CN105479759A - 一种3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D打印机，包括机架、打印头和驱动打印头在水平面上运动的平面驱动机构；所述平面驱动机构包括：固定端与机架通过转动部连接、自由端在水平面上摆动的第一摆臂，固定端与机架通过转动部连接、自由端在水平面上摆动的第二摆臂，安装打印头的连接体，调整第一摆臂摆动位置的第一位置调整机构，调整第二摆臂摆动位置的第二位置调整机构；连接体包括第一滑动座和位于第一滑动座正下方的第二滑动座，第一滑动座和第二滑动座绕同一竖直转轴自转；第一滑动座沿着第一摆臂滑移，第二滑动座沿着第二摆臂滑移。本发明具有结构简单，提高打印精度和打印速度的优点，属于3D打印机技术领域。

Description

一种3D打印机

技术领域

本发明涉及一种3D打印机，具体的说，涉及一种不同于传统打印头运动方式的3D打印机。

背景技术

目前市面上的3D打印机主要有三种机械结构，分别为：直角坐标型、三角爪(并联臂)型、舵机转动型(极坐标型)。下面对这几种分别进行介绍：

(1)直角坐标型：

XYZ轴成互为直角，XY轴通常是由同步带接步进电机来定位的，Z轴则是由丝杆控制。直角坐标型又可以分为两种具体结构，分别为矩形盒式结构和矩形杆(龙门)式结构。

1.矩形盒式结构：

该机器的特点是热床移动是沿Z轴移动的，物体定在热床上不会有XY轴方向的移动，所以基本不用担心打印物体在打印过程中出现位移情况，而且由于只需对喷头做XY轴移动，减轻喷头重量就可以调打印速度和打印精度。缺点：安装过程较为复杂、维修也较为困难；整机成本较高；皮带易老化、松弛且有空回误差(突出缺点)。

2.矩形杆式结构：

X轴在两个Z轴步进电机构成的平面上活动，而Z轴则与机身三角形的中垂线重合。在打印机是由于热床在Y轴上前后移动会带着打印物体也前后移动，所以需要特别留意打印物体与热床的粘合。由于杆式结构与工作平台的接触面积较小，所以将较重的步进电机放在底部以降低中心。缺点：打印时，打印物体随热床在Y轴前后移动导致被打印物体抖动，影响打印质量(突出缺点)。

(2)三角爪型：

这种结构是开源3D打印机的一个重要分支，其数学原理实际上还是笛卡尔坐标系，只是通过三角函数将XY坐标映射到三台垂直的轴上去，这种结构的有对喷头的重量有较高的要求，因此通常采用较轻的J-head喷嘴远端齿轮式挤出机。这种结构的机械复杂程度要比传统的直角坐标系结构简单很多，但是固件调试就复杂多了。这种结构有一个很大的不足就是Z轴方向的体积较大(因为要容纳爪的长度)，例如有效打印高度为20CM的该打印机，整体高度至少达60cm，所以这种结构适合在有固定场所使用。缺点：固件调试复杂；打印相同大小的物体所需机器体积较大(突出缺点)；3对臂与效应器通过3对球铰、强磁鱼眼或者万向节连接，在较高速度打印时，效应器上的打印头振动很大，限制了其打印精度和打印速度(突出缺点)。

3.舵机转动型(极坐标型)：

XY轴坐标采用极坐标系，跟笛卡尔坐标系不同，所以在控制程序上有完全不同的代码。在进行3D打印时，打印平台旋转，而挤出机则来回移动打印。缺点：打印平台旋转，打印物易受离心力影响而发生变形(突出缺点)。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种移动更快、精确度更高的的具有全新打印头移动方式的3D打印机。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种3D打印机，包括机架、打印头和驱动打印头在水平面上运动的平面驱动机构；所述平面驱动机构包括：固定端与机架通过转动部连接、自由端在水平面上摆动的第一摆臂，固定端与机架通过转动部连接、自由端在水平面上摆动的第二摆臂，安装打印头的连接体，调整第一摆臂摆动位置的第一位置调整机构，调整第二摆臂摆动位置的第二位置调整机构；连接体包括第一滑动座和位于第一滑动座正下方的第二滑动座，第一滑动座和第二滑动座绕同一竖直转轴自转；第一滑动座沿着第一摆臂滑移，第二滑动座沿着第二摆臂滑移。

