CN105291439A - 一种极坐标3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种极坐标3D打印机：该3D打印机包括底板、设置于底板上的可按照极坐标在平面内移动的工作台以及与所述工作台的间距可调的打印头。本发明通过所述工作台实现了打印头在坐标系下完成工作行程内任意曲线及直线的打印，具有打印速度快，打印零件的曲面尺寸精度高，表面质量也大为改善的优点，同时，本发明结构简单、体积小，工作范围大，在打印曲面时打印头和工作台的移动量比直角坐标系下小得多，噪音也大大降低，使用寿命更长。

Description

一种极坐标3D打印机

技术领域

本发明属于三维增材制造技术领域，涉及三维快速成型设备，具体涉及一种极坐标3D打印机。

背景技术

目前，国内外市场研发的3D打印机，都是在直角坐标系下的三维快速成型，其原理是根据CAD模型(电子模型)逐层完成实体原型的制造技术。具体来说快速原型技术是把在CAD系统上建立的三维实体模型离散化，把实体模型的高度等分成若干个薄层，用这些不同高度的层面信息来控制成型设备进行层面加工，将这些薄层堆积起来，便得到加工所需的三维造型。

基于直角坐标机构的三维打印机分析：目前快速成型制造技术的具体工艺不下30余种，最为成熟的有4种：(1)熔融沉积造型FDM；(2)立体印刷成型SLA；(3)层合实体制造LOM；(4)选域激光烧结SLS。近年来所开发的各种快速原型机，虽然所用工艺不同，但是其机械传动部分和分层软件原理却是大致相同。然而，直角坐标机构的快速原型机在加工圆、圆环壁等回转体零件时，存在着致命的缺点，那就是圆是用多边形近似取代的，多边形等分越多，圆越逼真，但用直线取代圆弧本身就存在轮廓的失真；尤其是薄壁零件，其截面一般是圆环，而且内圆和外圆的半径相差不大。要想得到较为精确的零件，对快速原型设备的精度要求就很高。理论上讲，只要圆弧和其垂足线段距离足够短，也就是说，让喷头的直径足够小，控制X和Y向运动的驱动机构足够精确(主要是控制喷嘴在X和Y向同时运动)，就可以还原出零件的真实轮廓。但是，这不仅对技术上提出了较高的要求，而且成本高、价格昂贵。从根本上讲，喷头的直径还是存在的，所加工工件的轮廓依然是近似出来的。所以，在加工截面为圆环的薄壁(内外圆半径相差不大)零件时，采用XY直角坐标无法从根本上解决这一问题。

现有的极坐标3D打印机的工作台改变为旋转工作台，但仅能打印以工作台中心为圆心的回转体，或带中心孔类的产品，打印产品的种类少，打印产品尺寸范围有限，且打印速度慢。

从普通快速原型机的分层软件来看，快速原型制造软件技术的原理都是采用分层累加法，即用CAD造型，生成STL文件，分层切片等步骤进行数据处理，借助计算机控制成型机完成材料的形体制造。大部分的分层软件都是在STL文件格式的基础上进行的，因此，三维打印机要对模型进行表面网络化处理，用三角形平面片来近似原来的曲面或平面。此种文件格式进行分层，所得到的曲线是由若干小的线段连接而成。所以，在加工圆环薄壁零件时，经过分层所得到的层片边界是多边形而非圆形，以此作为加工迹线必然得不到截面真实形状。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极坐标3D打印机。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

该3D打印机包括底板、设置于底板上的可按照极坐标在平面内移动的工作台以及与所述工作台的间距可调的打印头。

所述3D打印机还包括立板、第一电机以及第一丝杠，立板以及第一电机设置于底板上，第一丝杠的一端与第一电机的输出端相连，第一丝杠的另一端通过立板固定，所述打印头与第一丝杠的丝杠螺母相连。

所述3D打印机还包括横梁、第二电机、第二丝杠以及横梁滑块，横梁的一端与所述第一丝杠的丝杠螺母相连，第二电机以及第二丝杠设置于横梁上，第二电机的输出端与第二丝杠相连，横梁滑块与第二丝杠的丝杠螺母相连，所述打印头设置于横梁滑块上。

所述横梁水平设置，所述立板以及第一丝杠竖直设置。

所述3D打印机还包括摇臂、第三丝杠、极坐标滑块以及第三电机，第三电机的输出端与第三丝杠相连，极坐标滑块与第三丝杠的丝杠螺母相连，所述工作台设置于极坐标滑块上，第三丝杠以及第三电机设置于摇臂上。

所述极坐标滑块上设置有第四电机，所述工作台与第四电机的输出端相连。

所述底板上设置有第五电机，摇臂与第五电机的输出端相连。

所述摇臂以及第三丝杠水平设置。

所述摇臂上设置有与底板接触的支撑滚轮。

所述工作台为圆形。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过所述工作台实现了打印头在极坐标系下完成工作行程内任意曲线及直线的打印，具有打印速度快，打印零件的曲面尺寸精度高，表面质量也大为改善的优点，同时，本发明结构简单、体积小，工作范围大，在打印曲面时打印头和工作台的移动量较小，噪音也大大降低，使用寿命更长。

