个角度，使电磁极c5-5处于稳定状态，由此重复上一个周期，使电磁内环持续顺时针转动。当将各电磁组按上述周期同反方向电流，其受力情况刚好相反，使电磁内环逆时针转动。当电磁极a、b、c同时通电时，电磁内环在水平方向上整体受力平衡静止，处于平衡点。通过对电磁极电流的控制，来实现对电磁环的转动的控制，通过光电传感器29对转角的测量，来实时反馈其转动角度情况，以此改变电流大小，达到闭环控制。

本实施例中的具体绕线和磁极制作方式不限于给出的方案，还包括其他可产生相同磁场和效果的类似方案，以及将此类方案应用于打印机的相关方案或产品。

Claims (5)

1.一种磁控极坐标3D打印机，其特征在于：包括上部极坐标控制环、Z轴升降机构、打印喷头和打印平台；所述的上部极坐标控制环包括通过光电传感器实时测量极角位置变化以改变电流实现闭环控制的极角控制机构，以及通过控制电磁滑块的运动改变极径大小达到闭环控制的极径控制机构；所述Z轴升降机构包括丝杠、步进电机齿轮与同步带传动机构，所述打印平台与丝杠配合实现丝杠的螺旋运动向打印平台升降运动的转化；

所述极角控制机构包括下电磁外环、上电磁外环、电磁极、永磁内环和永磁极，上电磁外环上布置有电磁极，下电磁外环与上电磁外环内有滑槽，永磁内环通过滚珠与滑槽接触，所述极径控制机构包括永磁导轨与电磁滑块；

所述永磁内环外周围有多条代表极角位移的明暗条纹；

所述电磁滑块下部由多个方形小电磁固定于滑块上，所述滑块上部通过滑槽与永磁导轨配合，限制运动方向；

所述永磁导轨包括非导磁性方形长条与一排等间距的方形永久磁铁；

永磁内环上均匀分布有永磁极；

固定于永磁内环上的永磁极与固定于上电磁外环的电磁极之间存在极角差。

2.根据权利要求1所述的磁控极坐标3D打印机，其特征在于：所述Z轴升降机构为四轴联动升降机构。

3.根据权利要求1所述的磁控极坐标3D打印机，其特征在于：还包括底板、同步带轮、可调节支座、齿轮一、齿轮二，所述步进电机带动齿轮一，齿轮一与齿轮二啮合，齿轮二转动，带动与齿轮二同轴且固定在主动丝杠上的同步带轮。

4.根据权利要求1所述的磁控极坐标3D打印机，其特征在于：所述电磁极上缠绕有铜线，铜线有两触点与铜线出孔相接。

5.根据权利要求1所述的磁控极坐标3D打印机，其特征在于：所述电磁极由多层硅钢片压制而成。