CN105599301A - 一种基于柱坐标式多喷头打印的3d打印机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，是一种可以实现多喷头打印的3D打印机。包括平面极坐标式打印机构、Z轴运动机构、工作平台机构；该3D打印机采用平面极坐标机构实现喷嘴的平面运动，搭配Z方向的运动，实现基于空间柱坐标的轨迹的打印运动；所述的平面极坐标式打印机构包括太阳齿轮、加固圆环、喷头、供料驱动电机、极轴向丝杠、供料轮、限位块、供料轮支撑杆、行星齿轮、螺母、极角方向驱动电机安装座、极角向驱动电机、极轴向驱动电机和极轴向驱动电机安装座；所述的Z向运动机构包括Z向运动机构上固定块、导向杆、平面打印机构支撑杆、滑动块、Z向运动机构支撑杆、Z向运动机构下固定块、Z向运动驱动电机和同步带。

Description

一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机
技术领域
本发明涉及的是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，是针对目前3D打印机的曲线轨迹精度差和打印效率低的问题，提出了可以实现多喷头打印的3D打印机。
技术背景
3D打印（3Dprinting），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
现在的3D打印机的精度普遍比较低，其曲线轨迹的精度更差，使得打印出的零件中的曲面和一些回转类零件质量较差。
现在的3D打印机由于结构的设计只能实现单喷头或者多喷头单喷，在追求效率的今天，它严重影响了3D打印的速度，限制了3D打印的效率，因此迫切需要一种可以实现多喷头共喷同时打印的3D打印机结构，提高3D打印机的打印速度。
发明内容
本发明目的是针对上述不足之处提供一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，是一种基于柱坐标式可以实现多喷头打印的3D打印机，是一种可以使用的，具有可操作性的3D打印机，可以提高打印机的精度、实现多喷头共喷，提高打印质量和效率的3D打印机结构。
本发明一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机是采取以下技术方案实现：
一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机包括平面极坐标式打印机构、Z轴运动机构、工作平台机构。该3D打印机没有X轴和Y轴，采用平面极坐标机构实现喷嘴的平面运动，搭配Z方向的运动，实现基于空间柱坐标的轨迹的打印运动。
所述的平面极坐标式打印机构包括太阳齿轮、加固圆环、喷头、供料驱动电机、极轴向丝杠、供料轮、限位块、供料轮支撑杆、行星齿轮、螺母、极角方向驱动电机按装座、极角向驱动电机、极轴向驱动电机和极轴向驱动电机安装座。行星齿轮安装在极角向驱动电机输出轴上，行星齿轮和太阳齿轮组成内啮合行星齿轮机构，极角向驱动电机安装在极角向驱动电机安装座上，极角向驱动电机安装座安装在太阳齿轮上，可以绕着太阳齿轮转动。平面极坐标式打印机构中极轴向传动方式选择为丝杠螺母传动方式。极轴向驱动电机固定在极轴向驱动电机安装座上，极角向驱动电机安装座固定在极轴向丝杠上，与极轴向丝杠之间为滚珠丝杠传动方式；其中，与太阳齿轮同心、在太阳齿轮外围有加固圆环，加固圆环上安装有可绕加固圆环转动的螺母，极轴向丝杠安装在该螺母上面并且和该螺母之间为滚珠丝杠传动方式，在极轴向丝杠的一端安装有供料驱动电机和喷头，另一端安装着限位块；供料轮支撑杆的一端固定在螺母上，在供料轮支撑杆的另一端安装着供料轮，供料轮为圆盘状，可以绕着自身圆心旋转。
所述的平面极坐标式打印机构至少设置有一层。
所述的Z向运动机构，其数目应大于等于两套。所述的Z向运动机构包括Z向运动机构上固定块、导向杆、平面打印机构支撑杆、滑动块、Z向运动机构支撑杆、Z向运动机构下固定块、Z向运动驱动电机和同步带。其中，Z向驱动电机固定在Z向运动机构下固定块上。Z向运动机构的Z向传动方式选择为同步带传动方式。滑动块固定在同步带上，并且有导向杆贯穿滑动块；平面打印机构支撑杆安装在滑动块上面，另一端上安装着太阳齿轮和加固圆环。其中，Z向运动机构的数目需根据该3D打印机结构和喷头数目决定。
所述的Z向运动机构至少设置有两套。
所述的打印平台机构包括工作平台和工作平台固定杆，工作平台固定杆固定在Z向运动机构下固定块上，工作平台固定在工作平台固定杆上；其中工作平台固定杆的数目需根据Z向运动机构的数目确定。