作为一种优选，第一位置调整机构为调整第一滑动座与第一摆臂的固定端距离的平移驱动机构，第二位置调整机构为调整第二滑动座与第二摆臂的固定端距离的平移驱动机构。

作为一种优选，第一位置调整机构为调整第一摆臂相对于机架摆动角度的摆动驱动机构，第二位置调整机构为调整第二摆臂相对于机架摆动角度的摆动驱动机构。

作为一种优选，转动部包括摆轴和摆动座，竖直的摆轴固定在机架上，摆动座绕摆轴摆动；第一/第二摆臂的固定端固定在摆动座上；平移驱动机构包括电机、传动齿轮组、丝杆，电机、传动齿轮组、丝杆均安装在摆动座上；电机通过传动齿轮组驱动丝杆转动，丝杆和第一/第二滑动座构成丝杆滑块机构。

作为一种优选，转动部包括摆轴和摆动座，竖直的摆轴固定在机架上，摆动座绕摆轴转动；第一/第二摆臂的固定端固定在摆动座上；摆动驱动机构包括电机、传动齿轮组、人字形齿轮和弹簧或游丝，电机固定在机架上，人字形齿轮与摆动座固定成一体；电机通过传动齿轮组带动人字形齿轮转动，人字形齿轮带动摆动座转动；弹簧或游丝的一端与机架相对固定，另一端与人字形齿轮相对固定，弹簧或游丝拉动人字形齿轮使得人字形齿轮有单向摆动的趋势。采用这种结构后，即人字形齿轮和弹簧，或人字形齿轮和游丝组成空回误差消除机构，可消除齿轮啮合中的空回误差。

作为一种优选，一种3D打印机，还包括固定端与机架通过转动部连接、自由端在水平面上摆动的第三摆臂；在俯视方向上，第一摆臂、第二摆臂、第三摆臂的固定端排列成三角形；连接体包括第三滑动座，第三滑动座沿着第三摆臂滑移；第一滑动座、第三滑动座、第二滑动座上下依次设置，且三者绕同一竖直转轴自转。

作为一种优选，第二滑动座的上端设有连接轴，第一滑动座和第三滑动座均通过轴承套在连接轴上，连接轴的上端安装有锁紧螺钉，锁紧螺钉和第一滑动座之间设有垫圈；第一滑动座的内部空心；第一滑动座的空心内部、第一滑动座的容纳连接轴的通孔、第一滑动座的容纳第一摆臂的通孔、第三滑动座的容纳连接轴的通孔、第三滑动座的容纳第三摆臂的通孔、第二滑动座的容纳第二摆臂的通孔相互连通。

作为一种优选，第一摆臂、第二摆臂、第三摆臂均包括两根相互平行的支撑杆。

作为一种优选，一种3D打印机，还包括打印平台和上下驱动机构，位于打印头正下方的打印平台通过上下驱动机构相对于机架上下平移。

作为一种优选，打印平台包括台面、支撑架和若干个缓冲和调平机构，缓冲和调平机构沿着台面边缘均匀分布；缓冲和调平机构包括螺钉、调节块、垫片、弹簧、两个螺母；台面、一个螺母、调节块、支撑架、压缩的弹簧、垫片、另一螺母从上往下依次套在螺钉外，上端的螺母和螺钉上端的头部将台面夹紧，调节块和螺钉螺纹连接；上下驱动机构和支撑架相接。采用这种结构后，通过调节调节块在螺钉上的位置，即可微调台面的高度，进而调节台面的水平度。此外，支撑架在弹簧的作用下紧贴调节块的下端，当打印平台上下平移时，压缩在支撑架和垫片之间的弹簧可起到缓冲作用。

本发明的原理是：

在X-Y平面上确定两点(对应第一摆臂和第二摆臂的固定端)，第一摆臂和第二摆臂的摆动位置不同，两者的交点(对应打印头)即可处于平面中的不同位置。具体的说，分为如下两种方式：

通过固定两点和控制两圆半径长度在半平面内确定一个点，具体实现方法是通过电机控制丝杆旋转进而控制连接体和打印头位置，从而确定打印点的位置进行打印。设定好打印速度后，利用建模软件解析出的打印轨迹代码，分析计算出电机每一时刻的转动速度，进而控制丝杆的旋转带动打印头在第一/第二摆臂上移动。在运动过程中，时间为变量，电机的转速和丝杆杆长(即第一/第二滑动座在丝杆上的位置)为主动量，打印头的位置和与固定的步进电机连线夹角为从动量。在运动模式中，通过把曲线的运动模式分解为直线和圆弧运动，利用不同的算法控制电机转速和丝杆长度(即第一/第二滑动座的位置)，达到控制打印头的目的。

