CN104908326B - 一种3d打印机用高精度工作台系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印机用高精度工作台系统，包括X、Y向微动机构，X向微动机构包括X向长定子直线电机和X轴滑块，X向长定子直线电机包括两平行设于主体支架上的X向基座，两分别固定于两X向基座上的X向定子铁芯，以及两分别固定于X轴滑块底部两端的X轴悬浮动子，在X向基座外侧设有X向长光栅传感器，在X轴滑块底部两端设有X向位移传感器；Y向微动机构包括Y向长定子直线电机和Y轴滑块，Y向长定子直线电机包括固定于X轴滑块上的Y向定子铁芯，以及固定于Y轴滑块底部的Y轴悬浮动子，在X轴滑块外侧设有Y向长光栅传感器，在Y轴滑块底部设有Y向位移传感器；其优点在于，不仅精度高、无接触支承和导向，而且消除了摩擦、磨损。

Description

一种3D打印机用高精度工作台系统

技术领域

本发明属于3D打印领域，尤其是涉及一种3D打印机用高精度工作台系统。

背景技术

打印机是快速成型技术的一种，集计算机辅助技术、数控技术、材料技术等众多当代高新技术为一体，具有巨大的应用潜能和广阔的市场前景。

现有的3D打印机主要采用笛卡尔坐标系，通过控制X、Y、Z三个方向的机械传动，使喷头和工作平台在预定轨迹下配合运动，实现产品的逐层累积打印。喷头是3D打印机的关键部位，在打印过程中要求喷头与工作台配合，完成X、Y、Z方向的运动，以打印出不同外部轮廓的工件。所以只有保证喷头与工作台的运动轨迹精度，才能进一步提高打印工件的质量。

根据现有3D打印机三个运动方向的传动方式，可以分为三类：丝杆传动、丝杆-带联合传动、带传动。其中带传动精度低，惯量大，且工作时产生较大的振动，大大影响了产品的精度；与带传动相比，丝杆传动在精度上略有提高，但是其不能避免传动部件之间摩擦力的影响，不利于运动精度的进一步提高和长期保持。

发明内容

本发明目的是：提供一种精度高，无接触支承和导向，且消除了摩擦、磨损的3D打印机用高精度工作台系统。

本发明的技术方案是：一种3D打印机用高精度工作台系统，包括主体支架，工作台，喷头，驱动工作台做上下往复运动的Z向传动机构，以及驱动喷头做水平面运动的X、Y向微动机构，所述X向微动机构包括X向长定子直线电机和X轴滑块，所述X向长定子直线电机包括两平行设于主体支架上的X向基座，两分别固定于两X向基座上的X向定子铁芯，以及两分别固定于X轴滑块底部两端、且与两X向定子铁芯分别上下设置的X轴悬浮动子，在所述X向基座外侧设有X向长光栅传感器，在所述X轴滑块底部两端设有X向位移传感器；所述Y向微动机构包括Y向长定子直线电机和Y轴滑块，所述Y向长定子直线电机包括固定于X轴滑块上的Y向定子铁芯，以及固定于Y轴滑块底部、且与Y向定子铁芯上下设置的Y轴悬浮动子，在所述X轴滑块外侧设有Y向长光栅传感器，在所述Y轴滑块底部设有Y向位移传感器，所述喷头固定于所述Y轴滑块上。

作为优选的技术方案，在所述X轴滑块两端、且靠近两X向基座一侧设有X轴导向电磁铁，该X轴导向电磁铁通电后与X向定子铁芯产生斥力，在两端X轴导向电磁铁作用下，通过调节X轴导向电磁铁的电流，使两侧的导向气隙相等，从而实现无接触导向。

作为优选的技术方案，在所述Y轴滑块两端、且靠近X轴滑块一侧设有Y轴导向电磁铁，该Y轴导向电磁铁通电后与Y向定子铁芯产生斥力，在两端Y轴导向电磁铁作用下，通过调节Y轴导向电磁铁的电流，使两侧的导向气隙相等，从而实现无接触导向。

作为优选的技术方案，所述Z向传动机构包括设于主体支架上的固定座，设于所述固定座上的驱动电机，与所述驱动电机输出端连接的丝杆，套装于所述丝杆上的滚珠螺母，以及与所述滚珠螺母固定连接的Z轴滑块，所述Z轴滑块通过两工作台支架与所述工作台固定连接。

作为优选的技术方案，所述Z向传动机构还包括两设于所述固定座上的导向杆，两导向杆与所述丝杆的顶端均固定于主体支架上，同时所述Z轴滑块上设有两分别供两导向杆穿过的导向孔。

