基于优化散热的3D即时打印的位移曲线绘制系统及方法

摘要

本发明公开了基于优化散热的3D即时打印的位移曲线绘制系统及方法，包括：模型生成装置，用于将待绘制曲线的设备的模型进行生成；模型制作装置，用于将生成的模型进行3D打印制作；测绘装置，用于将3D打印制作的模型进行位移曲线同步绘制，并将绘制的曲线通过传感设备传输至上位机，在上位机中将实时监测的模型的位移曲线与模型生成时设定的参数进行误差对比。将凸轮的设计、制作和测绘这三个步骤巧妙的结合在一起，与目前存在的测绘仪器有很大的不同，创新了一种更有效的实验教学模式，填补了目前教学实验仪器市场上的空白。

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及基于优化散热的3D即时打印的位移曲线绘制系统 及方法。

背景技术

目前，《机械设计基础》等课程都含有凸轮机构，凸轮机构的重点内容和难点内容都包含 凸轮位移曲线。教师口述难以把原理表达得清楚，学生绘图时容易出错。目前现有的技术只 有凸轮机构的演示模型，较难理解凸轮形状与从位移曲线之间的关系，曲线形成过程抽象， 教学效果比较差。

现有技术中公开了“申请号：201320865424.5”，专利名称为“几何参数可变型凸轮运动 位移曲线绘制仪”，该绘制仪器虽然能够获得凸轮的绘制曲线，但是学生无法得知绘制的精度， 总之，现有的设备仅仅可以将符合绘制仪结构的凸轮进行位移曲线的绘制，无法得到凸轮的 参数，如加速度、压力角、偏心距等，对绘制的后续工作无法进行进一步的处理，使用不够 方便。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于优化散热的3D即时打印的位移曲线绘制 系统及方法，本发明不仅能够达到随着凸轮转动其位移曲线可以同步绘制出来，而且可以实 现验证设计参数是否有误差。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

基于优化散热的3D即时打印的位移曲线绘制系统，包括：

模型生成装置，用于将待绘制曲线的设备的模型进行生成；

模型制作装置，用于将生成的模型进行3D打印制作；

测绘装置，用于将3D打印制作的模型进行位移曲线同步绘制，并将绘制的曲线通过传感 设备传输至上位机，在上位机中将实时监测的模型的位移曲线与模型生成时设定的参数进行 误差对比。

进一步的，所述模型制作装置为3D打印设备，3D打印设备采用优化的散热组件。

进一步的，所述优化的散热组件设置在3D打印机的喷头内部且包裹在喷出融化材料的导 管的外部，用于对融化材料进行有效散热。

进一步的，所述优化的散热组件包括散热组件本体，在散热组件本体上设置有直肋，直 肋肋片间隔交叉开孔，散热组件本体一端设有在滚动轴承连接处，滚动轴承设置在滚动轴承 连接处的位置，滚动轴承内圈通过焊接的方式与散热件相连，外圈通过焊接的方式与喷头相 连，具体为与喷头内部剩余原螺纹连接金属部分相连。

进一步的，所述喷头内还设有散热风扇，用于交错吹风使散热件转动。

进一步的，所述测绘装置包括调速电机，所述调速电机输出轴分别与皮带传输机构及待 绘制曲线的设备的模型相连，待绘制曲线的设备的模型与水平方向绘制机构相连，皮带传输 机构与垂直方向绘制机构，垂直方向绘制机构与画板相连，水平方向绘制机构与画笔相连。

进一步的，所述画笔前端装有传感器探头，传感器探头采用光栅传感器，光栅传感器将 检测的信号传输至上位机。

进一步的，所述测绘装置还包括底座，所述底座上设置有电机座，电机座上设有调速电 机，所述底座上还设有底板，所述底板上设有水平方向绘制机构，所述水平方向绘制机构包 括滚子，被测件凸轮通过滚子与直线轴承支架相连，所述直线轴承支架由支撑装置支撑，支 撑装置包括两个直线轴承滑杆，两个直线轴承滑杆上分别设有各自对应的直线轴承滑块，直 线轴承支架与笔架相连所述笔架通过拉簧与画笔相连。

进一步的，垂直方向绘制机构包括皮带传动机构，包括安装在调速电机的输出轴上的第 一皮带轮，第一皮带轮通过皮带与第二皮带轮相连，所述第二皮带轮与传动轴相连，传动轴 通过相啮合的第一锥齿轮及第二锥齿轮相连，第二锥齿轮通过同轴的第一齿轮和第二齿轮与 上滚筒相连。