通过固定两点和控制第一/第二摆臂的摆角，在平面内确定一个点，具体实现方法是通过电机控制第一/第二摆臂旋转进而控制打印头位置，从而确定打印点的位置进行打印。设定好打印速度后，利用建模软件解析出的打印轨迹代码，分析计算出电机每一时刻的转动速度，进而控制第一/第二摆臂的摆动，带动打印头在平面内移动。在运动过程中，时间为变量，电机的转速以及摆角为主动量，打印头位置和丝杆长度(即第一/第二滑动座的位置)为从动量。在运动模式中，通过把曲线的运动模式分解为直线和圆弧运动，利用不同的算法控制电机转速和丝杆长度，达到控制打印头的目的。

对于Z轴方向上的运动，则采用平动的方式。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.以丝杆滑块机构或齿轮传动机构控制打印头、打印平台运动，解决了现有技术的使用皮带所存在的易滑动、老化松弛、空回误差等问题，提高了打印精度的同时，简化了打印机的结构。

2.相同时间内打印头能到达的区域比直角坐标的平动型3D打印机要大，这表明打印速度能有所提高。本发明具有较高的打印速度，并且能完成较高质量的曲线、曲面。

3.打印平台的移动是沿Z轴移动的，物体固定在打印平台上不会有XY轴方向的移动，所以基本不用担心打印物体在打印过程中因抖动产生片层粘合不牢，有毛刺等影响打印物结构和表面质量的情况，而且由于打印头只需在XY平面运动，减轻喷头重量就可以调节打印速度和打印精度。

4.打印头由多根支撑杆连接，有良好的载荷能力，能承受较重的打印头而不会发生较大形变。

5.第一滑动座、第二滑动座、第三滑动座的连通结构，使得在第一滑动座上端加润滑油时，即可润滑多个部位，保证打印头的顺滑移动。

6.采用缓冲和调平机构，可调节台面的水平度，同时打印平台下降时能进行缓冲。

7.结构简单，便于安装、维修。

8.采用空回误差消除机构，可消除齿轮啮合中的空回误差。

附图说明

图1是实施例一的一种3D打印机的平面驱动机构的俯视图。

图2是实施例一的一种3D打印机的立体图。

图3是实施例一的转动部和第一/第二位置调整机构的立体图。

图4是实施例一的连接体的立体图。

图5是实施例一的连接体的剖视图。

图6是打印平台和上下驱动机构的立体图。

图7是缓冲和调平机构的立体图。

图8是实施例二的一种3D打印机的立体图。

图9是实施例二的转动部和第一/第二位置调整机构的立体图。

图10是实施例二的转动部和第一/第二位置调整机构的示意图。

图11是实施例二的一种3D打印机的平面驱动机构的俯视图。

图12是使用弹簧的空回误差消除机构的原理图。

图13是使用游丝的空回误差消除机构的原理图。

图14是图12和图13的局部放大图。

其中，1为机架，2为打印头，3为第一摆臂，4为第二摆臂，5为第三摆臂，6为连接体，7为摆轴，8为摆动座，9为电机，10为传动齿轮组，11为丝杆，12为人字形齿轮，13为打印平台，14为上下驱动机构。6-1为第一滑动座，6-2为第二滑动座，6-3为第三滑动座，6-4为轴承，6-5为锁紧螺钉，6-6为垫圈。13-1为台面，13-2为支撑架，13-3为螺钉，13-4为调节块，13-5为垫片，13-6为弹簧，13-7为螺母，13-8为空回误差消除机构的弹簧，13-9为空回误差消除机构的游丝。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

实施例一

一种3D打印机包括：机架、打印头、平面驱动机构、打印平台、上下驱动机构。

机架为三角柱形框架结构。

平面驱动机构包括：第一摆臂、第二摆臂、第三摆臂、连接体、第一位置调整机构、第二位置调整机构。第一摆臂、第二摆臂、第三摆臂均包括固定端和自由端，三个成三角形分布的固定端通过转动部固定在机架上，第一、第二、第三摆臂相交的位置为连接体所在的部位。连接体包括从上往下依次设置的第一滑动座、第三滑动座、第二滑动座，第二滑动座的上端设有连接轴，第一滑动座和第三滑动座均通过轴承套在连接轴上，连接轴的上端安装有锁紧螺钉，锁紧螺钉和第一滑动座之间设有垫圈；第一摆臂穿过第一滑动座从而第一滑动座可沿着第一摆臂滑动，第二摆臂穿过第二滑动座从而第二滑动座可沿着第二摆臂滑动，第三摆臂穿过第三滑动座从而第三滑动座可沿着第三摆臂滑动；第一滑动座的内部空心，上端敞开；第一滑动座的空心内部、第一滑动座的容纳连接轴的通孔、第一滑动座的容纳第一摆臂的通孔、第三滑动座的容纳连接轴的通孔、第三滑动座的容纳第三摆臂的通孔、第二滑动座的容纳第二摆臂的通孔相互连通。转动部包括摆轴和摆动座，竖直的摆轴固定在机架上，摆动座相对于摆轴转动。第一位置调整机构和第二位置调整机构的结构相同，均为平移驱动机构，包括电机、传动齿轮组、丝杆，电机、传动齿轮组、丝杆的一端均安装在摆动座上，电机通过传动齿轮组驱动丝杆转动，丝杆和第一/第二滑动座构成丝杆滑块机构，从而丝杆的转动带动第一/第二滑动座相对于丝杆的平移，继而调节连接体到第一/第二摆臂的固定端的距离。第一摆臂、第二摆臂、第三摆臂均包括两根相互平行的支撑杆，从而受力更均匀，可支撑较重的打印头。

