用于五轴3D打印机的零点标定方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，特别涉及一种用于五轴3D打印机的零点标定方法、系统、设备及介质。

背景技术

3D打印又称增材制作，其优点在于能直接利用计算机生成的三维数字模型，通过材料逐层堆叠的方式生成任意形状的实体，因而使得生产制造更加便捷，更适用于未来的个性化制造模式。相比于传统的减材制造技术，它极大地减少了时间成本与材料损耗。

目前，传统的3D打印技术受限于设备结构等原因，在打印时会出现关于阶梯效应或需添加复杂支撑结构的问题；为了解决上述问题，国内外研究人员陆续提出增加打印设备自由度来改变打印方向的五轴3D打印技术；其中，比较实用的一种结构是在传统的三轴3D打印机中增设双回转摇篮式结构转台，以通过加装两自由度的旋转平台，形成五轴3D打印机，进而显著提高3D打印的灵活性。

由于传统的3D打印机只有三个自由度的运动；因此，打印原点可以设置在平台上任意一点，即对打印原点的精度要求较低；使用时，通过传统的接触式限位开关即可满足原点标定需求；但应用五轴3D打印机时，由于加工精度有限以及现有的接触式限位开关无法满足对五轴3D打印机的打印原点进行确定，即无法满足对五轴3D打印机的零点标定需求；在实际模型打印时，若转台没有调平，将使打印喷头挤出熔丝无法附着转台台面上；其次，由于打印原点无法精确确定，将使得模型的外形轮廓时实际值与原设计尺寸不符；另外，打印原点的设定位置一旦与实际位置有偏差，在打印过程中转台旋转后会导致打印喷头无法准确定位，极大影响成型质量以及表面精度。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种用于五轴3D打印机的零点标定方法、系统、设备及介质，以解决由于加工精度有限以及现有的接触式限位开关无法满足对五轴3D打印机的打印原点进行确定，即无法满足对五轴3D打印机的零点标定需求的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种用于五轴3D打印机的零点标定方法，包括：

构建双回转摇篮式结构转台的转台台面坐标系，得到转台坐标系xyz；

在双回转摇篮式结构转台的转台台面中部任意选取一点作为预估的打印原点；其中，所述预估的打印原点在所述转台坐标系xyz中的坐标为(x，y)；

对所述预估的打印原点的x轴坐标值增加偏移量l

对所述预估的打印原点的y轴坐标值增加偏移量l

根据所述偏移量l

利用所述预估的打印原点相对于真实的打印原点的误差，对所述预估的打印原点进行修正，获得真实的打印原点，即得到五轴3D打印机的零点标定结果。

进一步的，构建双回转摇篮式结构转台的转台台面坐标系，得到转台坐标系xyz的过程，具体如下：

定义双回转摇篮式结构转台绕水平方向旋转的转轴为转台坐标系xyz的x轴，定义绕双回转摇篮式结构转台的转台台面法线方向的转轴为转台坐标系xyz的z轴，定义双回转摇篮式结构转台的真实圆心为转台坐标系xyz的坐标原点，按右手定则确定转台坐标系xyz的y轴。

