一种3d打印设备调平系统及其自动调平方法
阅读说明：本技术 一种3d打印设备调平系统及其自动调平方法 (3D printing equipment leveling system and automatic leveling method thereof ) 是由 史梁 代拴师 樊明州 谢林 张棚翔 张文涛 徐娟 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种3D打印设备调平系统及其自动调平方法,属于粉末增材制造设备研发领域。该系统包括：工作腔,包括工作平台、工作腔顶板、工作腔左立板、工作腔右立板、工作腔前立板、工作腔后立板；铺粉装置,包括刀架、位姿调整单元、驱动导轨、减速器、转接轴、驱动电机；成形零件升降装置,包括缸体、基板、万向调节轴承、顶起支撑板、调平单元和升降单元；以及图像采集装置和数据处理装置。本发明能够自动进行调平,节约了大量时间,保证了调平精度,可消除因刮刀卡顿、基板加工、人工装卸基板等原因产生的细微误差,更高效,更智能。(The invention discloses a leveling system and an automatic leveling method of 3D printing equipment, and belongs to the field of research and development of powder additive manufacturing equipment. The system comprises: the working cavity comprises a working platform, a working cavity top plate, a working cavity left vertical plate, a working cavity right vertical plate, a working cavity front vertical plate and a working cavity rear vertical plate; the powder spreading device comprises a tool rest, a pose adjusting unit, a driving guide rail, a speed reducer, a transfer shaft and a driving motor; the formed part lifting device comprises a cylinder body, a base plate, a universal adjusting bearing, a jacking support plate, a leveling unit and a lifting unit; and an image acquisition device and a data processing device. The invention can automatically level, save a large amount of time, ensure the leveling precision, eliminate fine errors caused by the blockage of a scraper, the processing of a base plate, the manual loading and unloading of the base plate and the like, and is more efficient and more intelligent.)
技术领域
本发明属于粉末增材制造设备研发领域，具体涉及一种3D打印设备调平系统及其自动调平方法。
背景技术
3D打印技术，是将3D数据转化为2D数据，通过电脑控制3D打印机逐层进行打印，最后形成成品的增材制造技术，常应用于模具制作、工业设计等领域中的模型制造，后逐步应用于工业零件的直接制造，在航空航天、武器装备、医疗、教育、珠宝、工业设计、汽车、建筑等领域均有应用。
现有的3D打印设备，大多采用铺粉方式进行粉末的铺平与压实。为保证工件的成形效果，需严格保证刮刀与基板之间的平行关系，平行度需达到±0.05mm。目前，多数3D打印设备采用人工方式测量刮刀与基板之间的距离，操作人员需通过经验多次重复调节，不仅浪费了大量时间，还无法保证调平的精度，更无法消除因刮刀卡顿、基板加工、人工装卸基板等原因产生的细微误差。因此，为了消除细微误差，保证工件的加工精度，缩短周期，需要一种更高效、更智能的解决方案。
发明内容
为了实现以上目的，本发明提供一种3D打印设备调平系统及调平方法，能够自动进行调平，节约了大量时间，保证了调平精度，可消除因刮刀卡顿、基板加工、人工装卸基板等原因产生的细微误差，更高效，更智能。
根据本发明的第一方面，提供一种3D打印设备调平系统，包括：