所述的一种基于柱坐标式可以实现多喷头打印的3D打印机结构，3D打印机结构的可扩展性，可通过增加Z向运动机构和平面极坐标式打印机构的数目来增加喷头的数目，也可以拆卸平面极坐标式打印机构，实现单喷头的空间柱坐标式打印。
一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机工作原理：其中，该3D打印机工作过程中：计算机控制系统首先将零件的三维模型离散化，同时依次读取离散化模型的两层截面数据，并将模型数据加载到两层打印机构，第一层模型数据加载到A层，第二层加载到B层。A层优先打印，当A层打印一部分后，B层跟随打印开始第二层的打印，就实现了双层同时打印，提高了打印了效率。该3D打印机，可以增加A平面极坐标打印机构或者B平面极坐标打印机构以增加喷头的数目，进一步提高打印效率；也可以拆卸掉A平面极坐标打印机构或者B平面极坐标打印机构，成为单喷头极坐标式打印机。
本发明为一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，其的特点在于：
(1)该打印机的打印轨迹的计算是基于空间柱坐标，平面极坐标中极角的坐标和极轴坐标的响应比笛卡尔坐标中的X轴和Y轴的响应快，并且误差没有积累。
(2)该打印机的喷头的平面运行轨迹基于平面极坐标计算，使得这种结构的3D打印机的曲线轨迹的精度相当高，十分适合打印零件中的曲面部分和回转类零件。
(2)该结构的3D打印机，通过调整极坐标平面打印机构的层数和极坐标平面打印机构内喷头的数目来调整喷头数目，实现多喷头打印和单喷头打印。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机结构图。
图2是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机主视图。
图3a是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机的A平面极坐标式打印机构结构图1。
图3b是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机的A平面极坐标式打印机构结构图2。
图4是图3a中3D打印机的供料轮及供料轮支撑杆隐藏后A部分的局部放大图。
图5a是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机的B平面极坐标式打印机构结构图。
图5b是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机的B平面极坐标式打印机构结构图。
图6是图5a中一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机的供料轮及供料轮支撑杆隐藏后B部分的局部放大图。
图7是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机的Z向运动机构结构图。
图8是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机的Z向运动机构和工作平台机构的结构图。
图9是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机轨迹运行示意图。
图10是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机的喷头运行原理图。
图11是一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机的轨迹模拟图。
图中标号：10、A平面极坐式打印机构；20、B平面极坐标式打印机构；30、Z轴运动机构；40、工作平台机构；
101、太阳齿轮A，102、加固圆环A，103、喷头A，104、供料驱动电机A，105、极轴向丝杠A，106、供料轮A，107、限位块A，108、供料轮支撑杆A，109、行星齿轮A，110、螺母A，111、极角方向驱动电机按装座A，112、极角向驱动电机A，113、极轴向驱动电机A，114、极轴向驱动电机安装座A，
201、太阳齿轮B，202、加固圆环B，203、喷头B，204、供料驱动电机B，205、极轴向丝杠B，206、供料轮B，207、限位块B，208、供料轮支撑杆B，209、行星齿轮B，210、螺母B，211、极角方向驱动电机按装座B、212、极角向驱动电机B，213、极轴向驱动电机B，214、极轴向驱动电机安装座B；
