CN104626591B - 一种单塔旋转臂3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单塔旋转臂3D打印机，包括带有打印头的打印臂，所述打印机还包括一个安装在支撑架上的立柱，一个连接件与立柱滑动连接，所述打印臂是固定在连接件上，在所述立柱上设置有第一驱动装置，所述第一驱动装置用于带动打印臂沿立柱上下行走；在所述连接件上设置有一个驱动电机，所述驱动电机通过打印臂带动打印头移动；一个第二驱动装置带动打印臂做垂直于立柱的旋转。本发明使3D打印机摆脱了框架和龙门式结构，从而便于扩大打印空间，通过增加单塔高度和旋转臂长度的方式即可以方便的增大打印空间。

Description

一种单塔旋转臂3D打印机

技术领域

本发明涉及3D打印机，特别涉及一种单塔旋转臂3D打印机，在一个垂直竖立的立柱上设置一个固定打印头的支撑臂，支撑臂通过驱动机构沿立柱上下运动，立柱或支撑臂还可以做圆周运动实现3D打印。

背景技术

3D打印机可以做X、Y、Z三轴运动，通过3D打印机可以实现物体的立体结构的成型，作为3D打印机的结构目前主要是框架结构或者是龙门结构，其中框架结构的3D打印机也被称作是并联臂结构；龙门结构的3d打印机，其打印平台可以是固定不动的，也可以是配合打印头进行移动的，打印平台的大小受限制于xyz方向移动的轨道的长度。并联臂3D打印机的打印平台要放置在三组吊臂运行的轨道所圈定的空间内。因此，上述结构的打印机受到结构的限制其打印平台相对固定，可扩展范围小。

发明内容

本发明的目的是提出一种单塔旋转臂3D打印机技术方案，在一个垂直竖立的立柱上独立设置一个固定打印头的支撑臂，支撑臂通过驱动机构沿立柱上下运动，立柱或支撑臂还可以做圆周运动实现3D打印。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种单塔旋转臂3D打印机，包括带有打印头的打印臂，其中，所述打印机还包括一个安装在支撑架上的立柱，一个连接件与立柱滑动连接，所述打印臂固定在连接件上，在所述立柱上设置有第一驱动装置，所述第一驱动装置用于带动打印臂沿立柱上下行走；在所述连接件上设置有一个驱动电机，所述驱动电机通过打印臂带动打印头移动；一个第二驱动装置带动打印臂做垂直于立柱的旋转。

方案进一步是：所述第一驱动装置是皮带传动装置，所述皮带传动装置平行于所述立柱设置，包括沿立柱上下设置的皮带轮，一个皮带套在皮带轮上；所述连接件用一个连接夹与皮带固定连接，一个电机驱动皮带轮转动，皮带带动打印臂沿立柱上下行走。

方案进一步是：所述第一驱动装置是螺杆传动装置，所述螺杆传动装置平行于所述立柱设置，包括平行于所述立柱设置的一个外螺纹立杆，外螺纹立杆上设置有与其啮合的螺母，所述连接件用一个连接夹与螺母固定连接，一个电机驱动外螺纹立杆转动，螺母带动打印臂沿立柱上下行走。

方案进一步是：所述第一驱动装置是齿条传动装置，所述齿条传动装置平行于所述立柱设置，包括沿立柱上下设置的齿条，一个齿轮与齿条啮合并转动固定在所述连接件上，一个电机驱动齿轮转动，齿轮带动打印臂沿立柱上下行走。

方案进一步是：所述打印臂是一个由两组相对设置的边杆相互铰接形成的平行四边形连杆，其中一组称为第一组，另一组称为第二组，第一组的一条边杆连接打印头，第一组的另一条边杆和连接件连接为一体，并且所述第一组另一条边杆与第二组连接的两个铰接轴连线与立柱呈30度至60夹角设置，在连接件上设置有一个转轴，所述转轴与边杆轴向呈90度角设置，并且所述转轴与第二组的一条边杆在铰接轴处固定连接，所述驱动电机驱动转轴转动，转轴通过与之连接的所述第二组的一条边杆带动平行四边形连杆以转轴为中心变换形状，进而带动打印头以转轴为中心做弧线运动。

方案进一步是：所述打印头的打印嘴轴线与所述立柱轴线平行。

方案进一步是：所述打印臂是由多组平行四边形连杆对接组成，平行四边形连杆的四个连接端是铰接，四个连接端相对的两个连接端之间设置有可伸缩联动推杆；多组平行四边形连杆的最內端一组连接在连接件上，最外端一组连接打印头，所述驱动电机驱动四边形连杆的可伸缩联动推杆，可伸缩联动推杆带动平行四边形连杆展开与收缩，进而实现打印头相对于所述立柱的前后移动。