进一步的，根据所述第一参考点，利用打印喷头在转台台面上进行旋转打印，得到第一参考圆的过程，具体如下：

将打印喷头移动至所述第一参考点的上方，以转台坐标系xyz的z轴为旋转轴，对转台台面进行旋转，利用打印喷头在转台台面上打印出圆轮廓，得到所述第一参考圆。

进一步的，根据所述第二参考点，利用打印喷头在转台台面上进行旋转打印，得到第二参考圆的过程，具体如下：

将打印喷头移动至所述第二参考点的上方，以转台坐标系xyz的z轴为旋转轴，对转台台面进行旋转，利用打印喷头在转台台面上打印出圆轮廓，得到所述第二参考圆。

进一步的，所述预估的打印原点相对于真实的打印原点的误差包括x轴坐标误差和y轴坐标误差；

其中，所述x轴坐标误差和y轴坐标误差的计算过程，具体如下：

其中，Δx为x轴坐标误差，Δy为y轴坐标值误差。

进一步的，所述真实的打印原点的坐标值为(x+Δx,y+Δy)。

进一步的，获得真实的打印原点之后，还包括打印喷头的零点标定步骤；

其中，所述打印喷头的零点标定步骤，具体如下：

将所述打印喷头移动至所述真实的打印原点上方，至此五轴3D打印机的零点标定操作完成。

本发明还提供了一种用于五轴3D打印机的零点标定系统，包括：

坐标系模块，用于构建双回转摇篮式结构转台的转台台面坐标系，得到转台坐标系xyz；

原点预估模块，用于在双回转摇篮式结构转台的转台台面中部任意选取一点作为预估的打印原点；其中，所述预估的打印原点在所述转台坐标系xyz中的坐标为(x，y)；

第一参考圆模块，用于对所述预估的打印原点的x轴坐标值增加偏移量l

第二参考圆模块，用于对所述预估的打印原点的y轴坐标值增加偏移量l

误差计算模块，用于根据所述偏移量l

原点修正模块，用于利用所述预估的打印原点相对于真实的打印原点的误差，对所述预估的打印原点进行修正，获得真实的打印原点，即得到五轴3D打印机的零点标定结果。

本发明还提供了一种用于五轴3D打印机的零点标定设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现所述的用于五轴3D打印机的零点标定方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的用于五轴3D打印机的零点标定方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种用于五轴3D打印机的零点标定方法及系统，通过对预估的打印原点的x轴坐标值和y轴坐标值分别设置偏移量，并根据偏移后的参考点打印两个参考圆；根据两个参考圆的直径以及预估的打印原点的x轴坐标值和y轴坐标值的偏移量，结合平面几何关系，获得预估的打印原点与真实的打印原点的误差值，并根据误差值对预估的打印原点的坐标值进行修正，即可获得真实的打印原点的坐标值，实现对五轴3D打印机的零点标定；本发明无需安装额外的传感器设备，即可快速对五轴3D打印机进行原点定位，标定操作执行速度快，计算难度低，操作过程简单，对操作人员的要求低，并且重复精度较高，定位一次可以满足较长时间的使用需求。

附图说明

图1为实施例所述的用于五轴3D打印机的零点标定方法的原理图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于五轴3D打印机的零点标定方法，所述五轴3D打印机包括3D打印机本体及双回转摇篮式结构转台；所述3D打印机本体为传统的3D打印机，其中设置有打印喷头；所述双回转摇篮式结构转台包括一个转台台面，所述转台台面具有水平方向的旋转自由度及其法线方向的旋转自由度。

具体的，所述用于五轴3D打印机的零点标定方法，包括以下步骤：

步骤1、构建双回转摇篮式结构转台的转台台面坐标系，得到转台坐标系xyz；具体的，定义双回转摇篮式结构转台绕水平方向旋转的转轴为转台坐标系xyz的x轴，定义绕双回转摇篮式结构转台的转台台面法线方向的转轴为转台坐标系xyz的z轴，定义双回转摇篮式结构转台的真实圆心为转台坐标系xyz的坐标原点，按右手定则确定转台坐标系xyz的y轴。

步骤2、在双回转摇篮式结构转台的转台台面中部任意选取一点作为预估的打印原点；其中，所述预估的打印原点在所述转台坐标系xyz中的坐标为(x,y)。

步骤3、对所述预估的打印原点的x轴坐标值增加偏移量l

对所述预估的打印原点的x轴坐标值增加偏移量l

将打印喷头移动至所述第一参考点的上方，以转台坐标系xyz的z轴为旋转轴，对转台台面进行旋转，利用打印喷头在转台台面上打印出圆轮廓，得到所述第一参考圆；

对所述第一参考圆的直径进行测量，得到所述第一参考圆的直径为D

步骤4、对所述预估的打印原点的y轴坐标值增加偏移量l

对所述预估的打印原点的y轴坐标值增加偏移量l

将打印喷头移动至所述第二参考点的上方，以转台坐标系xyz的z轴为旋转轴，对转台台面进行旋转，利用打印喷头在转台台面上打印出圆轮廓，得到所述第二参考圆；

对所述第二参考圆的直径进行测量，得到所述第二参考圆的直径为D

步骤5、根据所述偏移量l

其中，所述x轴坐标误差和y轴坐标误差的计算过程，具体如下：

其中，Δx为x轴坐标误差，Δy为y轴坐标值误差。

步骤6、利用所述预估的打印原点相对于真实的打印原点的误差，对所述预估的打印原点进行修正，获得真实的打印原点，即得到五轴3D打印机的零点标定结果；其中，所述真实的打印原点的坐标值为(x+Δx,y+Δy)。