附图说明

图1为本发明所述极坐标3D打印机的结构示意图(底板仅体现了一部分)；

图2为图1的局部示意图；

图中：1.底板；2.立板；3.第一电机；4.第一丝杠；5.横梁；6.丝杠螺母；7.第二电机；8.第二丝杠；9.打印头；10.工作台；11.第四电机；12.极坐标滑块；13.第三丝杠；14.第三电机；15.摇臂；16.第五电机；17.支撑滚轮；18.横梁滑块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

本发明提出了利用极坐标原理而设计快速原型机的思想，并且在此基础上提出了以下极坐标三维打印机技术方案。

参见图1以及图2，本发明所述极坐标3D打印机属于结构简单的5轴联动装置，包括底板1、打印头9、圆形工作台10、横梁5、摇臂15以及设置于底板1上的立板2、第一电机3和第五电机16，打印头9安装在横梁滑块18上，在第二电机7带动下，横梁滑块18可随第二丝杠8的丝杠螺母在横梁导轨上左右运动，实现平面上的直线打印；同时第一电机3带动第一丝杠4使横梁5随第一丝杠4沿立板2上的导轨在Z轴方向上下移动；圆形工作台10和第四电机11安装在极坐标滑块12上，摇臂15上设置有第三丝杠13以及第三电机14，第三电机14带动第三丝杠13使圆形工作台10(与极坐标滑块一起)沿第三丝杠13做径向移动；同时，圆形工作台10可在第四电机11带动下做旋转运动，实现工作台的自转，自转角度为0～360度。摇臂15围绕第五电机16做旋转运动，即公转，公转角度为0～360度，这样在第五电机16带动下通过摇臂实现了工作台按极角θ转动。摇臂15下端还设置有与底板1接触的支撑滚轮17，支撑滚轮的作用是支撑制件及工作台重量，使摇臂在动载荷作用下保持水平且灵活转动，从而保证了打印头的打印精度。

常规3D打印机是建立在直角坐标系里，而上述极坐标3D打印机是建立在极坐标系里。在极坐标系下打印头运动方式包括：1)第一电机3带动第一丝杠3使横梁5沿Z轴方向上下移动，同时在第二电机7带动下通过横梁滑块18使打印头9沿横梁导轨做直线往复运动；2)圆形工作台10在打印工件时，一是第四电机11带动圆形工作台10实现自转运动，二是圆形工作台10围绕着第五电机16公转，三是第三电机14带动圆形工作台10直线运动，通过这些运动方式，使打印头9在极坐标系下可以完成曲线及直线的打印，每打印一层，打印头沿Z轴方向移动一层(约0.2mm)。

在第四电机11带动下使圆形工作台自转，实现回转曲面的快速打印；通过第五电机16带动摇臂15摆动和极坐标滑块12在第三丝杠13上的移动来实现工作范围内任意点位置的获取，打印头9通过横梁5上的导轨做直线运动来完成实体上的直面的打印，这样较为简单的结构完成了5轴联动控制，实现了三维立体打印。

所述极坐标3D打印机实现三维立体打印的原理虽然与常规3D打印机一样，但极坐标3D打印机特别适应于一些曲线：采用极坐标时，方程比较简单，例如以原点为中心，r为半径的圆的极坐标方程为ρ＝r；等速螺旋线的极坐标方程为ρ＝aθ；此外椭圆、双曲线和抛物线这3种不同的圆锥曲线，可以用一个统一的极坐标方程表示ρ＝ep/(1-e×cosθ)；在直角坐标系里这些都是复杂的二元二次方程。因此当零件的特征主要由这些曲线组成时，用极坐标打印，打印速度极快，尤其是零件的曲线尺寸精度高，表面质量也大为改善；所述极坐标3D打印机的另一个特点是打印机结构简单、体积小，但工作范围大：在同等设备外形尺寸下，极坐标的工作范围变得很大(最少是直角坐标系FDM3D打印机的2倍)：XY行程＝2×(工作台转盘半径+摇臂长)；其次在打印回转曲面时，由于工作台是围着某个中心点来回旋转，打印头不动，而不是像常见的FDM3D打印机那样打印头来回移动(圆弧由无数直线近似代替)，这样大大减少了3D打印头的移动量，噪音也大大降低，同时延长了运动部件的使用寿命。