进一步的，所述上滚筒通过转动轴连接在画板架上，画板架通过螺栓连接在底座上。上 滚筒与下滚筒相连，上滚筒与下滚筒之间设有画板。

进一步的，基于优化散热的3D即时打印的位移曲线绘制方法，包括以下步骤：

步骤一：在上位机中将待绘制曲线的设备的模型进行生成；

步骤二：将生成的模型传输至3D打印设备并进行3D打印制作；

步骤三：将打印好的待绘制曲线的设备的模型放入测绘装置，启动调速电机，调速电机 带动水平方向绘制机构及垂直方向绘制机构动作，垂直方向绘制机构带动画板垂直运动，水 平方向绘制机构带动画板水平运动，画笔在画板上画出待绘制曲线的设备的模型的位移曲线；

步骤四：画笔通过传感设备将模型的位移曲线传输至上位机，在上位机中将实时监测的 模型的位移曲线与模型生成时设定的参数进行误差对比。

本发明的有益效果：

1、将凸轮的设计、制作和测绘这三个步骤巧妙的结合在一起，与目前存在的测绘仪器有 很大的不同，创新了一种更有效的实验教学模式，填补了目前教学实验仪器市场上的空白。

2、凸轮测绘仪器部分，可以通过改变中心距、更换凸轮轮廓这两种方式，快速便捷的调 整凸轮的几何参数。通过测绘，获取凸轮相关参数，可以反向验证是否与自主设计时的设定 参数相吻合。

3、凸轮制作设备部分，采用了更加优化的散热组件，相较现有的打印机散热片形式，采 取直肋的形式，在表面积一定的条件下，获取更大的换热面积。散热片上下连接处通过转子 实现转动，肋片采用间隔交叉开孔的方式，并借助风扇相向交错吹风，以形成空气流场增强 散热。这种优化散热的方式可以使打印机高效制作需要的凸轮，并节省了因喷头堵塞造成的 材料浪费。

4、信号输出部分，借助光栅采集运动路径将图像导入电脑。方便直观，可以有效地进行 凸轮压力角、加速度、位移等误差的对比，学生能深入了解凸轮结构与运动的规律。

附图说明

图1本发明的测绘装置的正视图；

图2本发明的测绘装置的俯视图；

图3本发明的测绘装置的左视图；

图4本发明的优化散热组件的正视图；

图5本发明的优化散热组件的俯视图；

图6本发明的优化散热组件的左视图；

图中，1、被测件凸轮，2、第一皮带轮，3、皮带，4、第一齿轮，5、第二皮带轮，6、 上滚筒，7、画板，8、下滚筒，9、笔架，10、直线轴承滑杆，11、直线轴承滑块，12、底座， 13、第二齿轮，14、调速电机，15、第一锥齿轮，16、第二锥齿轮，17、画笔，18、拉簧， 19、位移传感器的杆，20位移传感器的箱体，1-1、孔，1-2、直肋，1-3、散热件滚动轴承连 接处。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

实施例子中，测绘装置可以测绘多种构件，以凸轮为例进行说明；测绘部分可以验证设 计部分的参数，这是与现存测绘装置的一大不同；将即时设计制作、测绘、反向验证巧妙结 合，也是一大特点。

本申请给出一种可以同步绘制出不同型号凸轮位移曲线来让学生更直观的理解，能够达 到随着凸轮转动其位移曲线可以同步绘制出来。本研究构想能够设计一套可以让学生自主设 计凸轮并进行制作的模块，让学生在设计过程中进一步了解凸轮的各项性能，设计出的凸轮 可以进行同步曲线测绘并来验证设计参数是否有误差。

本装置可分为设计模块、制作模块、测绘模块和信号输出四个模块，学生可以通过电脑 软件自主设计凸轮结构，在3D打印模块上即时制作出来，然后将凸轮实物放到测绘模块上进 行同步绘图，将绘制曲线及数据显示在电脑上，便于学生们数据分析及验证。

仪器工作过程：凸轮自主设计→3D即时打印→位移曲线同步测绘→光栅信号采集输出。

在凸轮自主设计过程中，学生可以通过计算机辅助设计(CAD)或计算机动画建模软件建 模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。在设计中，学 生可以对凸轮的各项知识有一个具体的了解，实现了对知识的整体把握。

在3D即时打印过程中，为防止打印机喷嘴因温度过高而导致堵塞，采用一种新型喷头， 可以优化喷头的散热。3D打印机通过读取文件中的横截面信息，用长条状材料将这些截面逐 层地打印出来，再将各层截面以堆积方式粘合起来从而制造出一个实体。学生可以很直观的 观察3D打印机制作凸轮的过程，对凸轮的各项结构也有很直观的了解。

即时打印部分，创新了一种新的喷头喉管处的散热件，采取直肋交叉打孔的方式，一排 肋开三个孔，与之紧挨的两个肋开两个孔，并在滚动轴承连接处采用滚动轴承而非螺纹相连， 辅以散热风扇交错吹风使散热件转动，这样就大大优化了喷头的散热，能够更好地防止喷头 堵塞现象的发生。