步骤7、打印喷头的零点标定；具体的，将所述打印喷头移动至所述真实的打印原点上方，至此五轴3D打印机的零点标定操作完成。

零点标定原理：

本发明所述的用于五轴3D打印机的零点标定方法，通过建立转台坐标系xyz，在转台台面中部任意选取一点作为预估的打印原点，分别对所述预估的打印原点的x轴坐标值和y轴坐标值设置偏移量，根据偏移后的两个参考点，利用转台台面绕z轴通过打印喷头进行旋转打印，在转台台面上获得两个圆轮廓，即得到两个参考圆；根据两个参考圆的直径以及预估的打印原点的x轴坐标值和y轴坐标值的偏移量，结合平面几何关系，获得预估的打印原点与真实的打印原点的误差值，并根据误差值对预估的打印原点的坐标值进行修正，即可获得真实的打印原点的坐标值，实现对五轴3D打印机的零点标定。

本发明中，无需安装额外的传感器设备，即可快速对五轴3D打印机进行原点定位，能有效确定五轴3D打印机的打印原点，具有成本低，速度快等优点；适用性广泛，适用于转台式3D打印机，也可以推广到其他类似具有转台结构的设备中；同时，所述标定方法执行速度快，计算简单，对操作人员要求低；并且重复精度较高，定位一次可以满足较长时间的使用需求。

本发明还提供了一种用于五轴3D打印机的零点标定系统，包括坐标系模块、原点预估模块、第一参考圆模块、第二参考圆模块、误差计算模块及原点修正模块；坐标系模块，用于构建双回转摇篮式结构转台的转台台面坐标系，得到转台坐标系xyz；原点预估模块，用于在双回转摇篮式结构转台的转台台面中部任意选取一点作为预估的打印原点；其中，所述预估的打印原点在所述转台坐标系xyz中的坐标为(x,y)；第一参考圆模块，用于对所述预估的打印原点的x轴坐标值增加偏移量l

本发明还提供了一种用于五轴3D打印机的零点标定设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现用于五轴3D打印机的零点标定方法的步骤。

所述处理器执行所述计算机程序时实现上述用于五轴3D打印机的零点标定方法的步骤，例如：构建双回转摇篮式结构转台的转台台面坐标系，得到转台坐标系xyz；在双回转摇篮式结构转台的转台台面中部任意选取一点作为预估的打印原点；其中，所述预估的打印原点在所述转台坐标系xyz中的坐标为(x,y)；对所述预估的打印原点的x轴坐标值增加偏移量l

或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述系统中各模块的功能，例如：坐标系模块，用于构建双回转摇篮式结构转台的转台台面坐标系，得到转台坐标系xyz；原点预估模块，用于在双回转摇篮式结构转台的转台台面中部任意选取一点作为预估的打印原点；其中，所述预估的打印原点在所述转台坐标系xyz中的坐标为(x,y)；第一参考圆模块，用于对所述预估的打印原点的x轴坐标值增加偏移量l

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成预设功能的一系列计算机程序指令段，所述指令段用于描述所述计算机程序在所述用于五轴3D打印机的零点标定设备中的执行过程。

例如，所述计算机程序可以被分割成坐标系模块、原点预估模块、第一参考圆模块、第二参考圆模块、误差计算模块及原点修正模块，各模块具体功能如下：坐标系模块，用于构建双回转摇篮式结构转台的转台台面坐标系，得到转台坐标系xyz；原点预估模块，用于在双回转摇篮式结构转台的转台台面中部任意选取一点作为预估的打印原点；其中，所述预估的打印原点在所述转台坐标系xyz中的坐标为(x,y)；第一参考圆模块，用于对所述预估的打印原点的x轴坐标值增加偏移量l