301、Z向运动机构上固定块，302、导向杆，303、平面打印机构支撑杆，304、滑动块，305、Z向运动机构支撑杆，306、Z向运动机构下固定块，307、Z向运动驱动电机，308、同步带；
401、工作平台,402、工作平台固定杆。
具体实施方式
下面结合该3D打印机的双喷头打印机实例和附图来进一步的阐述该3D打印机。
参照附图1～11，一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机包括A平面极坐标式打印机构（10）、B平面极坐标式打印机构（20）、Z轴运动机构（30）、工作平台机构（40）。该3D打印机没有的X轴和Y轴，而是基于平面极坐标实现喷嘴A(103)和喷嘴B（203)的平面运动，搭配Z方向的运动，实现基于空间柱坐标的轨迹的打印运动。
如图1所示，该3D打印机的结构包括极坐标式A平面打印机构（10），极坐标式B平面打印机构（20）、Z向运动机构（30）、工作平台机构（40）。
所述的A平面极坐标式打印机构(10)包括太阳齿轮A(101)、加固圆环A(102)、喷头A(103)、供料驱动电机A(104)、极轴向丝杠A(105)、供料轮A(106)、限位块A(107)、供料轮支撑杆A(108)、行星齿轮A(109)、螺母A(110)、极角方向驱动电机按装座A(111)、极角向驱动电机A(112)、极轴向驱动电A(113)和极轴向驱动电机安装座A(114)；行星齿轮A(109)安装在极角向驱动电A(112)输出轴上，行星齿轮A(109)和太阳齿轮A(101)组成内啮合行星齿轮机构，极角向驱动电机A(112)安装在极角向驱动电机安装座A(114)上，极角向驱动电机安装座A(114)安装在太阳齿轮A(101)上，并且可以绕着太阳齿轮A(101)转动，极轴向驱动电机A(113)固定在极轴向驱动电机安装座A(114)上，极角向驱动电机安装座A(112)固定在极轴向丝杠A(105)上，极角向驱动电机安装座A(111)与极轴向丝杠A(105)之间为滚珠丝杠传动方式或蜗轮蜗杆；其中，加固圆环A(102)在太阳齿轮外围并且与太阳齿轮A(101)同心，加固圆环A（102）上安装有可绕加固圆环A(102)转动的螺母A（110），极轴向丝杠A（105）安装在螺母A（102）上面，极轴向丝杠A（105）和螺母A（102）之间为滚珠丝杠传动方式，在极轴向丝杆A（105）的一端安装有供料驱动电机A（104）和喷头A(103)，另一端安装有限位块A（107）；其中，供料轮支撑杆A(108)固定在螺母A(110)上，在供料轮支撑杆A(110)的另一端安装着供料轮A(106)，供料轮A(106)为圆盘状，可以绕着自身圆心旋转。
所述的B平面极坐标式打印机构(20)包括太阳齿轮B(201)、加固圆环B(202)、喷头B(203)、供料驱动电机B(204)、极轴向丝杠B(205)、供料轮B(206)、限位块B(207)、供料轮支撑杆B(208)、行星齿轮B(209)、螺母B(210)、极角方向驱动电机按装座B(211)、极角向驱动电机B(212)、极轴向驱动电机B(213)和极轴向驱动电机安装座B(214)。行星齿轮B(209)安装在极角向驱动电机B(212)输出轴上，行星齿轮B(209)和太阳齿轮B(201)组成内啮合行星齿轮机构，极角向驱动电机B(212)安装在极角向驱动电机安装座B(214)上，极角向驱动电机安装座B(214)安装在太阳齿轮B(201)上，并且可以绕着太阳齿轮B(201)转动，极轴向驱动电机B(213)固定在极轴向驱动电机安装座B(214)上，极角向驱动电机安装座B(212)固定在极轴向丝杠B(205)上，极角向驱动电机安装座B(211)与极轴向丝杠B(205)之间为滚珠丝杠传动方式或蜗轮蜗杆；其中，加固圆环B(202)在太阳齿轮外围并且与太阳齿轮B(201)同心，加固圆环B（202）上安装有可绕加固圆环B(202)转动的螺母B（210），极轴向丝杠B（205）安装在螺母B（202）上面，并且极轴向丝杠B（205）和螺母B（210）之间为滚珠丝杠传动方式，在极轴向丝杆B（205）的一端安装有供料驱动电机B（204）和喷头B(203)，另一端安装着限位块B（207）；其中，供料轮支撑杆B(208)固定在螺母B(210)上，在供料轮支撑杆B(210)的另一端安装着供料轮B(206)，供料轮B(206)为圆盘状，可以绕着自身圆心旋转。
