CN104763790A - 金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统，属于三维快速成形制造领域。第二级变速机构顶部与支撑机构固定连接，第一级变速机构与支撑机构固定连接，第一级变速机构的蜗轮与第二级变速机构的下丝杠螺母用键连接。优点是结构新颖，采用了伺服电动机、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠作为关键零部件，使得整个系统的传动精度相比现有的传动系统的传动精度有了显著的提高，这样可以减小粉料及工件的振动，提高工件的制造精度，本发明适用于制造较重试件的高精度电子束熔化成形系统。

Description

金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统

技术领域

本发明属于三维快速成形制造领域，具体涉及一种金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统。

背景技术

利用电子束的粉末熔化积层造形(Electron Beam Melting，以下简称EBM)是一种增材制造(Additive Manufacturing)技术，或称为基于EBM的3D打印，主要是利用电子束对金属或陶瓷等粉末材料进行逐层熔化以构筑复杂几何形体并获得所需的性态。与基于激光束的3D打印相比，基于EBM的粉末熔化积层造形具有许多突出的优点，例如：能量转化效率及能量密度高，对粉末材料没有吸收率和反射率的限制，在真空环境中没有污染对成形的影响等。正是由于这些突出的优越性，使得基于EBM的粉末熔化积层造形近年来在国内外学术界和工程界受到了高度关注，在医学医疗、航天航空、汽车等工业领域有着广泛的应用需求，特别适合制造薄壁件以及复杂结构件，例如人工髋臼、人工膝关节、航空发动机叶片叶轮、汽车增压涡轮、热交换器等。

基于EBM的金属粉末熔化积层造形系统，其基本构成主要包括：电子束发射源，电子束磁聚焦及偏转系统，粉料铺设系统，造形工作台z轴运动系统，真空环境系统，粉料回收处理系统等。所述的工作台沿z轴的运动系统，主要由动力装置、传动系统、构筑箱、铺粉台等组成，，构筑箱中的铺粉台沿z轴平动以实现逐层铺粉、预热以及熔化等成形加工工艺。造形工作台沿z轴运动系统是影响电子束粉末熔化积层造形精度的关键子系统之一，造形工作台沿z轴的运动精度以及稳定性将会影响铺粉厚度以及粉末层的位置精度，通常粉末厚度小于或等于100μm，因此造形工作台沿z轴的运动精度以及稳定性对于提高电子束熔化成形精度至关重要。

瑞典阿卡姆公司在发明专利200380106450.9、200380106462.1和01808629.2中提出采用齿轮齿条作为实现造形工作台升降的传动机构，主要不足在于：齿轮齿条机构冲击较大、传动精度偏低；，而且没有提及如何对沿z轴的运动进行导向，没有导向机构将降低造形工作台的运动精度。清华大学在发明专利201410007083.7和200410009948.x中分别公开了一种用于三维打印系统的粉末混合装置以及一种电子束选区同步烧结工艺，但没有涉及造形工作台运动系统的具体技术方案。中南大学在发明专利201310282818.2中公开了一种基于激光束的陶瓷粉末3D打印系统，提出采用滚珠丝杠螺母副作为传动系统，但没有考虑沿z轴运动的自锁问题。鉴于此，本发明旨在提供一种定位精度高、运动平稳、并可实现自锁的造形工作台沿z轴运动系统，以提高基于EBM的金属粉末熔化成形的制造精度。

发明内容

本发明提供一种金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统，以解决现有的造形工作台z轴运动系统定位精度低、响应缓慢、冲击大、且不能自锁等问题，是一种定位精度高、运动平稳、并可自锁的造形工作台沿z轴运动系统，用于电子束金属粉末积层熔化造形。

本发明采取的技术方案是：第二级变速机构顶部与支撑机构固定连接，第一级变速机构与支撑机构固定连接，第一级变速机构的蜗轮与第二级变速机构的下丝杠螺母用键连接。

所述支撑机构的结构是：蜗轮蜗杆减速器外壳安装在底箱内部的上表面上，四个导套与底箱上部固定连接，圆环座与底箱内部的下表面固定连接，用于容纳四个导柱的下端部和丝杠下端部，两个导轨分别安装在构筑箱外壳体的内部，伸缩式构筑箱分别与两个导轨滑动连接，底板通过升降板上两个燕尾副与升降板滑动连接；