工作腔，所述工作腔包括工作平台、工作腔顶板、工作腔左立板、工作腔右立板、工作腔前立板、工作腔后立板；
铺粉装置，所述铺粉装置包括刀架、位姿调整单元、驱动导轨、减速器、转接轴、驱动电机；
成形零件升降装置，所述成形零件升降装置包括缸体、基板、万向调节轴承、顶起支撑板、调平单元和升降单元；
以及图像采集装置和数据处理装置。
进一步的，所述刀架包括刀架上主体、刀架下主体、刮刀、刮刀压板、激光测距传感器。
进一步的，所述刀架上主体和刀架下主体通过螺栓固定，所述刮刀和刮刀压板固定在刀架下主体上；所述的激光测距传感器固定在刀架内部，能够实时测量工作平台与传感器之间的距离。
进一步的，所述位姿调整单元包括位姿调整电机、电机固定座、上支撑座、下支撑座、丝杠螺母副、轴承、同步带轮、同步带。
进一步的，所述位姿调整电机固定在电机固定座上；所述上支撑座、下支撑座通过螺栓固定；所述丝杠螺母副通过轴承固定在上支撑座与下支撑座之间；所述同步带轮分别固定在丝杠螺母副螺母及位姿调整电机上；所述的同步带连接至同步带轮上。
进一步的，所述驱动导轨固定在工作腔顶板内侧。
进一步的，所述的减速器通过转接轴与驱动导轨连接。
进一步的，所述的驱动电机固定在减速器上。
进一步的，所述基板支撑在3个万向调节轴承上；所述万向调节轴承其中1个固定在顶起支撑板上、其余2个固定在调平单元上。
进一步的，所述调平单元固定在顶起支撑板下方，且包括调平升降运动电缸和调平电机。
进一步的，所述的升降单元包括顶起升降电缸及升降电机，固定在缸体上，且与顶起支撑板通过螺母连接。
进一步的，所述图像采集装置固定在工作腔顶板上，包含摄像头和摄像头安装支座。
进一步的，所述数据处理装置包括传输电缆、工控机及经训练的神经网络程序。
进一步的，所述神经网络程序包含大量的前期工作，由人工测量基板与工作平台之间的距离，与数据采集装置得到的数据形成对应关系，经过多次重复试验，使神经网络程序不断自我学习、自我进化，最终形成智能化判断程序，可自主决策调平单元需移动距离，自主判断基板是否与工作平台平行。
进一步的，所述神经网络程序的训练过程包括：
人工测量基板与工作平台之间的距离，与数据采集装置得到的数据形成对应关系；
经过多次重复试验，使神经网络程序不断自我学习、自我进化，最终形成智能化判断程序，能够自主决策调平单元需移动距离，自主判断基板是否与工作平台平行。
进一步的，所述摄像头固定在摄像头安装支座上；所述摄像头安装支座固定在工作腔顶板上。
根据本发明的第二方面，提供一种针对以上任一方面所述的3D打印设备调平系统的自动调平方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：将基板升至与工作平台近似重合的位置；
步骤2：通过图像采集装置，采集基板上测量点的位置信息，反馈至数据处理装置；
步骤3：数据处理装置进行数据分析，判断基板与工作平台是否平行，如不平行，将调整信号反馈至调平单元；
步骤4：调平单元运动，基板与工作平面平行；
步骤5：将铺粉装置移至基板中央，通过激光测距传感器测量工作平台至传感器的距离，将数据反馈至数据处理装置；
步骤6：数据处理装置对数据进行分析计算，将调整信号反馈至位姿调整电机，由位姿调整电机驱动丝杠螺母副，带动铺粉装置微调，实现精准调平。
进一步地，激光测距传感器始终竖直向下，面向工作平台；
进一步地，基板上至少拥有8个测量点，且测量点不影响工件的正常打印工作；
进一步地，刮刀与基板之间的平行度误差为±0.05mm。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明能够检测3D打印设备基板与工作平台间的细微差别，并将基板调节至平行状态。
2.本发明中的图像采集装置和数据处理装置能够精密采集和分析位置信息，增加了成形零件升降装置的调平精度。
3.本发明采用高精度激光测距传感器，测量精度高，有效增加铺粉装置的调平精度。
4.该系统调平过程自动进行，节约了大量时间，保证了调平精度，可消除因刮刀卡顿、基板加工、人工装卸基板等原因产生的细微误差，更高效，更智能。
5.本发明采用三点调平原理，一点固定，两点调节，综合保证了基板的调平效果，调平过程更加稳定。
6.铺粉机构中采用同步带+丝杠的方式，精确控制铺粉机构的纵向移动，使刮刀调平过程更加精准。
附图说明
图1为应用本发明调平系统及调平方法的3D打印设备总装图；
图2为工作腔总装图；
图3为铺粉机构总装图；
图4为刀架总装图；
图5为位姿调整单元总装图；
图6为基板测量点位置分布示意图；
图7为成形零件升降装置调平单元装配示意图；