其中，在A平面极坐标打印机构（10）中，行星齿轮A(109)与太阳齿轮A(101)内啮合，并安装在极角向驱动电机A（112）输出轴上，极角向驱动电机A（112）固定在极角向驱动电机安装座A(111)上面，并且极角向驱动电机安装座A（111）可以绕太阳齿轮A（101）转动，在太阳齿轮A（101）的外围，有一个和太阳齿轮A（101）同心的加固圆环A（102，加固圆环A（102）可以增加A平面极坐标式打印机构(10)的稳定性；极轴向的传动方式选择滚珠丝杠传动方式，极轴向丝杠A（105）安装在螺母A(110和极轴向驱动电机安装座A(114)上，构成丝杠螺母传动方式，极轴向驱动电机A(113)固定在极轴向驱动电机安装座A(114)上面，螺母A(110)可绕加固圆环A(102)转动，在螺母A(110)上固定着供料轮支撑杆A(108)，供料轮支撑杆A(108)上面安装着供料轮A(106)，并且供料轮A(106)可以绕着自身轴线旋转，实现丝料的供给。在极轴向丝杠A(105)的一段安装着限位块A(107)，防止极轴向运动超行程，在极轴向丝杠A(105)另一端安装着喷头A(103)和供料驱动电机A(104)，供料驱动电机A(104)用于提供打印材料。该3D打印机工作中，极角向驱动电机安装座A（111）和极轴向驱动电机安装座B（214）之间为固定联接，使极角向驱动电机A(112)提供动力，通过行星齿轮A(109)和太阳齿轮A(101)的内啮合传动，实现A平面极坐标打印机构（10）的极角向运动，极轴向丝杠A(105)的直线运动实现了极轴向的运动，进而实现喷头A(103)的基于平面极坐标的运动轨迹。
在B平面极坐标打印机构（20）中，行星齿轮B(209)与太阳齿轮B(201)内啮合，并安装在极角向驱动电机B（212）输出轴上，极角向驱动电机B（212）固定在极角向驱动电机安装座B(211)上面，并且极角向驱动电机安装座B（211）可以绕太阳齿轮B（201）转动，在太阳齿轮B（201）的外围，有一个和太阳齿轮B（201）同心的加固圆环B（202），加固圆环B（202）可以增加B平面极坐标式打印机构(20)的稳定性；极轴向的传动方式选择滚珠丝杠传动方式或蜗轮蜗杆。极轴向丝杠B（205）安装在螺母B(210)和极轴向驱动电机安装座B(214)上，构成丝杠螺母传动方式，极轴向驱动电机B(213)固定在极轴向驱动电机安装座B(214)上面，螺母B(210)可绕加固圆环B(202)转动，在螺母B(210)上固定着供料轮支撑杆B(208)，供料轮支撑杆B(208)上面安装着供料轮B(206)，并且供料轮B(206)可以绕着自身轴线旋转，实现丝料的供给。在极轴向丝杠B(205)的一段安装着限位块B(207)，防止极轴向运动超行程，在极轴向丝杠B(205)另一端安装着喷头B(203)和供料驱动电机B(204)，供料驱动电机B(204)用于提供打印材料。该3D打印机工作中，极角向驱动电机安装座B（211）和极轴向驱动电机安装座A（114）之间为固定联接，使极角向驱动电机B(212)提供动力，通过行星齿轮B(209)和太阳齿轮B(201)的内啮合传动，实现B平面极坐标打印机构（20）的极角向运动，极轴向丝杠B(205)的直线运动实现了极轴向的运动，进而实现喷头B(203)的基于平面极坐标的运动轨迹。
一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机安装有两套Z向运动机构（30），包括Z向运动上固定块（301）、Z向运动下固定块（306）以及Z向运动支撑杆（305），Z向的传动方式选择为同步带传动方式，滑动块（304）固定在导向杆（302）上面，Z向驱动电机（307）固定在Z向运动机构下固定块（306）上；平面打印机构支撑杆（303）固定在滑动块（304）上面，随着滑动块（304）沿Z轴上下运动。工作中，平面打印机构支撑杆（303）带动A平面极坐标打印机构（10）和B平面极坐标打印机构（20）上下运动，实现3D打印机构的Z向运动，配合其极坐标平面的运动，实现其空间柱坐标打印运动。本实例为双喷头打印机结构，Z向运动机构（30）和A平面极坐标打印机构、B平面极坐标打印机构协同运动，实现双喷头的打印工作。
其中，工作平台机构（40）中，工作平台固定杆（402）上固定有工作平台（401），工作平台（401）用来盛放3D打印产品。
其中，该3D打印机工作过程中：计算机控制系统首先将零件的三维模型离散化，同时依次读取离散化模型的两层截面数据，并将模型数据加载到两层打印机构，第一层模型数据加载到A层，第二层加载到B层。A层优先打印，当A层打印一部分后，B层跟随打印开始第二层的打印，就实现了双层同时打印（如图10），提高了打印了效率。理论上是双倍效率，实际效率在1.5-1.8倍效率，因为B层跟随A层打印，有一定的滞后性。