该优化散热件就在3D打印机的喷头内部，包裹在喷出融化材料的导管的外部，来对融化 材料进行有效散热，防止融化的材料堵塞喷头的喷嘴。

散热组件上面成排排列的就是直肋，直肋是为了优化散热进行设计的，通过设计直肋， 可以在表面积不变的情况下大大增加换热面积从而达到优化散热的目的。

滚动轴承内圈通过焊接的方式与散热件相连，外圈通过焊接的方式与喷头内部剩余原螺 纹连接金属部分相连。

在位移曲线同步测绘过程中，3D打印制作好的凸轮放入本装置后，装置可以通过低速电 机带动其转动，并在其转动同时实现轨迹曲线的同步绘制，在绘图笔前端装有传感器探头， 可以及时将绘图结果及数据显示到电脑上。学生们可以直观的观察到随着凸轮转动其位移曲 线的同步绘出，能够很直接的理解位移曲线的生成过程，并且可以通过读取的数据来验证参 数是否与自主设计相吻合，相关数据可以被用来进行凸轮相关的验证和推导。

在光栅信号采集输出中，通过光栅输出三路信号，借助软件显示到电脑。为同学们的学 习提供更大的便利，同时在运用中，学生能有效了解光栅采集信号的优越性，对凸轮设计要 点深入理解。

在本申请的实施例子中，如图1-3所示，上述绘制装置具体包括底座12，底座12上设有 电机座，底座与电机座通过螺栓连接，电机座上设有调速电机14，调速电机14通过螺栓连 接在电机座上，电机的输出轴上与第一皮带轮2相连，第一皮带轮2通过皮带3与第二皮带 轮5相连，所述第二皮带轮5与传动轴相连，传动轴通过相啮合的第一锥齿轮15及第二锥齿 轮16相连，第二锥齿轮16通过同轴的第一齿轮4和第二齿轮13与上滚筒6相连，上滚筒6 通过转动轴连接在画板架上，画板架通过螺栓连接在底座12上。上滚筒6与下滚筒8相连， 上滚筒6与下滚筒8之间设有画板7；

电机的输出轴上还设有被测件凸轮1，被测件凸轮1与直线轴承支架通过滚子相连，所 述直线轴承支架由支撑装置支撑，支撑装置为两个直线轴承滑杆10，两个直线轴承滑杆10 上均设有直线轴承滑块11，直线轴承支架与笔架9相连，所述笔架9通过拉簧18与画笔17 相连。

如图4-6所示，散热组件包括散热组件本体，散热组件本体上设有直肋1-2，直肋1-2上 设有孔1-1，散热件滚动轴承连接处1-3用于散热件滚动轴承的连接。

画笔17上设有位移传感器探头，位移传感器探头通过位移传感器的杆19与位移传感器的 传感器箱体20相连，传感器箱体与上位机相连。位移传感器的杆连接画笔的笔架，可以通过 感知画笔绘制曲线的过程来将绘制的曲线同步至电脑。

工作原理：本申请是一套以经过优化散热的3D打印机即时制作被测零件并对被测零件进 行运动轨迹及参数测绘的系统。经过3D打印机可以根据设计者的设计参数即时打印出所需测 量的被测件，这里以凸轮为例，即时制作好的凸轮安装在测绘部分上，由调速电机带动整个 测绘部分运作。调整调速电机的转速维持在低转速，此时电机杆带动被测件凸轮及皮带转动， 皮带带动皮带轮进而通过第一锥齿轮及第二锥齿轮和第一齿轮及第二齿轮将转动传动到画板 上，从而带动画板进行垂直方向的移动；在被测件凸轮进行转动的同时，带动直线轴承滑杆 及笔架的水平方向的移动，从而使画笔可以进行水平方向的移动，垂直方向和水平方向的运 动即可合成整个被测件的运动轨迹。画笔的前段装有传感器探头，可以及时将绘图结果及数 据同步显示到电脑上，以便与起初设计时的参数进行比对，从而验证测绘部分的可靠性。

本发明的测绘装置不仅仅可以绘制凸轮的运动轨迹，验证凸轮的设计参数，还可以通过 即时制作其他的被测件如连杆机构及各种位移曲线较难想象的传动机构来实现对该被测件运 动轨迹的绘制及参数的读取。

本发明可以通过自主设计被测件的参数并通过测绘部分得到测得的参数，从而进行比较， 可以更好地验证设计参数及测绘部分的准确性，创新了一种新的设计测绘的结合模式。

同步显示部分，采用光栅传感器，画笔前端装有传感器探头，在画板上进行运动轨迹绘 制的同时，可以同步显示在电脑端，更加高效直接地读取各个运动参数以便记录及比较。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。