CN111452359A - 基于笛卡尔坐标系的傅里叶变换3d打印系统 - Google Patents
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Abstract
基于笛卡尔坐标系的傅里叶变换3D打印系统，包括有底座上的两根立柱；每根立柱通过Z轴机架固定着纵向驱动电机；纵向驱动电机通过丝杠螺母与X轴机架相连，X轴机架与纵向导杆相连；X轴机架的下侧分别与两个横向导杆架相连，横向导杆架A上的横向驱动电机与旋转电机架A相连，旋转电机架A与横向导杆相连；旋转电机架A与旋转电机架B相连，旋转电机架B的下侧连接着一级、二级、三级连杆组件；一级、二级、三级连杆可做回转运动；三级连杆上设喷嘴；底座上的Y轴机架与Y轴驱动电机相连，底座上的Y轴导杆架A与Y轴导杆相连；Y轴驱动电机与打印平台连接，打印平台与Y轴导杆架B相连；可打印回转类零件和高维曲面；具有结构简单、灵活性高的特点。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及基于笛卡尔坐标系的傅里叶变换3D打印系统。
背景技术
当前基于笛卡尔坐标系的传统3D打印机，通过沿空间3个正交轴移动的方式逐层实现整个工件的加工。因此，无论加工表面是否存在高维曲面，其传统3D打印机在整个加工过程中均采用直线插补的形式进行打印，该种打印方式导致了以下缺点：1)没有考虑到弧面或曲面材料成形时打印方向变化的问题，逐层打印中喷出材料所成形线条之间的距离会发生变化，导致被打印件的力学性能较差；2)当材料在逐层打印形成弧面或曲面的过程中，仍采用直线插补的方式并不能准确的捕获高维曲面的几何信息，导致了被打印件表面粗糙度不满足技术要求，直接降低了被打印件的精度。3)尤其在打印曲率变化明显的高维曲面时，传统3D打印机仍采用直线差补的方式逼近曲线，该种打印方式要想获得高精度的曲面，势必采用小步长的方式将会降低打印效率；反之，打印精度不能保证，严重影响了3D打印快速成型的优点。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于笛卡尔坐标系的傅里叶变换 3D打印系统，弥补了当前3D打印系统在打印高维曲面方面的不足，其主要研究内容为： (1)基于傅里叶函数中频率与波形响应之间的关系，将任意选定的高维曲面等效成一系列连续测量的信号，利用有限数量的不同频率，不同振幅和不同相位的正弦波信号叠加来捕获其高维曲面的几何信息；当曲线曲率不变时，只需要固定的杆长既能获得该曲率单一的曲线，然而当曲线曲率发生变化时，将需要不同杆长与不同频率运动来描述高维曲面的几何信息；其中该系统中的杆长表示高维曲面的振幅，不同的频率表示曲率变化的快慢程度；于是可以利用不同长度的连杆实现喷头在径向方向的运动，同时利用连杆的周向摆动实现喷头的圆周运动，最后喷头的纵向位移采用滚珠丝杠实现逐层打印，将傅里叶变换可获取高频信息的优点用于能实现高维曲面打印的新型3D打印系统中。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于笛卡尔坐标系的傅里叶变换3D打印系统，包括有底座(1)，其特征在于，底座(1)上固定着两根立柱(7)；每根立柱 (7)通过Z轴机架(12)固定着纵向驱动电机(13)；纵向驱动电机(13)通过丝杠螺母(11)与X轴机架A(10)相连，X轴机架A与纵向导杆相连，并通过纵向导杆确定 X轴机架A的移动方向；X轴机架A和X轴机架B的下侧分别与横向导杆架A、横向导杆架B相连，横向导杆架A上固定着横向驱动电机；横向驱动电机通过横向丝杠螺母与旋转电机架A相连，旋转电机架A与横向导杆相连，并通过横向导杆确定旋转电机架A的移动方向；旋转电机架A的下侧与旋转电机架B相连，旋转电机架B的下侧依次连接着一级连杆组件、二级连杆组件、三级连杆组件；一级连杆组件、二级连杆组件、三级连杆组件可分别在一级电机、二级电机、三级电机带动下做回转运动；底座上还设有Y轴机架， Y轴机架与Y轴驱动电机相连；底座上的Y轴导杆架A与Y轴导杆相连；Y轴驱动电机通过Y轴丝杠螺母、打印平台架与打印平台连接，打印平台与Y轴导杆架B相连，并通过Y轴导杆确定打印平台的移动方向；