所述的一种基于柱坐标式可以实现多喷头打印的3D打印机结构的可扩展性，可通过增加Z向运动机构（30）和A平面极坐标式打印机构（10）、B平面极坐标式打印机构（20）的数目来增加喷头A(103)、喷头B(203)的数目，也可以拆卸A/B平面极坐标式打印机构（10）或B平面极坐标式打印机构（20），成为单喷头极坐标式打印机，实现单喷头的空间柱坐标式打印。
本发明一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，包括：平面极坐标打印机构，Z轴运动机构和工作平台机构。其中：通过行星齿轮机构的啮合实现极角坐标的变化，可伸缩悬臂梁的直线运动实现极轴坐标的变化，从而喷头可实现极坐标平面的打印运动；Z轴运动机构带动平面极坐标打印机构实现Z轴方向的运动，从而喷头可实现基于空间柱坐标系的打印轨迹。也可安装多层极坐标平面打印机构，实现多喷头打印，提高3D打印机的工作效率。

Claims (7)

1.一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，其特征在于：包括平面极坐标式打印机构、Z轴运动机构、工作平台机构；该3D打印机采用平面极坐标机构实现喷嘴的平面运动，搭配Z方向的运动，实现基于空间柱坐标的轨迹的打印运动；
所述的平面极坐标式打印机构包括太阳齿轮、加固圆环、喷头、供料驱动电机、极轴向丝杠、供料轮、限位块、供料轮支撑杆、行星齿轮、螺母、极角方向驱动电机按装座、极角向驱动电机、极轴向驱动电机和极轴向驱动电机安装座；行星齿轮安装在极角向驱动电机输出轴上，行星齿轮和太阳齿轮组成内啮合行星齿轮机构，极角向驱动电机安装在极角向驱动电机安装座上，极角向驱动电机安装座安装在太阳齿轮上，可以绕着太阳齿轮转动；极轴向驱动电机固定在极轴向驱动电机安装座上，极角向驱动电机安装座固定在极轴向丝杠上，与极轴向丝杠之间为滚珠丝杠传动方式；其中，与太阳齿轮同心、在太阳齿轮外围有加固圆环，加固圆环上安装有可绕加固圆环转动的螺母，极轴向丝杠安装在该螺母上面并且和该螺母之间为滚珠丝杠传动方式，在极轴向丝杠的一端安装有供料驱动电机和喷头，另一端安装着限位块；供料轮支撑杆的一端固定在螺母上，在供料轮支撑杆的另一端安装着供料轮，供料轮为圆盘状，绕着自身圆心旋转；
所述的Z向运动机构包括Z向运动机构上固定块、导向杆、平面打印机构支撑杆、滑动块、Z向运动机构支撑杆、Z向运动机构下固定块、Z向运动驱动电机和同步带；其中，Z向驱动电机固定在Z向运动机构下固定块上；滑动块固定在同步带上，并且有导向杆贯穿滑动块；平面打印机构支撑杆安装在滑动块上面，另一端上安装着太阳齿轮和加固圆环；
所述的打印平台机构包括工作平台和工作平台固定杆，工作平台固定杆固定在Z向运动机构下固定块上，工作平台固定在工作平台固定杆上。
2.根据权利要求1所述的一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，其特征在于：所述的平面极坐标式打印机构至少设置有一层。
3.根据权利要求1所述的一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，其特征在于：所述的平面极坐标式打印机构中极轴向传动方式选择为丝杠螺母或蜗轮蜗杆。
4.根据权利要求1所述的一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，其特征在于：所述的Z向运动机构至少设置有两套；Z向运动机构的数目需根据该3D打印机结构和喷头数目决定。
5.根据权利要求1所述的一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，其特征在于：所述的工作平台固定杆的数目需根据Z向运动机构和平面极坐标打印机构的数目确定。
6.根据权利要求1所述的一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，其特征在于：所述的Z向运动机构的Z向传动方式可选滚珠丝杠传动或同步带传动。
7.根据权利要求1所述的一种基于柱坐标式多喷头打印的3D打印机，其特征在于：3D打印机结构的可扩展性，可通过增加Z向运动机构和平面极坐标式打印机构的数目来增加喷头的数目，也可以拆卸平面极坐标式打印机构，实现单喷头的空间柱坐标式打印。
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