打印头部分安装在连接体的下方，打印头部分采用现有3D打印机的打印头结构。

打印平台水平设置，位于机架的框架内沿着机架上下平移。打印平台包括台面、支撑架和若干个缓冲和调平机构，缓冲和调平机构沿着台面边缘均匀分布；缓冲和调平机构包括螺钉、调节块、垫片、弹簧、两个螺母；台面、一个螺母、调节块、支撑架、弹簧、垫片、另一螺母从上往下依次套在螺钉外，上端的螺母和螺钉上端的头部将台面夹紧，调节块和螺钉螺纹连接；上下驱动机构和支撑架相接。支撑架通过上下驱动机构在机架内上下平移，上下驱动机构也采用丝杆滑块机构，通过对应的电机即可驱动打印平台的Z轴方向上的平移。调节调节块的位置，即可调节支撑架相对于螺钉的位置，进而调节台面相对于支撑架的高度；通过所有的调节块的高度的调节，即可调节台面的水平度；升降时，弹簧在支撑架和垫片之间起缓冲作用，垫片、螺钉、螺母、台面、调节块连接成一整体，在弹簧的作用下相对于支撑架平移缓冲。

操作方式如下：

1.打印头在X-Y平面内移动：通过两电机控制连接体的位置，进而控制打印头的位置，具体过程为：电机通过传动齿轮组带动丝杆转动，丝杆带动第一/第二滑动座平移，确定第一摆臂和第二摆臂的交点的位置，第三摆臂作为辅助支撑臂，从而三条摆臂可承受大重量的打印头。

2.打印平台在Z轴方向上的平移：打印平台通过上下驱动机构沿着机架上下平移。

3.润滑：连接体内各通孔连通，往其中一个部位注入润滑油，即可实现整个连接体的润滑，保证打印头的顺滑移动。

实施例二

本实施例中，第一位置调整机构和第二位置调整机构的结构相同，均为摆动驱动机构，包括电机、传动齿轮组、人字形齿轮和弹簧或游丝，电机固定在机架上，人字形齿轮与摆动座固定成一体；电机通过传动齿轮组带动人字形齿轮转动，人字形齿轮带动摆动座转动，摆动座带动第一/第二摆臂转动，从而第一/第二摆臂的交点(连接体)位置确定。

图12所示，采用弹簧和人字形齿轮组成的空回误差消除机构，拉伸的弹簧的一端与机架相对固定，另一端与人字形齿轮或摆动座相对固定，从而使得摆动座(连同人字形齿轮)总有逆时针摆动的趋势。

图13所示，采用游丝和人字形齿轮组成的空回误差消除机构，游丝的一端与机架相对固定，另一端与人字形齿轮或摆动座相对固定，从而使得摆动座(连同人字形齿轮)总有逆时针摆动的趋势。

采用上述两种空回误差消除机构，由于弹簧或游丝产生反扭矩能使人字形齿轮在正转或反转过程中使齿面始终处于单面接触状态,虽然有侧隙存在,但是由于正反转时总是单面啮合,也就消除了侧隙对空回的影响。接触游丝法安放的位置应是传动链中的最后一环上,即与人字齿轮相固连的摆动座上，这样才能把传动链中所有零件都保持单向压紧，消除空回误差。

打印头在X-Y平面内移动：通过两电机控制连接体的位置，进而控制打印头的位置，具体过程为：电机通过传动齿轮组带动人字形齿轮转动，人字形齿轮带动摆动座摆动，摆动座带动第一/第二摆臂摆动，确定第一摆臂和第二摆臂的交点的位置，第三摆臂作为辅助支撑臂，从而三条摆臂可承受大重量的打印头。