由第一电机3控制横梁5的升降(Z向)，由此而实现零件的逐层加工；由第四电机11带动圆形工作台10旋转，控制了打印头9的自转运动，从而实现了回转曲线的打印；由第五电机16来控制摇臂15的转动，实现了极转角θ；由第三电机14控制极坐标滑块12从而实现了打印头9的径向运动；通过第二电机7控制打印头9，从而实现打印头的直线打印。和普通的直角坐标系的快速原型机相比，采用本发明所述极坐标3D打印机在加工旋转体及其薄壁零件的优势是显而易见的，主要表现在以下几个方面：

a.打印头运动轨迹是真实的圆，而不再是近似的多边形。

b.加工回转曲面时零件截面轮廓是一次完成，而不是一点一点打印，从而缩短加工周期。

c.控制电机运转的参数只要所得截面的半径和旋转的角度，因而软件控制设计较为简单。

d.是一种经济型的小型快速原型机，适合于航空航天领域及教学研究使用。

与现有极坐标3D打印机相比，本发明具有以下特点：

1.体积小、打印范围大；

2.打印速度快：打印直线(直壁)时；

3.能打印由回转曲线和直线组成的任意图形实体，克服了3d极坐标仅能打印回转体或对称结构的实体，在同等设备外形尺寸下,极坐标的工作范围变得很大；

4.软件处理较为简单。

从CAD到RP(快速成形技术，Rapidprototyping，简称RP)数据转换的方法有两种，一种是对STL文件进行分层处理。基于这种文件格式，要对模型进行表面网络化处理，用三角形平面片来近似原来的曲面或平面。STL文件记录每个三角形平面片的顶点坐标和法向矢量。由这两点可以看出，使用STL文件不仅数据量大，而且曲面的网格化近似降低了模型的精度。虽然目前STL格式文件已经成为事实上的工业标准，但由于它的上述缺点，寻求何种合适的数据格式(如IGES，STEP，CFL等)作为CAD和RP的接口是近年来研究的热点。另一种是在CAD模型的基础上直接进行分层处理，不但可以避免表面网格化所带来的误差，也无需借助中介的文件转换格式。但若是基于直角坐标机构，这种直接对CAD模型分层的方式需要更为复杂的算法。而在极坐标机构的基础上，采用直接分层却大大简化，不需要复杂的算法，在诸多CAD软件中，AutoCAD可以满足三维造型到截面几何数据获取的要求。由于AutoCAD的UCS功能和获取截面命令，可以很方便的得到三维实体的任意截面几何数据。极坐标系下分层软件的三维打印技术方案，是通过控制电机运转的参数来获得截面的半径和旋转的角度，因而控制设计也较为简单。

总之，上述极坐标3D打印机完全颠覆了现有3D打印机的思维和模式，可以实现小型打印机能打印出较大实物的目标，并且实现运动的结构大为简化，真正实现复杂曲面的简单化打印，实现最终目标：快速和精确打印。

Claims (10)

1.一种极坐标3D打印机，其特征在于：该3D打印机包括底板(1)、设置于底板(1)上的可按照极坐标在平面内移动的工作台(10)以及与所述工作台(10)的间距可调的打印头(9)。

2.根据权利要求1所述一种极坐标3D打印机，其特征在于：所述3D打印机还包括立板(2)、第一电机(3)以及第一丝杠(4)，立板(2)以及第一电机(3)设置于底板(1)上，第一丝杠(4)的一端与第一电机(3)的输出端相连，第一丝杠(4)的另一端通过立板(2)固定，所述打印头(9)与第一丝杠(4)的丝杠螺母相连。

3.根据权利要求2所述一种极坐标3D打印机，其特征在于：所述3D打印机还包括横梁(5)、第二电机(7)、第二丝杠(8)以及横梁滑块(18)，横梁(5)的一端与所述第一丝杠(4)的丝杠螺母相连，第二电机(7)以及第二丝杠(8)设置于横梁(5)上，第二电机(7)的输出端与第二丝杠(8)相连，横梁滑块(18)与第二丝杠(8)的丝杠螺母相连，所述打印头(9)设置于横梁滑块(18)上。

4.根据权利要求3所述一种极坐标3D打印机，其特征在于：所述横梁(5)水平设置，所述立板(2)以及第一丝杠(4)竖直设置。

5.根据权利要求1所述一种极坐标3D打印机，其特征在于：所述3D打印机还包括摇臂(15)、第三丝杠(13)、极坐标滑块(12)以及第三电机(14)，第三电机(14)的输出端与第三丝杠(13)相连，极坐标滑块(12)与第三丝杠(13)的丝杠螺母相连，所述工作台(10)设置于极坐标滑块(12)上，第三丝杠(13)以及第三电机(14)设置于摇臂(15)上。

6.根据权利要求5所述一种极坐标3D打印机，其特征在于：所述极坐标滑块(12)上设置有第四电机(11)，所述工作台(10)与第四电机(11)的输出端相连。

7.根据权利要求5所述一种极坐标3D打印机，其特征在于：所述底板(1)上设置有第五电机(16)，摇臂(15)与第五电机(16)的输出端相连。

8.根据权利要求5所述一种极坐标3D打印机，其特征在于：所述摇臂(15)以及第三丝杠(13)水平设置。

9.根据权利要求5所述一种极坐标3D打印机，其特征在于：所述摇臂(15)上设置有与底板(1)接触的支撑滚轮(17)。

10.根据权利要求1所述一种极坐标3D打印机，其特征在于：所述工作台(10)为圆形。