CN104842557A - 一种五自由度快速成型加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种五自由度快速成型加工装置,包括框架(1)、框架(1)顶部的材料盘(3)、设置在框架(1)正前方底部的操作板(6)和屏幕(7)以及控制板(8);它还包括沿X轴以及Z轴自由移动的二自由度喷头组件(2)、夹持装置(4)以及沿Y轴自由移动、绕Z轴自由转动以及绕A轴自由转动的三自由度平台组件(5);本发明可以消除“台阶效应”,提高打印斜面的表面质量;对于圆截面零件的加工效率高;可以在球形平台上进行加工,空间利用率好。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速成型装置,具体是一种五自由度快速成型加工装置,属于快速成型制造技术领域。
背景技术
熔融沉积具有维护成本低,安全可靠、无废料等优点,被广泛应用于产品开发、快速模具制作、医疗器械的设计开发及人体器官的原型制作,代表着快速成型制造技术的一个重要发展方向。
市面上现有三维快速成型机的平台通常只有三个自由度,通过平台相对于打印喷头X、Y、Z轴三个方向的移动熔融沉积出所需零件。该种快速成型机有两个明显的缺点:一方面平台相对于喷头只能移动,加工效率低;另一方面,在制作有斜面的零件时,由于切片厚度的存在,在成型后的实体表面会出现“台阶效应”,严重影响产品的表面精度。
目前解决这个问题大多采用自适应分层方法,根据成形零件表面的曲率和斜率来自动调整切片厚度,从而得到高品质的光滑表面。利用自适应分层,可以使得“台阶效应”变弱,但使其层数增多,成型时间增加;并且不能完全消除“台阶效应”,对于表面精度要求很高的零件,在零件打印完成后,还需要后期处理,这无疑增加了加工的成本和时间。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题,本发明提供一种五自由度快速成型加工装置,不仅能够消除“台阶效应”、加工表面质量良好的斜面,同时还能大大提高圆截面零件的加工效率。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种五自由度快速成型加工装置,包括框架、框架顶部的材料盘、设置在框架正前方底部的操作板和屏幕以及控制板;
它还包括可沿X轴和Z轴自由移动的二自由度喷头组件;
所述的二自由度喷头组件包括Z轴电机支架和Z轴丝杠支架,二者之间的滚珠丝杠通过联轴器一与丝杠电机连接;直线滑轨与框架通过螺栓连接,直线滑块与X轴Y轴链接块螺栓连接、X轴Y轴链接块以X轴方向上的支撑光轴支撑,支撑光轴之间设有同步带一,其中,喷头与同步带一连接,X轴移动电机通过同步带一带动喷头沿X轴移动;
还包括夹持装置,包括固定在可旋转支撑上的齿条保持架,小电机通过螺栓固接在齿条保持架上,小电机依次与小齿轮、两根齿条配合,齿条通过螺栓分别与两个夹持箭头连接;小电机通过小齿轮、齿条传动带动两个夹持箭头相对移动;
还包括可沿Y轴自由移动、绕Z轴自由转动以及绕A轴自由转动的三自由度平台组件;其包括Y轴移动装置、Z轴旋转装置及A轴倾斜装置;
所述的Y轴移动装置包括设置在Y轴支架上的Y轴支撑光轴和可沿Y轴移动的下板,Y轴光轴滑块固定在下板上且可沿Y轴支撑光轴移动,下板通过下板同步带连接块与同步带二连接,Y轴电机支架上固定的Y轴电机通过同步带二带动下板沿Y轴移动;
所述的Z轴旋转装置包括可绕Z轴旋转的中间板以及嵌入下板中心的推力轴承;下板轴一端嵌入推力轴承,另一端与大带轮通过螺栓连接,大带轮与中间板通过螺栓连接,Z轴旋转电机固定在下板上,Z轴旋转电机输出端与小带轮键连接,通过同步带三带动中间板绕Z轴旋转;
所述的A轴倾斜装置包括可绕A轴倾斜的上板以及与中间板螺栓连接的倾斜电机固定座;倾斜电机输出端通过联轴器二与传递扭矩轴连接,支撑与中间板螺栓连接,可旋转支撑与上板螺栓连接,倾斜电机通过传递扭矩轴带动上板倾斜。
所述的A轴倾斜装置中的A轴为面XOY内的任意轴。
所述的框架的顶板、前板及侧板均嵌入透明的有机玻璃。
所述的可绕Z轴旋转的中间板形状为圆形。
所述的可绕A轴倾斜的上板形状为圆形。
与现有的三自由度快速成型机相比,本发明的喷头相对于加热平台具有沿X轴和Y轴以及Z轴的自由移动、绕Z轴的自由转动以及绕A轴的自由转动共计五个自由度,可实现五自由度快速成型,可以在铺设斜面时旋转倾斜加热平台,使喷头与平台垂直,以消除“台阶效应”,得到表面质量较好的斜面零件;还能在铺设圆截面零件时,选择最佳铺设方式,大大提高铺设效率;本发明还能在球形平台上进行铺设。