所述的一级连杆驱动电机的动力输出端向下依次设有一级连杆推力轴承、一级连杆轴套、一级连杆调整环、一级连杆、一级连杆调整环b、一级连杆六角螺母；
所述的一级连杆的前端设有二级连杆驱动电；二级连杆驱动电机的动力输出端上设有二级连杆推力轴承；二级连杆推力轴承下侧设有二级连杆轴套、二级连杆调整环a；二级连杆调整环a下方设有二级连杆；二级连杆上设有二级连杆调整环b；二级连杆调整环b的下侧设有二级连杆六角螺母；通过二级连杆六角螺母对整体进行压紧；
所述的二级连杆的前端设有三级连杆驱动电机；三级连杆驱动电机的动力输出端上设有三级连杆推力轴承；三级连杆推力轴承下侧设有三级连杆轴套、三级连杆调整环a；三级连杆调整环a下方设有三级连杆；三级连杆上设有三级连杆调整环b；三级连杆调整环b的下侧设有二级连杆六角螺母；通过二级连杆六角螺母对整体进行压紧；三级连杆前端设有喷嘴。
本发明的有益效果是：1)基于傅里叶级数变换的3D打印系统，不仅能够满足现有打印机的工作要求，而且更擅长于打印回转类零件。2)在打印曲面时，利用了傅里叶级数变换，能够获得高质量、高精度的曲面。3)其结构变换更加灵活，对于不同打印尺寸，只需要在此基础上更换不同长度的极径杆即可满足对于不同尺寸的打印需求，即增加级数以满足打印曲率变化明显的高维曲面。4)若要打印更高精度、更高质量的曲面，则只需要增加极径杆的数量即可(增大级数)，有利于该产品的进一步开发利用。5)采用开放式结构设计，结构简单、体积小。6)在同等设备外形尺寸下,基于傅里叶级数变换的3D打印系统的工作范围变得很大，在工作台的移动量较小，噪音也大大降低，使用寿命更长，有利于产品的生产与推广。
附图说明
图1是本发明基于傅里叶级数变换的3D打印系统整体结构示意图。
图2是本发明基于傅里叶级数变换的3D打印系统一级、二级和三级结构示意图。
图3是本发明基于傅里叶级数变换的3D打印系统的仰视图。
图4(a)本发明利用单级傅里叶变换函数模拟幅值不变的波形。
图4(b)本发明利用双级傅里叶变换函数模拟曲率变化不明显的波形。
图4(c)本发明利用三级傅里叶变换函数模拟波形振动频率明显的波形。
图中：1-底座；2-Y轴驱动电机；3-Y轴机架；4-Y轴导杆架A；5-纵向导杆；6-导杆连接件；7-立柱；8-横向驱动电机；9-横向导杆架A；10-X轴机架A；11-丝杠螺母；12-Z 轴机架；13-纵向驱动电机；14-X轴机架B；15-横向导杆架B；16-横向导杆；17-旋转电机架A；18-横向丝杠螺母；19-打印平台；20-旋转电机架B；21-一级连杆推力轴承；22-一级连杆轴套；23-一级连杆调整环a；24-二级连杆调整环b；25-一级连杆六角螺母；26-一级连杆驱动电机；27-一级连杆；28-二级连杆推力轴承；29-二级连杆轴套；30二级连杆调整环a；31-二级连杆调整环b；32-二级连杆六角螺母；33-二级连杆驱动电机；34-二级连杆； 35-三级连杆调整环a；36-三级连杆六角螺母；37-三级连杆调整环b；38-喷嘴；39-三级连杆；40-三级连杆轴套；41-三级连杆推力轴承；42-三级连杆驱动电机；43-打印平台架；44-Y 轴丝杠螺母；45-Y轴导杆；46-Y轴导杆架B。
具体实施方式
下面结合附图1-4(a)～(c)和具体实施方式对本发明的结构原理和工作原理作进一步的详细描述。
为满足更高精度、更高质量的打印效果的要求，其可以增加极径杆，以满足更高级数傅里叶变换的3D打印。在此次说明中仅以三级傅里叶变换的3D打印为例进行描述。
一种基于傅里叶级数变换的3D打印系统的纵向移动组件包括底座1、纵向导杆5、导杆连接件6、立柱7、横向导杆架A9、X轴机架A10、丝杠螺母11、Z轴机架12、纵向驱动电机13。通过所述丝杆螺母11与所述纵向驱动电机13的配合，可以使喷嘴38做纵向运动，从而实现3D打印的逐层打印。