所述用于五轴3D打印机的零点标定设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述用于五轴3D打印机的零点标定设备可包括，但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述是用于五轴3D打印机的零点标定设备的示例，并不构成对用于五轴3D打印机的零点标定设备的限定，可以包括比上述更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述用于五轴3D打印机的零点标定设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者所述处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述用于五轴3D打印机的零点标定设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个用于五轴3D打印机的零点标定设备的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述用于五轴3D打印机的零点标定设备的各种功能。

所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(SmartMediaCard,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种用于五轴3D打印机的零点标定方法的步骤。

所述用于五轴3D打印机的零点标定系统集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

基于这样的理解，本发明实现上述用于五轴3D打印机的零点标定方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，所述计算机程序在被处理器执行时，可实现上述用于五轴3D打印机的零点标定方法的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或预设中间形式等。

所述计算机可读存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

需要说明的是，所述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读存储介质不包括电载波信号和电信信号。

实施例

以主流的五轴3D打印机的零点标定过程为例；其中，所述五轴3D打印机为在传统的prusa-i3型3D打印机中，引入双回转摇篮式结构转台；双回转摇篮式结构转台包括转台台面，转台台面具有具有水平方向的旋转自由度及其法线方向的旋转自由度；其中，为实现转台台面的两个旋转自由度，所述双回转摇篮式结构转台中设置有水平方向和法线方向的两个旋转轴，两个旋转轴分别采用步进电机和减速器的方式进行驱动。

本实施例提供了一种用于五轴3D打印机的零点标定方法，包括以下步骤：

步骤1、建立转台坐标系xyz

构建双回转摇篮式结构转台的转台台面坐标系，得到转台坐标系xyz；其中，定义双回转摇篮式结构转台绕水平方向旋转的转轴为转台坐标系xyz的x轴，定义绕双回转摇篮式结构转台的转台台面法线方向的转轴为转台坐标系xyz的z轴，定义双回转摇篮式结构转台的真实圆心为转台坐标系xyz的坐标原点，按右手定则确定转台坐标系xyz的y轴。

需要说明的是，所述双回转摇篮式结构转台的转台台面为水平状态；其中，为保证转台平面处于水平状态，即x轴水平，采用倾角仪对转台平面的倾角进行监测，通过串口获取所述倾角仪的实时读数，利用步进电机的转动方向到达预设位置，以使转台平面处于水平状态，并将水平的状态定为x轴和z轴的零位。

步骤2、设定预估的打印原点

在双回转摇篮式结构转台的转台台面中部任意选取一点作为预估的打印原点，并记为M；其中，所述预估的打印原点在所述转台坐标系xyz中的坐标为(x,y)。

步骤3、打印参考圆

步骤31、对所述预估的打印原点的x轴坐标值增加偏移量l

步骤32、对所述预估的打印原点的y轴坐标值增加偏移量l

步骤4、计算原点误差

根据所述偏移量l

其中，所述x轴坐标误差和y轴坐标误差的计算过程，具体如下：

其中，Δx为x轴坐标误差，Δy为y轴坐标值误差。

步骤5、原点修正

利用所述预估的打印原点相对于真实的打印原点的误差，对所述预估的打印原点进行修正，获得真实的打印原点并记为P，即得到五轴3D打印机的零点标定结果；其中，所述真实的打印原点的坐标值为(x+Δx，y+Δy)

步骤6、打印喷头的零点标定

将所述打印喷头移动至所述真实的打印原点上方，至此五轴3D打印机的零点标定操作完成。

本实施例提供的一种用于五轴3D打印机的零点标定系统、设备及计算机可读存储介质中相关部分的说明可以参见本实施例所述的一种用于五轴3D打印机的零点标定方法中对应部分的详细说明，在此不再赘述。

本发明所述的用于五轴3D打印机的零点标定方法及系统，利用两个参考圆对预估的打印原点与真实的打印原点的误差值进行计算，根据误差值对预估的打印原点进行修正，得到真实的打印原点，即实现对五轴3D打印机的零点标定，无需增加外部传感器设备，具有成本低、速度快及适用性广泛等优点。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。