附图说明
图1为本发明的总体结构图;
图2为本发明的二自由度喷头组件结构视图;
图3为本发明的夹持装置示意图;
图4为本发明的三自由度平台组件的Y轴移动装置结构示意图;
图5为本发明的三自由度平台组件的Z轴旋转装置结构示意图;
图6为本发明的三自由度平台组件的A轴倾斜装置结构示意图;
图7为本发明中五自由度坐标原理图。
图中:1、框架,2、二自由度喷头组件,2.1、Z轴电机支架,2.2、丝杠电机,2.3、联轴器一,2.4、滚珠丝杠,2.5、直线滑轨,2.6、直线滑块,2.7、X轴Y轴链接块,2.8、Z轴丝杠支架,2.9、同步带一,2.10、喷头,2.11、支撑光轴,2.12、X轴移动电机,3、材料盘,4、夹持装置,4.1、小电机,4.2、齿条保持架,4.3、齿条,4.4、小齿轮,4.5、夹持箭头,5、三自由度平台组件,5.1、Y轴支架,5.2、Y轴支撑光轴,5.3、Y轴光轴滑块,5.4、下板,5.5、下板同步带连接块,5.6、同步带二,5.7、Y轴电机支架,5.8、Y轴电机,5.9、Z轴旋转电机,5.10、推力轴承,5.11、下板轴,5.12、大带轮,5.13、中间板,5.14、同步带三,5.15、小带轮,5.16、倾斜电机固定座,5.17、倾斜电机,5.18、联轴器二、5.19、可旋转支撑,5.20、上板,5.21、传递扭矩轴,5.22、支撑,6、操作板,7、屏幕,8、控制板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种五自由度快速成型加工装置,包括框架1、框架1顶部的材料盘3、设置在框架1正前方底部的操作板6和屏幕7以及控制板8;所述的框架1的顶板、前板及侧板均嵌入透明的有机玻璃,一方面可以保持恒温,利于工件成型,另一方面便于观察;
如图2所示,它还包括可沿X轴以及Z轴自由移动的二自由度喷头组件2;
所述的二自由度喷头组件2包括Z轴电机支架2.1和Z轴丝杠支架2.8,二者之间的滚珠丝杠2.4通过联轴器一2.3与丝杠电机2.2连接;直线滑轨2.5与框架1通过螺栓连接,直线滑块2.6与X轴Y轴链接块2.7螺栓连接、X轴Y轴链接块2.7以X轴方向上的支撑光轴2.11支撑,支撑光轴2.11之间设有同步带一2.9,其中,喷头2.10与同步带一2.9连接,X轴移动电机2.12通过同步带一2.9带动喷头2.10沿X轴移动;即二自由度喷头组件2可在X轴和Z轴自由移动;
如图3所示:还包括夹持装置4,包括固定在可旋转支撑5.19上的齿条保持架4.2,小电机4.1通过螺栓固接在齿条保持架4.2上,小电机4.1依次与小齿轮4.4、两根齿条4.3配合,齿条4.3通过螺栓分别与两个夹持箭头4.5连接;小电机4.1通过小齿轮4.4、齿条4.3传动带动两个夹持箭头4.5相对移动;从而带动箭头4.5相对移动,实现夹紧松开功能;
还包括可沿Y轴自由移动、绕Z轴自由转动以及绕A轴自由转动的三自由度平台组件5;其包括Y轴移动装置、Z轴旋转装置及A轴倾斜装置;
如图4所示:所述的Y轴移动装置包括设置在Y轴支架5.1上的Y轴支撑光轴5.2和可沿Y轴移动的下板5.4,Y轴光轴滑块5.3固定在下板5.4上且可沿Y轴支撑光轴5.2移动,下板5.4通过下板同步带连接块5.5与同步带二5.6连接,Y轴电机支架5.7上固定的Y轴电机5.8通过同步带二5.6带动下板5.4沿Y轴移动;
如图5所示:所述的Z轴旋转装置包括可绕Z轴旋转的中间板5.13以及嵌入下板5.4中心的推力轴承5.10;下板轴5.11一端嵌入推力轴承5.10,另一端与大带轮5.12通过螺栓连接,大带轮5.12与中间板5.13通过螺栓连接,Z轴旋转电机5.9固定在下板5.4上,Z轴旋转电机5.9输出端与小带轮5.15键连接,通过同步带三5.14带动中间板5.13绕Z轴旋转;
如图6所示:所述的A轴倾斜装置包括可绕A轴倾斜的上板5.20以及与中间板5.13螺栓连接的倾斜电机固定座5.16;倾斜电机5.17输出端通过联轴器二5.18与传递扭矩轴5.21连接,支撑5.22与中间板5.13螺栓连接,可旋转支撑5.19与上板5.20螺栓连接,倾斜电机5.17通过传递扭矩轴5.21带动上板5.20倾斜。
如图7所示:所述的A轴倾斜装置中的A轴为面XOY内的任意轴。
