一种多坐标系协同3D打印机的制作方法

本发明属于3d打印领域，具体涉及一种多坐标系协同3d打印机。

背景技术：

3d打印技术是增材制造技术的一种，它以stl数字模型为基础，通过将粉末状金属或塑料等可粘合的材料熔融沉积来制造三维物体。与传统的减材制造工艺相比，3d打印工艺具有更高的材料利用率，且能根据实际使用要求加工结构复杂的制品。

现有的多数3d打印机仍建立在笛卡尔坐标系中，其特点是三轴相互独立，打印过程中各轴仅能做直线运动，通过各轴间的运动配合完成物体三维空间内的宏观成型。而对于具有弧面及球面等一系列曲面的制品，普通打印机均通过将曲面微分成直角打印，打印出来的物品在微观结构上并不是一个光滑的圆弧，和原始设计相比存在一定的误差。且打印的制品越小，小三角体现的越明显，打印精度则越差。

专利号cn207747423u公布的一种基于柱坐标传动定位的3d打印机增加了成型底座在水平方向的旋转自由度，避免了在打印平面回转体时由于x,y轴的配合偏差导致的打印偏差。但是在打印空间回转体时，挤出喷头在x,z轴的配合上存在的偏差仍无法避免。同时，此专利仅适用于柱坐标系，不能实现多坐标系协同打印。

技术实现要素：

本发明针对普通3d打印机只能在单坐标系中工作所存在的不足，提供一种多坐标系协同3d打印机，其不仅能有效避免制品弧面在打印时的设备误差，还能实现多坐标系任意切换，进一步提高3d打印的精确度以及进一步扩宽3d打印机在微结构领域的应用范围。

本发明在原有的笛卡尔系3d打印机简单易于控制的基础上，利用磁吸装置及六轴机械臂装置增加底盘的空间自由度，根据打印要求自定义柱坐标轴线或球坐标圆心进行打印，可有效提高制品弧面及球面的3d打印精度，完成复杂制品(包含球面、弧面及非曲面一种以上的制品)的高精度打印要求。

本发明的结构方案是：一种多坐标系协同3d打印机，包括步进电机、电磁底盘、热床、六轴机械臂、托盘架、铁质圆盘和喷头机构，所述喷头机构包括挤出料步进电机、喷头、冷却风扇、竖向调整机构和水平调整机构。

本发明一种多坐标系协同3d打印机，所述电磁底盘内部含有永磁铁和电磁铁，通过控制流过电磁铁的电流控制退磁和磁化，永磁铁可保证在打印工作时不需要为电磁底盘提供持续电流，节约能源，且能保证可靠性。所述热床则采用与打印材料结合能力强的铝板。所述铁质圆盘采用对磁性较为敏感且易磁化的铁金属制品。

本发明一种多坐标系协同3d打印机，所述托盘架安装在机架上；所述六轴机械臂与步进电机固接，控制步进电机的空间位置与空间角度；所述步进电机与铁质圆盘固接；所述电磁底盘和热床固接，无相对运动。所述喷头机构的安装方式与现有3d打印机的喷头部分安装方式基本一致，挤出料步进电机与机架固接，冷却风扇与喷头保持相对静止的安装关系，竖向调整机构安装在打印机的机架上，水平调整机构在本发明示例中采用三联机械臂机构。

本发明一种多坐标系协同3d打印机的工作方式是：当打印普通平面组合体(无弧形)时，采用普通笛卡尔系3d打印的算法。六轴机械臂不工作，电磁底盘被安放在托盘架上，电磁底盘保持水平。喷头机构按预定程序打印制品。

当打印平面弧形组合体时，在原有的笛卡尔坐标系的基础上，六轴机械臂发挥作用，在打印普通结构(无弧形)时，六轴机械臂保持静止，电磁铁不通电，由永磁铁吸附于步进电机固接的铁质圆盘，保持静止。在打印组合体弧形部分时，系统保留喷头和热床的相对位置记忆；六轴机械臂带动电磁底盘和热床，并将其安放在托盘架上；然后电磁底盘通电，进行释磁操作，电磁底盘与铁质圆盘脱开；由六轴机械臂将步进电机与铁质圆盘的共同旋转中心移动至与需打印的弧形物体的回转中心重合的位置；电磁底盘断电，使铁质圆盘与电磁底盘吸合，再将热床移动到刚刚记忆的位置；喷头在弧形边缘位置保持水平方向上的静止，热床与电磁底盘随着步进电机的旋转而旋转；当需再次打印非弧面时，电机停止旋转，喷头移动，即可完成制品的打印工作。