方案进一步是：所述打印臂是螺纹驱动伸缩杆，包括一个外螺纹螺杆，所述打印头设置在螺杆的前端，外螺纹螺杆上设置有与其啮合的螺母，螺母与连接件转动配合连接，所述驱动电机驱动螺母转动，螺母带动螺杆前后移动，进而实现打印头相对于所述立柱的前后移动。

方案进一步是：所述第二驱动装置是齿轮传动装置，包括电机、一个主动齿轮和与之啮合的从动齿轮，从动齿轮的齿轮轴是所述立柱的延伸轴，电机驱动主动齿轮转动，从动齿轮带动立柱转动，进而实现打印臂以立柱为中心旋转。

方案进一步是：所述第二驱动装置是皮带传动装置，包括电机、一个主动皮带轮和从动皮带轮，从动皮带轮的皮带轴是所述立柱的延伸轴，电机驱动主动皮带轮转动，从动皮带轮带动立柱转动，进而实现打印臂以立柱为中心旋转。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1.使3D打印机摆脱了框架和龙门式结构，从而便于扩大打印空间，通过增加单塔高度和旋转臂长度的方式即可以方便的增大打印空间。

2.可折叠的悬臂，在机器不使用时，可以方便折叠，靠拢单塔，从而减小体积，节省空间，无论是小型的家用机还是大型的工业机，都方便运输。

3.单塔式旋转臂3D打印机可以在已有的物体上进行打印，由于单塔旋转臂结构的无框架优势，可以使3D打印机不再局限于固定的打印平台上完成打印；比如说在底面上放置了一个石凳，由于单塔悬臂机既方便移动，又有旋转臂，可以将机器放置于石凳旁，通过打印头上携带的自调平探针探测石凳平面，然后在石凳上面进行打印。

4.降低了制作成本。由于单塔旋转臂设计，不再需要框架，比以往的打印机减少了3/4至2/3的结构制作费用。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1 为本发明第一驱动装置的第一优选方案结构示意图；

图2为本发明第一驱动装置的第二优选方案结构示意图；

图3为本发明第一驱动装置的第三优选方案结构示意图；

图4为本发明打印臂第一优选方案结构示意图；

图5为本发明打印臂第二优选方案结构示意图；

图6为本发明打印臂第三优选方案结构示意图；

图7为本发明第二驱动装置的齿轮传动结构示意图；

图8为本发明第二驱动装置的皮带传动结构示意图；

图9为本发明几个优选方案组合的整体打印机结构示意图。

具体实施方式

本实施例所展示的是一种单塔旋转臂3D打印机，与传统3D打印机相同，打印机带有打印头的供料系统，根据需要打印头上携带自调平探针，本实施例打印机结构与传统的打印机有了本质的区别，不是框架结构也不是龙门结构，如图1所示，打印机包括带有打印头1的打印臂2，其中，所述打印机还包括一个安装在支撑架3上的立柱4，所述支撑架包括一个底座301和顶板302，立柱固定在底座和顶板上，底座和顶板之间还有加强支撑架结构的辅助支撑柱303；立柱上设置有导轨401，一个连接件5通过导轨与立柱滑动连接，所述打印臂独立固定在连接件上,在所述立柱上设置有第一驱动装置6：所述第一驱动装置用于带动打印臂沿立柱上下行走；在所述连接件上设置有一个驱动电机7：所述驱动电机通过驱动打印臂带动打印头移动；一个第二驱动装置8带动打印臂做垂直于立柱的旋转，本实施例是带动打印臂以立柱为中心旋转；所述第一驱动装置实现打印头的Z坐标运动，至少是由所述驱动电机和第二驱动装置通过打印驱动程序配合控制实现打印头的X、Y坐标运动；当然，本实施例3D打印机还包括有驱动第一驱动装置、驱动电机、第二驱动装置带动打印臂做X、Y、Z三轴运动的驱动电路和与计算机连接的接口电路，这些电路都是一种已知的常规设计电路。

实施例中，作为第一驱动装置有多种方案可以实现驱动打印臂沿立柱上下行走；本实施例选择了三种优选方案，其中：

第一优选方案：如图1所示，所述第一驱动装置是平行于所述立柱设置的皮带传动装置，包括沿立柱上下设置的皮带轮601和602，一个皮带603套在皮带轮上；所述连接件用一个连接夹604与皮带固定连接，一个电机605驱动皮带轮转动，皮带带动打印臂沿立柱上下行走。其中所述的皮带轮601和602通过固定在立柱上的上支架8和下支架9固定在立柱上，所述的皮带是齿形皮带，电机是步进电机，当选择的皮带不是齿形皮带方式时，其电机将是带有光电码盘的伺服电机。