本发明的工作原理如下：

（1）X向微动机构：在X向定子铁芯内部的定子绕组中通入三相交流电时，将产生一个移动的磁场，该移动磁场切割X轴悬浮动子内的励磁绕组，从而在励磁绕组（即在X轴悬浮动子中）产生感应电流。载流的X轴悬浮动子在X向定子铁芯移动磁场的作用下，一方面产生电磁拉力，驱动X轴悬浮动子运动，且X轴悬浮动子运动方向与移动磁场方向相同，同时X轴悬浮动子带动X轴滑块沿X轴运动，X向长光栅传感器将测量X轴滑块所得的位移数据反馈给控制系统，控制系统通过改变励磁绕组电流而改变磁拉力的大小，从而实现对进给量的控制；另一方面产生磁悬浮力（即斥力），即X轴悬浮动子与X向定子铁芯之间产生磁悬浮，气隙中产生磁场，其大小由给定悬浮高度决定，将给定悬浮高度与X向位移传感器测量所得的高度信号分别反馈给控制系统，然后控制系统通过改变励磁绕组电流，对气隙进行调节，使两侧X轴悬浮动子均稳定在给定高度，从而使X轴滑块可以在给定高度平稳的运行。

（2）Y向微动机构：在Y向定子铁芯内部的定子绕组中通入三相交流电时，将产生一个移动的磁场，该移动磁场切割Y轴悬浮动子内的励磁绕组，从而在励磁绕组（即在Y轴悬浮动子中）产生感应电流。载流的Y轴悬浮动子在Y向定子铁芯移动磁场的作用下，一方面产生电磁拉力，驱动Y轴悬浮动子运动，且Y轴悬浮动子运动方向与移动磁场方向相同，同时Y轴悬浮动子带动Y轴滑块沿Y轴运动，Y向长光栅传感器将测量Y轴滑块所得的位移数据反馈给控制系统，控制系统通过改变励磁绕组电流而改变磁拉力的大小，从而实现对进给量的控制；另一方面产生磁悬浮力（即斥力），即Y轴悬浮动子与Y向定子铁芯之间产生磁悬浮，气隙中产生磁场，其大小由给定悬浮高度决定，将给定悬浮高度与Y向位移传感器测量所得的高度信号分别反馈给控制系统，然后控制系统通过改变Y轴悬浮动子内部的励磁绕组电流，对气隙进行调节，使励磁绕组稳定在给定高度，从而使Y轴滑块可以在给定高度平稳的运行。

（3）Z向传动机构：首先驱动电机带动丝杆转动，随后丝杆上的滚珠螺母在Z向直线运动并带动Z轴滑块运动，从而带动工作台上下直线运动，实现微量进给，由于在喷头打印完一层后，工作台进给一个层厚的量，故Z轴方向的运动量小，且运动频率较低，所以利用丝杆、滚珠螺母传动即可满足所需的高精度需求。

本发明的优点是：

1．本发明的喷头在X、Y向微动机构作用下，采用非接触式的磁悬浮驱动技术，实现了无接触支承和导向，使力在气隙中产生，消除了摩擦、磨损对运动精度造成的影响，易于实现大范围高精度的微运动；

2．本发明的X、Y向微动机构中，X向运动不会引起Y向运动上的气隙变化, 而Y向运动上的扰动也不会对X向运动的气隙产生影响, 所以单方向的平动不会引起另一方向上力的变化，因此可以近似认为各个方向互不影响, 从而便于对X、Y向分开独立控制；

3．本发明的Z向传动机构将驱动电机输出轴的回转运动转变为工作台Z向的直线运动，同时完成运动和动力的传递，传动效率高，故障寿命长，不易发生故障，通过滚珠螺母和丝杆的调整预紧，可以得到很高的定位精度和重复定位精度，并可提高轴向刚度；在工作时，工作台只需要在Z轴进行微量的Z向移动（位移量即为层厚），运动量小，减少了振动，不仅可以最大化打印面积，而且提高了工作时的稳定性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明3D打印机用高精度工作台系统的结构示意图；

图2为本发明X向微动机构结构示意图；

图3为本发明Y向微动机构结构示意图；

图4为本发明工作台Z向传动机构结构主视图；

图5为本发明工作台Z向传动机构结构左视图；

其中：1主体支架，2工作台，3喷头；

41X轴滑块，42X向基座，43X向定子铁芯，44X轴悬浮动子，45X向长光栅传感器，46X向位移传感器，47X轴导向电磁铁；

51Y轴滑块，52Y向定子铁芯，53Y轴悬浮动子，54Y向长光栅传感器，55Y向位移传感器，56Y轴导向电磁铁；

61固定座，62驱动电机，63丝杆，64滚珠螺母，65Z轴滑块，66导向杆，67丝杆定位板，68导向杆定位块，69线性轴套，610加强筋，611紧固螺钉，612定位螺钉；