所述第一级变速机构的结构是：驱动电机与蜗轮蜗杆减速器外壳外部固定连接，驱动电机轴经过与蜗轮蜗杆减速器外壳固定连接的电机轴轴承与联轴器一端连接，该联轴器的另一端与蜗杆轴连接，蜗杆轴轴承一外部套接偏心轴承套一后一起位于蜗轮蜗杆减速器外壳中，蜗杆轴轴承二外部套接偏心轴承套二后一起位于蜗轮蜗杆减速器外壳中，蜗杆轴两端分别与蜗杆轴轴承一和蜗杆轴轴承二穿接，蜗轮与蜗杆轴啮合连接；

所述第二级变速机构的结构是：丝杠通过锥端紧定螺钉与升降板底部固定连接，法兰与底箱的上部固定连接，上深沟球轴承和下深沟球轴承位于法兰底部，上推力球轴承经过衬套位于上深沟球轴承上，下丝杠螺母和上丝杠螺母分别与丝杠螺纹连接，键位于下丝杠螺母和上丝杠螺母的键槽中，丝杠螺母套筒与下丝杠螺母和上丝杠螺母套接，上圆螺母与上丝杠螺母螺纹连接；蜗轮通过键与下丝杠螺母固定连接，蜗轮与法兰之间有下推力球轴承，下圆螺母与下丝杠螺母螺纹连接。

所述驱动电机采用伺服电机。

本发明的优点及有益效果：1)采用高精度伺服电机作为驱动电机，高精度伺服电机相比一般的步进电机的定位精度更高，可满足升降台的精确的Z向运动；2)采用蜗轮蜗杆作为第一级变速及自锁机构，可以实现大的减速比，可防止升降台在重力作用下的自动下移，影响零件的制造精度；3)采用滚珠丝杠传动副作为第二级变速机构，提高了传动精度和传动效率，可将滚珠的旋转运动转化为丝杠的Z向直线运动，且传动十分平稳；4)采用四个平行的导柱作为导向机构，有效提高了升降台的稳定性；5)蜗杆与蜗轮的中心距可通过修磨两个偏心轴承套的内圈来调节，从而可消除蜗杆与蜗轮的间隙，提高蜗轮蜗杆传动精度；6)缩式构筑箱可抽出，以方便取出工件；7)采用了双螺母调隙式丝杠螺母，丝杠与螺母之间的传动间隙得以消除，提高了滚珠丝杠传动副的传动精度与平稳性；8)两处采用了双圆螺母防松，提高了系统的可靠性。综上本发明采用了伺服电动机、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠作为关键零部件，使得整个系统的传动精度相比现有的传动系统的传动精度有了显著的提高，这样可以减小粉料及工件的振动，提高工件的制造精度。本发明适用于制造较重试件的高精度电子束熔化成形系统。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明去掉底箱的结构示意图；

图3是本发明去掉底箱的结构示意图；

图4是本发明去掉底箱的结构示意图；

图5是本发明去掉底箱的结构示意图；

图6是本发明的内部结构剖视图；

图7是本发明的内部结构剖视图；

图8是本发明的电机、蜗杆轴系三维示意图；

图9是本发明的电机、蜗杆轴系爆炸图；

图10是本发明的蜗轮、滚珠丝杠螺母轴系三维示意图；

图11是本发明的蜗轮、滚珠丝杠螺母轴系的爆炸图；

图12是本发明的蜗轮蜗杆减速器外壳的三维示意图；

图13是本发明的蜗轮蜗杆减速器外壳的三维示意图；

图14是本发明的下丝杠螺母三维示意图；

图15是本发明之驱动力传递示意图；

图中支撑机构1、第一级变速机构2、第二级变速机构3，

底箱101、圆环座102、构筑箱外壳体103、升降板104、伸缩式构筑箱105、底板106、导柱107、导套108、蜗轮蜗杆减速器外壳109、伸缩式构筑箱导轨110；