一种基于傅里叶级数变换的3D打印系统的X轴移动组件包括横向驱动电机8、横向导杆架A9、X轴机架A10、X轴机架B14、横向导杆架B15、横向导杆16、旋转电机架 A17、横向丝杠螺母18。通过所述横向丝杆螺母18与所述横向驱动电机8的配合，可以使喷嘴38做横向运动。
一种基于傅里叶级数变换的3D打印系统的Y轴移动组件包括Y轴驱动电机2、Y轴机架3、Y轴导杆架A4、打印平台架43、Y轴丝杠螺母44、Y轴导杆45、Y轴导杆架B46。通过所述Y轴丝杠螺母44与所述Y轴驱动电机2的配合，可以使喷嘴38做Y轴运动。
参见图1、2，一级连杆组件包括一级连杆推力轴承21、一级连杆轴套22、一级连杆调整环a23、二级连杆调整环b24、一级连杆六角螺母25、一级连杆驱动电机26、一级连杆27。一级连杆驱动电机26通过螺栓固定在旋转电机架B20；上；旋转电机架B20通过螺栓固定在旋转电机架A17的中间；一级连杆推力轴承21设在(定位于)一级连杆驱动电机26上；一级连杆调整环a23设在(定位于)一级连杆轴套22下侧；一级连杆轴套22 设在(定位于)一级连杆推力轴承21下侧；一级连杆27设在一级连杆调整环b24上侧；；最后通过一级连杆六角螺母25进行定位压紧。通过所述一级连杆驱动电机26的旋转运动，使得一级连杆可以在平面内做圆周运动(傅里叶变换的第一级)。
参见图1、2，二级连杆组件包括二级连杆推力轴承28、二级连杆轴套29、二级连杆调整环a30、二级连杆调整环b31、二级连杆六角螺母32、二级连杆驱动电机33、二级连杆34。二级连杆驱动电机33通过螺栓固定在二级连杆34上；二级连杆34连接二级连杆驱动电机33上；二级连杆推力轴承28设在(定位于)二级连杆驱动电机33上；二级连杆调整环a30设在(定位于)二级连杆轴套29下侧；二级连杆轴套31设在(定位于)二级连杆推力轴承28的下侧；二级连杆34设在二级连杆调整环b31上侧；最后通过二级连杆六角螺母32进行定位压紧。通过所述二级连杆驱动电机33的旋转运动，使得二级连杆可以在平面内做圆周运动(傅里叶变换的第二级)。
参见图1、2，三级连杆组件包括35-三级连杆调整环a35、三级连杆六角螺母36、三级连杆调整环b37、三级连杆39、三级连杆轴套40、三级连杆推力轴承41、三级连杆驱动电机42。三级连杆驱动电机42通过螺栓固定在三级连杆39上；三级连杆39连接三级连杆驱动电机42上；三级连杆推力轴承41设在(定位于)三级连杆驱动电机42上；三级连杆调整环a35设在(定位于)三级连杆轴套40下侧；三级连杆轴套40设在(定位于) 三级连杆推力轴承41的下侧；三级连杆39设在三级连杆调整环b37上侧；最后通过三级连杆六角螺母36进行定位压紧。通过所述三级连杆驱动电机42的旋转运动，使得三级连杆39可以在平面内做圆周运动(傅里叶变换的第三级)。
转动一级连杆驱动电机26，直接驱动一级连杆27，使其在水平面内做圆周运动(对应傅里叶级数变换的第一级)；
转动二级连杆驱动电机33，直接驱动二级连杆34，使其在水平面内做圆周运动(对应傅里叶级数变换的第二级)。
转动三级连杆驱动电机42，直接驱动三级连杆39，使其在水平面内做圆周运动(对应傅里叶级数变换的第三级)，以上三种运动构成了平面内的傅里叶级数变换；
将纵向驱动电机13的旋转运动转化为丝杠螺母11直线运动，从而让联结在丝杆螺母 11上的X轴机架10做直线运动，最终使一级、二级和三级连杆组件一起做纵向运动；将横向驱动电机8的旋转运动转化为横向丝杠螺母18直线运动，从而让联结在丝杆螺母18 上的旋转电机架A17一起做直线运动，最终使一级、二级和三级连杆组件一起做横向运动；将Y轴驱动电机2的旋转运动转化为丝杠螺母44直线运动，从而让联结在丝杆螺母44上的打印平台架43一起做直线运动，最终使打印平台19沿Y轴运动；以上六种运动共同构成了空间中的傅里叶级数变换，使得打印喷嘴38能够到达空间中的任意位置。
在傅里叶级数变换中，任意曲线都可以看成是利用有限数量的不同频率，不同振幅和不同相位的正弦波信号叠加而来的，本发明通过利用不同的杆长和不同的频率来获得任意曲线。