7喷头定位板，8工作台支架。

具体实施方式

实施例：参照图1所示，一种3D打印机用高精度工作台系统，包括主体支架1，工作台2，喷头3，驱动工作台2做上下往复运动的Z向传动机构，以及驱动喷头3做水平面运动的X、Y向微动机构。

参照图1、2所示，本发明的X向微动机构包括X向长定子直线电机和X轴滑块41， X向长定子直线电机包括两平行设于主体支架1上的X向基座42，两分别固定于两X向基座42上的X向定子铁芯43，以及两分别固定于X轴滑块41底部两端、且与两X向定子铁芯43分别上下设置的X轴悬浮动子44，在X向基座42外侧设有X向长光栅传感器45，在X轴滑块41底部两端设有X向位移传感器46，同时在X轴滑块41两端、且靠近两X向基座42一侧设有X轴导向电磁铁47，该X轴导向电磁铁47通电后与X向定子铁芯43产生斥力，在两端X轴导向电磁铁47作用下，通过调节X轴导向电磁铁47的电流，使X轴滑块41两侧的导向气隙相等，从而实现无接触导向。

参照图1、3所示，本发明的Y向微动机构包括Y向长定子直线电机和Y轴滑块51，Y向长定子直线电机包括固定于X轴滑块41上的Y向定子铁芯52，以及固定于Y轴滑块51底部、且与Y向定子铁芯52上下设置的Y轴悬浮动子53，在X轴滑块41外侧设有Y向长光栅传感器54，在Y轴滑块51底部设有Y向位移传感器55，喷头3通过喷头定位板7固定于Y轴滑块51上，同时在Y轴滑块51两端、且靠近X轴滑块41一侧设有Y轴导向电磁铁56，该Y轴导向电磁铁56通电后与Y向定子铁芯52产生斥力，在两端Y轴导向电磁铁56作用下，通过调节Y轴导向电磁铁56的电流，使Y轴滑块51两侧的导向气隙相等，从而实现无接触导向。

参照图1、4、5所示，本发明的Z向传动机构包括设于主体支架1上的固定座61，设于固定座61上的驱动电机62，与驱动电机62输出端连接的丝杆63，套装于丝杆63上的滚珠螺母64，以及与滚珠螺母64固定连接的Z轴滑块65，Z轴滑块65通过两工作台支架8与工作台2固定连接，在Z轴滑块65和工作台支架8连接处设有加强筋610，加强筋610通过两垂直设置的紧固螺钉611固定在Z轴滑块65上，同时工作台2通过定位螺钉612固定在工作台支架8上。

参照图1、4、5所示，该Z向传动机构还包括两设于固定座61上的导向杆66，两导向杆66与丝杆63的顶端均通过丝杆定位板67固定于主体支架1上，两导向杆66的底端分别通过导向杆定位块68设于固定座61上，同时Z轴滑块65上设有两分别供两导向杆66穿过的导向孔，该两导向孔内还设有供导向杆66穿过的线性轴套69。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种3D打印机用高精度工作台系统，包括主体支架，工作台，喷头，驱动工作台做上下往复运动的Z向传动机构，以及驱动喷头做水平面运动的X、Y向微动机构，其特征在于，所述X向微动机构包括X向长定子直线电机和X轴滑块，所述X向长定子直线电机包括两平行设于主体支架上的X向基座，两分别固定于两X向基座上的X向定子铁芯，以及两分别固定于X轴滑块底部两端、且与两X向定子铁芯分别上下设置的X轴悬浮动子，在所述X向基座外侧设有X向长光栅传感器，在所述X轴滑块底部两端设有X向位移传感器；所述Y向微动机构包括Y向长定子直线电机和Y轴滑块，所述Y向长定子直线电机包括固定于X轴滑块上的Y向定子铁芯，以及固定于Y轴滑块底部、且与Y向定子铁芯上下设置的Y轴悬浮动子，在所述X轴滑块外侧设有Y向长光栅传感器，在所述Y轴滑块底部设有Y向位移传感器，所述喷头固定于所述Y轴滑块上；在所述X轴滑块两端、且靠近两X向基座一侧设有X轴导向电磁铁；在所述Y轴滑块两端、且靠近X轴滑块一侧设有Y轴导向电磁铁。

2.根据权利要求1所述的3D打印机用高精度工作台系统，其特征在于，所述Z向传动机构包括设于主体支架上的固定座，设于所述固定座上的驱动电机，与所述驱动电机输出端连接的丝杆，套装于所述丝杆上的滚珠螺母，以及与所述滚珠螺母固定连接的Z轴滑块，所述Z轴滑块通过两工作台支架与所述工作台固定连接。

3.根据权利要求2所述的3D打印机用高精度工作台系统，其特征在于，所述Z向传动机构还包括两设于所述固定座上的导向杆，两导向杆与所述丝杆的顶端均固定于主体支架上，同时所述Z轴滑块上设有两分别供两导向杆穿过的导向孔。