图8为调平过程控制逻辑图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种基于图像识别和激光测距的3D打印设备调平系统，包括工作腔、铺粉装置、成形零件升降装置、图像采集装置和数据处理装置。铺粉装置包含滚动丝杠与伺服电机，且内部装有激光测距传感器，成形零件升降装置下部装有用于调平的升降运动单元及驱动电机，且基板上加工了数个测量点，图像采集装置位于工作腔顶部，且实时采集基板测量点数据信息。本发明的3D打印设备调平系统利用图像识别和激光测距技术综合评定刮刀、基板分别与工作平台之间的平行程度，通过基板上多点数据采集与计算、激光测距与分析，获得基板、刮刀与工作平台之间的细微误差，及时利用升降运动单元和滚动丝杠进行调整，保证了基板与刮刀之间的平行关系，有效消除了刮刀卡顿、基板加工、工人装卸基板等原因产生的细微误差，实现了自动调平。还包括全自动调平方法。
实施例
如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种3D打印设备调平系统及调平方法，包括工作腔1、铺粉装置2、成形零件升降装置3、图像采集装置4和数据处理装置。
如图2所示，工作腔1包括工作平台1.4、工作腔顶板1.1、工作腔左立板1.2、工作腔右立板1.6、工作腔前立板1.5、工作腔后立板1.3。
如图3、图4、图5所示，铺粉装置包括刀架2.1、位姿调整单元2.2、驱动导轨2.3、减速器2.4、转接轴2.5、驱动电机2.6。刀架2.1包括刀架上主体2.1.1、刀架下主体2.1.2、刮刀2.1.3、刮刀压板2.1.4、激光测距传感器2.1.5。刀架上主体2.1.1和刀架下主体2.1.2通过螺栓固定。刮刀2.1.3和刮刀压板2.1.4固定在刀架下主体上2.1.2。激光测距传感器2.1.5固定在刀架2.1内部，可实时测量工作平台1.4与传感器2.1.5之间的距离。位姿调整单元2.2包括位姿调整电机2.2.1、电机固定座2.2.2、上支撑座2.2.8、下支撑座2.2.4、丝杠螺母副2.2.7、轴承2.2.5、同步带轮2.2.6、同步带2.2.3。位姿调整电机2.2.1固定在电机固定座上2.2.2。上支撑座2.2.8和下支撑座2.2.4通过螺栓固定。丝杠螺母副2.2.7通过轴承2.2.5固定在上支撑座2.2.8与下支撑座2.2.4之间。同步带轮2.2.6分别固定在丝杠螺母副2.2.7螺母及位姿调整电机2.2.1上。同步带2.2.3连接至同步带轮2.2.6上。驱动导轨2.3固定在工作腔顶板1.1内侧。减速器2.4通过转接轴2.5与驱动导轨2.3连接。驱动电机2.6固定在减速器2.4上。
如图1、图6、图7所示，成形零件升降装置包括缸体3.1、基板3.2、万向调节轴承3.3、顶起支撑板3.4、调平单元3.5和升降单元3.6。基板3.2支撑在3个万向调节轴承3.3上。万向调节轴承3.3其中1个固定在顶起支撑板3.4上、其余2个固定在调平单元3.5上。调平单元3.5固定在顶起支撑板3.4下方，且包括调平升降运动电缸3.5.1和调平电机3.5.2。升降单元3.6包括顶起升降电缸3.6.2及升降电机3.6.1，固定在缸体3.1上，且与顶起支撑板3.4通过螺母连接。
如图1所示，图像采集装置4固定在工作腔顶板1.1上，包含摄像头4.1和摄像头安装支座4.2。摄像头4.1固定在摄像头安装支座4.2上。摄像头安装支座4.2固定在工作腔顶板1.1上。
数据处理装置包括传输电缆、工控机、及神经网络程序。神经网络程序自主研发，通过多次人工测量，将相关数据反馈至神经网络系统中，得到基板与工作平台平行的判定标准。
如图8所示，该3D打印设备调平系统自动调平方法具体如下：
步骤1：将基板3.1升至与工作平台1.4近似重合的位置；
步骤2：通过图像采集装置4，采集基板3.1上测量点的位置信息，反馈至数据处理装置；
步骤3：数据处理装置进行数据分析，将调整信号反馈至调平单元3.5；
步骤4：调平单元3.5运动，基板3.1与工作平面1.4平行；
步骤5：将铺粉装置2移至基板3.1中央，通过激光测距传感器2.1.5测量工作平台1.4至传感器2.1.5的距离，将数据反馈至数据处理装置。
步骤6：数据处理装置对数据进行分析计算，将调整信号反馈至位姿调整电机2.2.1，由位姿调整电机2.2.1驱动丝杠螺母副2.2.7，带动铺粉装置2微调，实现精准调平。
据此，本发明公开了一种基于图像识别和激光测距的3D打印设备调平系统，包括工作腔、铺粉装置、成形零件升降装置、图像采集装置和数据处理装置。所述铺粉装置包含滚动丝杠与伺服电机，且内部装有激光测距传感器，所述成形零件升降装置下部装有用于调平的升降运动单元及驱动电机，且基板上加工了数个测量点，所述图像采集装置位于工作腔顶部，且实时采集基板测量点数据信息。本发明的3D打印设备调平系统利用图像识别和激光测距技术综合评定刮刀、基板分别与工作平台之间的平行程度，通过基板上多点数据采集与计算、激光测距与分析，获得基板、刮刀与工作平台之间的细微误差，及时利用升降运动单元和滚动丝杠进行调整，保证了基板与刮刀之间的平行关系，有效消除了刮刀卡顿、基板加工、工人装卸基板等原因产生的细微误差，实现了自动调平。还包括全自动调平方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
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