参见图4(a)，1杆以
的频率绕O点旋转，其1杆另一端点的轨迹通过傅里叶变换可得到曲线1；
参见图4(b)，1杆以
的频率绕O点旋转，2杆以
的频率绕1杆末端旋转，其2杆末端点的轨迹通过傅里叶变换可得到曲线2；
参见图4(c)，1杆以
的频率绕O点旋转，2杆以
的频率绕1杆末端旋转，3杆以
的频率绕2杆末端旋转，其3杆末端点的轨迹通过傅里叶变换可得到曲线3。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。只要是基于傅里叶变换形式打印的3D打印机均属于该专利的保护范围。
Claims (3)
1.基于笛卡尔坐标系的傅里叶变换3D打印系统，包括有底座(1)，其特征在于，底座(1)上固定着两根立柱(7)；每根立柱(7)通过Z轴机架(12)固定着纵向驱动电机(13)；纵向驱动电机(13)通过丝杠螺母(11)与X轴机架A(10)相连，X轴机架A(10)与纵向导杆(5)相连，并通过纵向导杆(5)确定X轴机架A(10)的移动方向；X轴机架A(10)和X轴机架B(14)的下侧分别与横向导杆架A(9)、横向导杆架B(15)相连，横向导杆架A(9)上固定着横向驱动电机(8)；横向驱动电机(8)通过横向丝杠螺母(18)与旋转电机架A(17)相连，旋转电机架A(17)与横向导杆(16)相连，并通过横向导杆(16)确定旋转电机架A(17)的移动方向；旋转电机架A(17)的下侧与旋转电机架B(20)相连，旋转电机架B(20)的下侧依次连接着一级连杆组件(27)、二级连杆组件(34)、三级连杆组件(39)；一级连杆组件(27)、二级连杆组件(34)、三级连杆组件(39)可分别在一级电机(26)、二级电机(33)、三级电机(42)带动下做回转运动；底座(1)上还设有Y轴机架(3)，Y轴机架(3)与Y轴驱动电机(2)相连；底座上的Y轴导杆架A(4)与Y轴导杆(45)相连；Y轴驱动电机(2)通过Y轴丝杠螺母(44)、打印平台架(43)与打印平台(19)连接，打印平台(19)与Y轴导杆架B(46)相连，并通过Y轴导杆(45)确定打印平台(19)的移动方向；
所述的一级连杆驱动电机(26)的动力输出端向下依次设有一级连杆推力轴承(21)、一级连杆轴套(22)、一级连杆调整环a(23)、一级连杆(27)、一级连杆调整环b(24)、一级连杆六角螺母(25)；通过一级连杆六角螺母(25)对整体进行压紧；
所述的一级连杆(27)的前端设有二级连杆驱动电机(33)；二级连杆驱动电机(33)的动力输出端上设有二级连杆推力轴承(28)；二级连杆推力轴承(28)下侧设有二级连杆轴套(29)、二级连杆调整环a(30)；二级连杆调整环a(30)下方设有二级连杆(34)；二级连杆(34)下侧设有二级连杆调整环b(31)；二级连杆调整环b(31)的下侧设有二级连杆六角螺母(32)；通过二级连杆六角螺母(32)对整体进行压紧；
所述的二级连杆(34)的前端设有三级连杆驱动电机(42)；三级连杆驱动电机(42)的动力输出端上设有三级连杆推力轴承(41)；三级连杆推力轴承(41)下侧设有三级连杆轴套(40)、三级连杆调整环a(35)；三级连杆调整环a(35)下方设有三级连杆(39)；三级连杆(39)下侧设有三级连杆调整环b(37)；三级连杆调整环b(37)的下侧设有二级连杆六角螺母(36)；通过二级连杆六角螺母(36)对整体进行压紧；三级连杆前端设有喷嘴(38)。
2.根据权利要求1所述的基于笛卡尔坐标系的傅里叶变换3D打印系统，其特征在于，所述的底座(1)为口字型结构，口字型结构左杆体、右杆体上各设一立柱(7)；两根立柱(7)对称设置在底座(1)上。
3.根据权利要求1所述的基于笛卡尔坐标系的傅里叶变换3D打印系统，其特征在于，所述的纵向导杆(5)的上端Z轴机架(12)相连，纵向导杆(5)的下端与立柱(7)下端的导杆连接件(6)相连。
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