本实施例未提及部分同实施例一。

除了本实施例提及的方式外，本发明还可采用第一摆臂由平移驱动机构控制，第二摆臂由摆动驱动机构控制的方式；平移驱动机构还可采用齿轮齿条机构或气缸驱动、皮带传动等方式。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印机，包括机架、打印头和驱动打印头在水平面上运动的平面驱动机构，其特征在于：所述平面驱动机构包括：

-固定端与机架通过转动部连接、自由端在水平面上摆动的第一摆臂，

-固定端与机架通过转动部连接、自由端在水平面上摆动的第二摆臂，

-安装打印头的连接体，

-调整第一摆臂摆动位置的第一位置调整机构，

-调整第二摆臂摆动位置的第二位置调整机构；

连接体包括第一滑动座和位于第一滑动座正下方的第二滑动座，第一滑动座和第二滑动座绕同一竖直转轴自转；第一滑动座沿着第一摆臂滑移，第二滑动座沿着第二摆臂滑移。

2.按照权利要求1所述的一种3D打印机，其特征在于：所述第一位置调整机构为调整第一滑动座与第一摆臂的固定端距离的平移驱动机构，第二位置调整机构为调整第二滑动座与第二摆臂的固定端距离的平移驱动机构。

3.按照权利要求1所述的一种3D打印机，其特征在于：所述第一位置调整机构为调整第一摆臂相对于机架摆动角度的摆动驱动机构，第二位置调整机构为调整第二摆臂相对于机架摆动角度的摆动驱动机构。

4.按照权利要求2所述的一种3D打印机，其特征在于：所述转动部包括摆轴和摆动座，竖直的摆轴固定在机架上，摆动座绕摆轴摆动；第一/第二摆臂的固定端固定在摆动座上；

平移驱动机构包括电机、传动齿轮组、丝杆，电机、传动齿轮组、丝杆均安装在摆动座上；电机通过传动齿轮组驱动丝杆转动，丝杆和第一/第二滑动座构成丝杆滑块机构。

5.按照权利要求3所述的一种3D打印机，其特征在于：所述转动部包括摆轴和摆动座，竖直的摆轴固定在机架上，摆动座绕摆轴转动；第一/第二摆臂的固定端固定在摆动座上；

摆动驱动机构包括电机、传动齿轮组、人字形齿轮和弹簧或游丝，电机固定在机架上，人字形齿轮与摆动座固定成一体；电机通过传动齿轮组带动人字形齿轮转动，人字形齿轮带动摆动座转动；弹簧或游丝的一端与机架相对固定，另一端与人字形齿轮相对固定，弹簧或游丝拉动人字形齿轮使得人字形齿轮有单向摆动的趋势。

6.按照权利要求1所述的一种3D打印机，其特征在于：它还包括固定端与机架通过转动部连接、自由端在水平面上摆动的第三摆臂；在俯视方向上，第一摆臂、第二摆臂、第三摆臂的固定端排列成三角形；连接体包括第三滑动座，第三滑动座沿着第三摆臂滑移；第一滑动座、第三滑动座、第二滑动座上下依次设置，且三者绕同一竖直转轴自转。

7.按照权利要求6所述的一种3D打印机，其特征在于：所述第二滑动座的上端设有连接轴，第一滑动座和第三滑动座均通过轴承套在连接轴上，连接轴的上端安装有锁紧螺钉，锁紧螺钉和第一滑动座之间设有垫圈；

第一滑动座的内部空心；

第一滑动座的空心内部、第一滑动座的容纳连接轴的通孔、第一滑动座的容纳第一摆臂的通孔、第三滑动座的容纳连接轴的通孔、第三滑动座的容纳第三摆臂的通孔、第二滑动座的容纳第二摆臂的通孔相互连通。

8.按照权利要求6所述的一种3D打印机，其特征在于：所述第一摆臂、第二摆臂、第三摆臂均包括两根相互平行的支撑杆。

9.按照权利要求1至8中任一项所述的一种3D打印机，其特征在于：它还包括打印平台和上下驱动机构，位于打印头正下方的打印平台通过上下驱动机构相对于机架上下平移。

10.按照权利要求9所述的一种3D打印机，其特征在于：所述打印平台包括台面、支撑架和若干个缓冲和调平机构，缓冲和调平机构沿着台面边缘均匀分布；缓冲和调平机构包括螺钉、调节块、垫片、弹簧、两个螺母；台面、一个螺母、调节块、支撑架、压缩的弹簧、垫片、另一螺母从上往下依次套在螺钉外，上端的螺母和螺钉上端的头部将台面夹紧，调节块和螺钉螺纹连接；上下驱动机构和支撑架相接。