驱动电机201、驱动电机轴2001、联轴器202、蜗杆轴203、电机轴轴承204、蜗杆轴轴承一205、偏心轴承套一206、蜗杆轴轴承二207、偏心轴承套二208、蜗轮209；

法兰301、丝杠螺母套筒302、下丝杠螺母303、上圆螺母304、上丝杠螺母305、下推力球轴承306、下圆螺母307、丝杠308、键309、锥端紧定螺钉310、上深沟球轴承311、下深沟球轴承312、衬套313、上推力球轴承314、键315。

具体实施方式

第二级变速机构3顶部与支撑机构1固定连接，第一级变速机构2与支撑机构1固定连接，第一级变速机构2的蜗轮209与第二级变速机构3的下丝杠螺母303用键315连接；

所述支撑机构1的结构是：蜗轮蜗杆减速器外壳109安装在底箱101内部的上表面上，四个导套108与底箱101上部固定连接，圆环座102与底箱101内部的下表面固定连接，用于容纳四个导柱107的下端部和丝杠308下端部，两个导轨110分别安装在构筑箱外壳体103的内部，伸缩式构筑箱105分别与两个导轨110滑动连接，底板106通过升降板104上两个燕尾副与升降板104滑动连接；

所述第一级变速机构2的结构是：驱动电机201与蜗轮蜗杆减速器外壳109外部固定连接，驱动电机轴2001经过与蜗轮蜗杆减速器外壳109固定连接的电机轴轴承204与联轴器202一端连接，该联轴器202的另一端与蜗杆轴203连接，蜗杆轴轴承一205外部套接偏心轴承套一206后一起位于蜗轮蜗杆减速器外壳109中，蜗杆轴轴承二207外部套接偏心轴承套二208后一起位于蜗轮蜗杆减速器外壳109中，蜗杆轴203两端分别与蜗杆轴轴承一205和蜗杆轴轴承二207穿接，蜗轮209与蜗杆轴203啮合连接；

所述第二级变速机构的结构是：丝杠308通过锥端紧定螺钉310与升降板104底部固定连接，法兰301与底箱101的上部固定连接，上深沟球轴承311和下深沟球轴承312位于法兰301底部，上推力球轴承314经过衬套313位于上深沟球轴承311上，下丝杠螺母303和上丝杠螺母305分别与丝杠308螺纹连接，键309位于下丝杠螺母303和上丝杠螺母305的键槽中，丝杠螺母套筒302与下丝杠螺母303和上丝杠螺母305套接，上圆螺母304与上丝杠螺母305螺纹连接；蜗轮209通过键315与下丝杠螺母303固定连接，蜗轮209与法兰301之间有下推力球轴承306，下圆螺母307与下丝杠螺母303螺纹连接。

所述驱动电机采用伺服电机。

本发明的工作原理：

1、驱动电机201通过一个平键驱动联轴器202旋转；

2、联轴器202通过一个平键带动蜗杆轴203旋转；

3、蜗杆轴203带动与之啮合的蜗轮209旋转；

4、蜗轮209通过一个平键带动下丝杠螺母旋转；

5、旋转的下丝杠螺母带动丝杠308和工件沿Z向上下移动，丝杠308本身不旋转。

下边通过分析本发明的结构特征来进一步说本发明的效果。

本发明所采用的最关键的两个部件是滚珠丝杠和蜗轮蜗杆，滚珠丝杠可将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。在本发明中，丝杠螺母旋转带动丝杠Z向运动。滚珠丝杠传动的主要优点为：①滚珠丝杠副的丝杠与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，摩擦系数小，能得到较高的传动效率；②滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现爬行现象，能实现高速进给及精确的微进给。③滚珠丝杠副可以加与预压，预压力可消除轴向间隙，进而其轴向刚度很高。