当打印球形(空间弧面)组合体时，系统保留喷头和热床的相对位置记忆；六轴机械臂带动电磁底盘和热床，并将其安放在托盘架上；然后电磁底盘通电，进行释磁操作，电磁底盘与铁质圆盘脱开；六轴机械臂将步进电机移动至球形面曲率半径与电磁底盘的交点处，电磁底盘断电，使铁质圆盘与电磁底盘吸合，再将热床移动到刚刚记忆的位置；六轴机械臂将步进电机按要求旋转一定角度，电磁底盘与热床随着步进电机的旋转而旋转，更加精确地打印球形组合体。

本发明所述一种多坐标系协同3d打印机不局限于本发明案例中提供的结构方案和实施方式，其他的结构方案例如喷头处使用单机械臂控制运动等结构，均属于本发明。

本发明一种多坐标系协同3d打印机与现有3d打印机相比，通过六自由度机械臂及电磁永磁复合装置增加底盘的旋转自由度，不仅能实现一般情况下的平面立方体的三维实体成型，还能在笛卡尔坐标系、柱坐标系及球坐标系中灵活转换，实现弧面与球面打印精度的提升，为打印弧形及球面组合体提供了新的思路。且设备操作简单，适用范围广，为高精微打印创造了设备条件。

附图说明

图1为一种多坐标系协同3d打印机整体安装示意图正视图；

图2为一种多坐标系协同3d打印机六轴机械臂示意图。

图中：1-六轴机械臂，2-步进电机，3-电磁底盘，4-热床，5-冷却风扇，6-供料步进电机，7-竖向调整机构，8-水平调整机构，9-喷头，10-铁质圆盘，11-托盘架，12-伺服电机。

具体实施方式

本发明一种多坐标系协同3d打印机，如图1所示，包括步进电机2、电磁底盘3、热床4、六轴机械臂1、托盘架11、铁质圆盘10和喷头机构。所述喷头机构包括供料步进电机6、喷头9、冷却风扇5、竖向调整机构7和水平调整机构8。

一种多坐标系协同3d打印机中所述的六轴机械臂1，如图2所示，由四个伺服电机12控制其空间三维的运动。

本发明一种多坐标系协同3d打印机的具体实施方式是：

当打印普通平面组合体(无弧形)时，采用普通笛卡尔系3d打印的算法。六轴机械臂1不工作，电磁底盘3被安放在托盘架11上，电磁底盘3保持水平。喷头机构按预定程序打印制品。

当打印平面弧形组合体时，在原有的笛卡尔坐标系的基础上，六轴机械臂1发挥作用，在打印普通结构(无弧形)时，六轴机械臂1保持静止，电磁铁不通电，由永磁铁吸附于电机固接的铁质圆盘10，保持静止。在打印组合体弧形部分时，系统保留喷头9和热床4的相对位置记忆；六轴机械臂1带动电磁底盘3和热床4，并将其安放在托盘架11上；然后电磁底盘3通电，进行释磁操作，电磁底盘3与铁质圆盘10脱开；由六轴机械臂1将步进电机2与铁质圆盘10的共同旋转中心移动至与需打印的弧形物体的回转中心重合的位置；电磁底盘3断电，使铁质圆盘10与电磁底盘3吸合，再将热床4移动到刚刚记忆的位置；喷头9在弧形边缘位置保持水平方向上的静止，热床4与电磁底盘3随着步进电机2的旋转而旋转；当需再次打印非弧面时，步进电机2停止旋转，喷头9移动，即可完成制品的打印工作。

当打印球形(空间弧面)组合体时，系统保留喷头9和热床4的相对位置记忆；六轴机械臂1带动电磁底盘3和热床4，并将其安放在托盘架11上；然后电磁底盘3通电，进行释磁操作，电磁底盘3与铁质圆盘10脱开；六轴机械臂1将步进电机2移动至球形面曲率半径与电磁底盘3的交点处，电磁底盘3断电，使铁质圆盘10与电磁底盘3吸合，再将热床4移动到刚刚记忆的位置；六轴机械臂1将步进电机2按要求旋转一定角度，电磁底盘3与热床4随着步进电机2的旋转而旋转，更加精确地打印球形组合体。

以上所述为本发明的具体设备及工艺情况，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的具体设备及工艺过程，任何基于上述所说的对于相关设备修改或替换，任何基于上述所说的对于相关工艺的局部调整，均属于本发明。