第二优选方案：如图2所示，所述第一驱动装置是平行于所述立柱设置的螺杆传动装置，包括平行于所述立柱设置的一个外螺纹立杆606，外螺纹立杆上设置有与其啮合的螺母607，所述连接件用一个连接夹与螺母固定连接，一个步进电机或伺服电机605通过一套伞齿轮608驱动外螺纹立杆转动，螺母带动打印臂沿立柱上下行走。

第三优选方案：如图3所示，所述第一驱动装置是平行于所述立柱设置的齿条传动装置，包括沿立柱上下设置的齿条609，一个齿轮610与齿条啮合转动固定在所述连接件上，一个设置在连接件上的步进电机或伺服电机605通过蜗杆驱动齿轮转动，齿轮带动打印臂沿立柱上下行走。

如上所述驱动电机安装在连接件上驱动打印臂动作带动打印头移动。作为打印臂结构有多种方案可以实现；本实施例选择了三种优选方案，其中：

第一优选方案：如图4所示，所述打印臂是一个由两组相对设置的边杆相互铰接形成的平行四边形连杆，其中一组称为第一组，所述第一组如图中所示的两条短边201、202，另一组称为第二组如图中所示的两条长边203、204，当然第一组、第二组的选择是可以调换的。本实施例中第一组的一条边杆如图中一条短边202连接打印头1，第一组的另一条边杆如图中的另一条短边201和连接件5连接为一体，并且所述第一组另一条边杆与第二组连接的两个铰接轴连线与立柱4呈30度至60夹角A设置，最佳角度是45度；在连接件上设置有一个转轴501，转轴501与其中一个铰接轴同轴，即所述转轴与边杆轴向呈90度角设置，也就是所述转轴与第二组的一条边杆在铰接轴处固定连接，所述驱动电机通过皮带轮701减速驱动转轴转动，所述转轴通过与之连接的所述第二组的一条边杆203转动带动平行四边形连杆以转轴为中心变换形状，进而带动打印头以转轴为中心做弧线运动；驱动电机、所述第一驱动装置、第二驱动装置三者配合控制实现打印头X、Y坐标移动，当打印头在一条短边上安装并且固定打印头轴向方向后，此种结构可以保证所述打印头轴向始终朝向一个方向；作为一个优选方案，本实施例打印头轴向固定方向是与立轴平行的方向，即所述打印头的打印嘴轴线与所述立柱轴线平行，驱动电机可以是步进电机或者伺服电机。

第二优选方案：如图5所示，所述打印臂是由多组平行四边形连杆205对接组成，平行四边形连杆的四个连接端是铰接，四个连接端相对的两个连接端之间设置有可伸缩联动推杆206，多组可伸缩联动推杆对接；多组平行四边形连杆的最內端一组连接在连接件上，最外端一组连接打印头，所述驱动电机驱动最內端一组四边形连杆的可伸缩联动推杆，多组可伸缩联动推杆相互带动实现各组平行四边形连杆展开与收缩，进而实现打印头相对于所述立柱的前后移动，其中的驱动电机是直线伺服电机，驱动电机与所述第二驱动装置二者配合控制实现打印头的X、Y坐标移动。

第三优选方案：如图6所示，所述打印臂是螺纹驱动伸缩杆，包括一个外螺纹螺杆207，所述打印头设置在螺杆的前端，外螺纹螺杆上设置有与其啮合的螺母208，螺母与连接件转动配合连接，螺母的外圆也设置有齿牙，所述驱动电机通过齿轮209驱动螺母转动，螺母带动螺杆前后移动，进而实现打印头相对于所述立柱的前后移动，驱动电机与所述第二驱动装置二者配合控制实现打印头的X、Y坐标移动，驱动电机可以是步进电机或者伺服电机。

实施例中：作为第二驱动装置也同样有多种方式选择，本实施例选择了两种优选方案：

第一优选方案：如图7所示，所述第二驱动装置是齿轮传动装置，包括固定在支撑架3底座上的驱动电机801、一个主动齿轮802和与之啮合的从动齿轮803，从动齿轮的齿轮轴是所述立柱的延伸轴，驱动电机驱动主动齿轮转动，从动齿轮带动立柱转动，进而实现打印臂以立柱为中心旋转，驱动电机可以是步进电机或者伺服电机。

第二选方案：如图8所示，所述第二驱动装置是皮带传动装置，包括驱动电机801、一个主动皮带轮804和从动皮带轮805，从动皮带轮的皮带轴是所述立柱的延伸轴，驱动电机驱动主动皮带轮转动，从动皮带轮带动立柱转动，进而实现打印臂以立柱为中心旋转，驱动电机可以是步进电机或者伺服电机。