所述的可绕Z轴旋转的中间板5.13和可绕A轴倾斜的上板5.20形状为圆形,便于旋转。
工作过程:
计算机软件读取模型的STL文件,生成模型骨架图,并将其分为平台5.20未倾斜时垂直于喷头2.10的主体部分和不垂直于喷头2.10的支架部分。
首先进行主体部分的打印,并实时检测是否有支架出现,当出现支架时,微机控制平台5.20进行一定角度的旋转和倾斜,使支架成型面与喷头2.10垂直,再进行支架部分的打印。支架部分打印完成后,进行反向变换,继续打印主体部分,直至将整个零件熔融堆积成型。
综上所述:本发明的喷头2.10相对于加热平台5.20具有沿X轴和Y轴以及Z轴的自由移动、绕Z轴的自由转动以及绕A轴的自由转动共计五个自由度,可实现五自由度快速成型,可以在铺设斜面时旋转倾斜加热平台5.20,使喷头2.10与平台5.20垂直,以消除“台阶效应”,得到表面质量较好的斜面零件;还能在铺设圆截面零件时,选择最佳铺设方式,大大提高铺设效率;本发明还能在球形平台上进行铺设。
Claims (5)
1.一种五自由度快速成型加工装置,包括框架(1)、框架(1)顶部的材料盘(3)、设置在框架(1)正前方底部的操作板(6)和屏幕(7)以及控制板(8);
其特征在于,它还包括可沿X轴以及Z轴自由移动的二自由度喷头组件(2);
所述的二自由度喷头组件(2)包括Z轴电机支架(2.1)和Z轴丝杠支架(2.8),二者之间的滚珠丝杠(2.4)通过联轴器一(2.3)与丝杠电机(2.2)连接;直线滑轨(2.5)与框架(1)通过螺栓连接,直线滑块(2.6)与X轴Y轴链接块(2.7)螺栓连接、X轴Y轴链接块(2.7)以X轴方向上的支撑光轴(2.11)支撑,支撑光轴(2.11)之间设有同步带一(2.9),其中,喷头(2.10)与同步带一(2.9)连接,X轴移动电机(2.12)通过同步带一(2.9)带动喷头(2.10)沿X轴移动;
还包括夹持装置(4),包括固定在可旋转支撑(5.19)上的齿条保持架(4.2),小电机(4.1)通过螺栓固接在齿条保持架(4.2)上,小电机(4.1)依次与小齿轮(4.4)、两根齿条(4.3)配合,齿条(4.3)通过螺栓分别与两个夹持箭头(4.5)连接;小电机(4.1)通过小齿轮(4.4)、齿条(4.3)传动带动两个夹持箭头(4.5)相对移动;
还包括可沿Y轴自由移动、绕Z轴自由转动以及绕A轴自由转动的三自由度平台组件(5);其包括Y轴移动装置、Z轴旋转装置及A轴倾斜装置;
所述的Y轴移动装置包括设置在Y轴支架(5.1)上的Y轴支撑光轴(5.2)和可沿Y轴移动的下板(5.4),Y轴光轴滑块(5.3)固定在下板(5.4)上且可沿Y轴支撑光轴(5.2)移动,下板(5.4)通过下板同步带连接块(5.5)与同步带二(5.6)连接,Y轴电机支架(5.7)上固定的Y轴电机(5.8)通过同步带二(5.6)带动下板(5.4)沿Y轴移动;
所述的Z轴旋转装置包括可绕Z轴旋转的中间板(5.13)以及嵌入下板(5.4)中心的推力轴承(5.10);下板轴(5.11)一端嵌入推力轴承(5.10),另一端与大带轮(5.12)通过螺栓连接,大带轮(5.12)与中间板(5.13)通过螺栓连接,Z轴旋转电机(5.9)固定在下板(5.4)上,Z轴旋转电机(5.9)输出端与小带轮(5.15)键连接,通过同步带三(5.14)带动中间板(5.13)绕Z轴旋转;
所述的A轴倾斜装置包括可绕A轴倾斜的上板(5.20)以及与中间板(5.13)螺栓连接的倾斜电机固定座(5.16);倾斜电机(5.17)输出端通过联轴器二(5.18)与传递扭矩轴(5.21)连接,支撑(5.22)与中间板(5.13)螺栓连接,可旋转支撑(5.19)与上板(5.20)螺栓连接,倾斜电机(5.17)通过传递扭矩轴(5.21)带动上板(5.20)倾斜。
2.根据权利要求1所述的一种五自由度快速成型加工装置,其特征在于,所述的A轴倾斜装置中的A轴为面XOY内的任意轴。
3.根据权利要求1或2所述的一种五自由度快速成型加工装置,其特征在于,所述的框架(1)的顶板、前板及侧板均嵌入透明的有机玻璃。
4.根据权利要求1或2所述的一种五自由度快速成型加工装置,其特征在于,所述的可绕Z轴旋转的中间板(5.13)形状为圆形。
5.根据权利要求1或2所述的一种五自由度快速成型加工装置,其特征在于,所述的可绕A轴倾斜的上板(5.20)形状为圆形。
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