[发明专利]一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维彩色喷墨增材打印机的自由度喷头，属于三维打印机喷头领域。

背景技术

三维彩色喷墨增材打印机技术起源于美国，近年来在中国也非常火热，大小企业、研究院以及个人都在尝试着开发，但三维彩色喷墨增材打印机的核心部分，挤出机也就是打印头对耗材的加热部分，通常都选用加热棒插入铝块传热的方式，对耗材进行加热，用这种方式加热，往往会对耗材加热不均匀，靠近加热棒的一侧温度高，背靠加热棒的一侧温度低。近年来，随着数字技术在三维彩色喷墨增材打印机领域应用的不断深入，业界同仁的不懈努力，自由度喷头成功研制出来，虽然比国外同类产品晚了不少年头，但总算奋起直追而成果不断。自由度喷头在三维打印机应用上一般有三种形式，一是数码摇摆喷头，由一个步进电机进行控制业界也俗称为一维摇摆喷头，是指喷头在一个平面内做园周运动，具备一个自由度运动。二是纵横摇摆喷头，是在一维摇摆的基础上，增加纵横两个方向的运动控制。能够使一维喷头在竖平面内做纵向、横向两个方向的摇摆动作，业界俗称二维喷头，具有两个自由度方向运动。三是万向数码摇摆喷头，通常由两个步进电机控制，一个称为平台电机，为喷头提供水平面内可以正转、反转的旋转平台，在此平台上，另有一步进电机控制喷头在竖平面内的摇摆动作，因此，可以向任何一个方向打印，具备真正的动态万向摇摆功能。业界俗称三维摇摆喷头，叫法虽不甚准确，但也有三个自由度，运动方向不受限制的意义。这种喷头由平台电机和摇摆电机运动进行合成，共同决定了喷头的打印方向。因此，有喷头内平台电机和摇摆电机的运动同步问题，又存在喷头间的动作同步问题。所以，喷头的控制在所有自由度喷头中最具复杂性。

以三维喷头的运动控制为例，阐述三维喷头步进电机的同步控制问题，在自由度喷头的应用中，特别是三维数码摇摆喷头，由平台电机和摇摆电机进行运动合成，共同控制喷头的打印方向，因此，在同一三维喷头内，存在平台电机和摇摆电机的同步控制问题，而同一机型内，又存在着喷头间的同步控制问题。在实际过程中，不少用户反映自由度喷头的控制过程不同步而显得打印机程序太乱。喷头机械结构三维数码摇摆喷头的平台电机控制着喷头的旋转平台运动，其机械结构旋转平台一般由换向装置、减速机构、步进电机，主轴及主轴传感器组成。旋转平台能够在水平面内双向自由转动，换向装置为平台上面安装的摇摆机构提供电源、信号和通讯，减速机构通常由齿轮或蜗轮蜗杆机构，负责对电机的转速按比例减少。传感器指示平台旋转位置。对普通三维喷头而言，一般是接近传感器，在旋转平台转动过程中，指示平台起始位置。

三维自由度喷头的摇摆电机部分控制喷头的摆动，其机械结构类似于一维摇摆部分。一般由摇摆电机、减速机构、打印喷头、主轴及传感器组成。摇摆电机通常为步进电机，减速机构对摇摆电机的转速等比例减少，控制打印喷头左右摆动的快慢，传感器通常也是接近传感器，指示打印喷头的起始点。

三维摇摆喷头由旋转平台提供旋转运动，在此平台上，放置摇摆电机部分。摇摆电机部分随旋转平台一起转动，并提供打印喷头的左右摇摆功能。整个喷头的打印方向由平台和摇摆俩部分位置合成得到。从而实现打印喷头的万向摇摆功能。但同时也存在着平台电机和摇摆电机的同步控制问题。

一般来说，三维自由度喷头的机械机构工作原理如上所述。所用电机通常为2相或3相步进电机，所用传感器为接近传感器，指标平台或摇摆部分的初始位置。对三维喷头而言，要求位置控制的精度又很高。若喷头打印口位置错位，打印高度位置将相差大，所以，对打印位置具备很强的定位作用，这要求喷头打印口控制要很精确。而一般的位置传感器在运动一时只有一个定位点，没有到达传感器指示位置时，只能通过步进电机所走步数进行控制。这样，在同一位置附近往返运动时，因电机失步和机械减速机构的间隙误差累计，造成喷头运动误差积累，产生不同步。因此，喷头内产生电机不同步的根本原因在于传感器只有一个定位点，无法实时校正机械间隙误差、电机失步、电机步长误差等。因此，喷头内部电机不同步就谈不上喷头之间电机同步，因此，三维喷头在实际应用中只能是快速运动出现电机的不同步现象。

针对以上分析，找到问题产生的根本原因，对症下药才是解决其方案，通过更换俩个电机主轴传感器为角度传感器，旋转可以实现360个定位点，以够实时知道主轴转动位置，通过通讯手段，将主轴位置发送到三维喷头控制器，三维喷头控制器根据电机主轴的实时位置，根据误差和剩余角度自动计算到达目标的速度。