上述两种方案都是采用驱动立柱转动的方式带动打印臂转动，这些适用于小型的打印机，当打印机达到一定体积后可以通过转动底座的方式带动打印臂转动，因此第二驱动装置8不仅仅是带动打印臂围绕立柱旋转，如上两个所述的方案，也可以通过转动底座的方式带动打印臂转动。所以，所述第二驱动装置8带动打印臂做垂直于立柱的旋转包含了除所述两种方案的另外驱动结构形式。

图9示意了组合上述实施例第一驱动装置为第一优选方案、打印臂为第一优选方案、第二驱动装置为第一优选方案的整体打印机结构示意图，此种结构是一种小型打印机的优选结构。

上述实施例3D打印机摆脱了框架和龙门式结构，从而便于扩大打印空间，通过增加单塔高度和旋转臂长度的方式即可以方便的增大打印空间。打印臂可以根据需要设计成可折叠的，在机器不使用时，可以方便折叠，靠拢单塔，从而减小体积，节省空间，可以根据需要选择上述不同的优选方案组成打印机，无论是小型的家用机还是大型的工业机，都方便运输。

实施例单塔式旋转臂3D打印机可以在已有的物体上进行打印，由于单塔旋转臂结构的无框架优势，可以使3D打印机不再局限于固定的打印平台上完成打印；比如说在底面上放置了一个石凳，由于单塔悬臂机方便移动，可以将机器放置于石凳旁，通过打印头上携带的自调平探针探测石凳平面，然后在石凳上面进行打印。

Claims (4)

1.一种单塔旋转臂3D打印机，包括带有打印头的打印臂，其特征在于，所述打印机还包括一个安装在支撑架上的立柱，一个连接件与立柱滑动连接，所述打印臂固定在连接件上，在所述立柱上设置有第一驱动装置，所述第一驱动装置用于带动打印臂沿立柱上下行走；在所述连接件上设置有一个驱动电机，所述驱动电机通过打印臂带动打印头移动；一个第二驱动装置带动打印臂做垂直于立柱的旋转；所述打印臂是一个由两组相对设置的边杆相互铰接形成的平行四边形连杆，其中一组称为第一组，另一组称为第二组，第一组的一条边杆连接打印头，第一组的另一条边杆和连接件连接为一体，并且所述第一组另一条边杆与第二组连接的两个铰接轴连线与立柱呈30度至60夹角设置，在连接件上设置有一个转轴，所述转轴与边杆轴向呈90度角设置，并且所述转轴与第二组的一条边杆在铰接轴处固定连接，所述驱动电机驱动转轴转动，转轴通过与之连接的所述第二组的一条边杆带动平行四边形连杆以转轴为中心变换形状，进而带动打印头以转轴为中心做弧线运动；所述打印头的打印嘴轴线与所述立柱轴线平行；所述第二驱动装置是齿轮传动装置，包括电机、一个主动齿轮和与之啮合的从动齿轮，从动齿轮的齿轮轴是所述立柱的延伸轴，电机驱动主动齿轮转动，从动齿轮带动立柱转动，进而实现打印臂以立柱为中心旋转，或者所述第二驱动装置是皮带传动装置，包括电机、一个主动皮带轮和从动皮带轮，从动皮带轮的皮带轴是所述立柱的延伸轴，电机驱动主动皮带轮转动，从动皮带轮带动立柱转动，进而实现打印臂以立柱为中心旋转。

2.根据权利要求1所述的一种单塔旋转臂3D打印机，其特征在于，所述第一驱动装置是皮带传动装置，所述皮带传动装置平行于所述立柱设置，包括沿立柱上下设置的皮带轮，一个皮带套在皮带轮上；所述连接件用一个连接夹与皮带固定连接，一个电机驱动皮带轮转动，皮带带动打印臂沿立柱上下行走。

3.根据权利要求1所述的一种单塔旋转臂3D打印机，其特征在于，所述第一驱动装置是螺杆传动装置，所述螺杆传动装置平行于所述立柱设置，包括平行于所述立柱设置的一个外螺纹立杆，外螺纹立杆上设置有与其啮合的螺母，所述连接件用一个连接夹与螺母固定连接，一个电机驱动外螺纹立杆转动，螺母带动打印臂沿立柱上下行走。

4.根据权利要求1所述的一种单塔旋转臂3D打印机，其特征在于，所述第一驱动装置是齿条传动装置，所述齿条传动装置平行于所述立柱设置，包括沿立柱上下设置的齿条，一个齿轮与齿条啮合并转动固定在所述连接件上，一个电机驱动齿轮转动，齿轮带动打印臂沿立柱上下行走。