本发明所采用的蜗轮蜗杆传动的主要优点是可以获得较大的单级传动比，传动平稳、振动和冲击噪声小，而且能够自锁，可以有效弥补滚珠丝杠不能实现自锁的缺点。所以，在本发明的第一级变速机构中，使用蜗轮蜗杆传动，在第二级变速机构中使用滚珠丝杠传动，从而使得传动系统整体具有传动平稳、可以实现自锁、传动精度高等优点。

本发明所采用的丝杠螺母由上丝杠螺母、下丝杠螺母、丝杠螺母套筒、键、垫圈、两个圆螺母构成。丝杠螺母套筒的上部被两个圆螺母组成的双螺母通过垫圈压紧，使用两个圆螺母的目的是为了防松。调整两个圆螺母，上丝杠螺母会相对下丝杠螺母在平键的导引下沿丝杠轴向移动，以消除丝杠螺母传动的间隙，从而可提高滚珠丝杠的传动精度。

本发明采用了两个可以修磨的偏心轴承套圈，从而可以调节蜗杆与蜗轮的中心距，消除蜗杆与蜗轮的间隙，使得传动精度进一步提高。

本发明所采用的联轴器是弹性柱销联轴器，该型联轴器具有结构简单，容易制造，装拆更换弹性元件比较方便。最为突出的一点是该型联轴器具有微量补偿两轴线偏移能力，这为本发明修磨偏心轴承套内圈以改变蜗杆与蜗轮的中心距提供了可能。此外，弹性柱销联轴器还具有两面对称可互换，寿命长，允许较大的轴向窜动，具有缓冲、减震、耐磨等性能，为传动的平稳性提供了一定的保证。

Claims (5)

1.一种金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统，其特征在于：第二级变速机构顶部与支撑机构固定连接，第一级变速机构与支撑机构固定连接，第一级变速机构的蜗轮与第二级变速机构的下丝杠螺母用键连接。

2.根据权利要求1所述的金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统，其特征在于：所述支撑机构的结构是：蜗轮蜗杆减速器外壳安装在底箱内部的上表面上，四个导套与底箱上部固定连接，圆环座与底箱内部的下表面固定连接，用于容纳四个导柱的下端部和丝杠下端部，两个导轨分别安装在构筑箱外壳体的内部，伸缩式构筑箱分别与两个导轨滑动连接，底板通过升降板上两个燕尾副与升降板滑动连接。

3.根据权利要求1所述的金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统，其特征在于：所述第一级变速机构的结构是：驱动电机与蜗轮蜗杆减速器外壳外部固定连接，驱动电机轴经过与蜗轮蜗杆减速器外壳固定连接的电机轴轴承与联轴器一端连接，该联轴器的另一端与蜗杆轴连接，蜗杆轴轴承一外部套接偏心轴承套一后一起位于蜗轮蜗杆减速器外壳中，蜗杆轴轴承二外部套接偏心轴承套二后一起位于蜗轮蜗杆减速器外壳中，蜗杆轴两端分别与蜗杆轴轴承一和蜗杆轴轴承二穿接，蜗轮与蜗杆轴啮合连接。

4.根据权利要求1所述的金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统，其特征在于：所述第二级变速机构的结构是：丝杠通过锥端紧定螺钉与升降板底部固定连接，法兰与底箱的上部固定连接，上深沟球轴承和下深沟球轴承位于法兰底部，上推力球轴承经过衬套位于上深沟球轴承上，下丝杠螺母和上丝杠螺母分别与丝杠螺纹连接，键位于下丝杠螺母和上丝杠螺母的键槽中，丝杠螺母套筒与下丝杠螺母和上丝杠螺母套接，上圆螺母与上丝杠螺母螺纹连接；蜗轮通过键与下丝杠螺母固定连接，蜗轮与法兰之间有下推力球轴承，下圆螺母与下丝杠螺母螺纹连接。

5.根据权利要求3所述的金属粉末电子束熔化积层造形工作台z轴运动系统，其特征在于：所述驱动电机采用伺服电机。