CN105965897A - 一种机械臂式3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械臂式3D打印机，包括机械传动部分、零件工作台部分、可摆动喷头部分、滑动机构和底座。机械传动部分包括主动臂、从动臂、连杆机构、旋转关节、曲柄、电机A、皮带A、电机B、皮带B和执行末端座。零件工作台部分包括工作台、连接座和电机E。可摆动喷头部分包括舵机和喷头。本发明的3D打印机在打印包含悬空部分的零件时，所采用的可摆动喷头部分可根据悬空部分的特征自动调节喷头的摆动角度，实现无需支撑结构的高精度3D打印效果，具有无需支撑结构、伸缩灵活性强、打印精度高、产品体积小、打印效率高的优点。

Description

一种机械臂式 3D 打印机

技术领域

本发明3D打印机技术领域，具体涉及一种机械臂式3D打印机。

背景技术

3D打印技术是工业4.0的核心驱动力之一，通过电脑与3D打印机连接将原材料层层堆叠形成零件和产品的方法，以金属或者塑料等粘合剂作为打印材料，以数字模型为基础将绘制的图纸逐层打印出模型的一种技术手段。同传统减材制造方法相比，3D打印技术无需复杂的机械加工或模具，就能够制造出任意复杂性状的零件。

3D打印机，也称三维立体打印机（3D Printer，简称3DP），是快速成型（Rapid Prototyping,RP）的一种工艺，采用层层堆积的方式分层制作出三维模型，其运行过程类似于传统打印机，只不过传统打印机是把墨水打印到纸上形成二维的平面图纸，而三维打印机是把液态光敏树脂材料、熔融的塑料丝、石膏粉等材料通过喷射粘接剂或挤出等方式实现层层堆积叠加形成三维实体。较之于重型机床加工的产品生产工艺，3D打印机具有可变性强、效率更快、节省材料，危险性减少等突出优势。因此，3D打印技术开始在机械制造、教育、医疗、艺术等各行各业逐步得到应用，3D打印机可以制造的产品包括飞机、汽车零部分、人体骨骼、人体器官等。未来的3D打印技术将与更多的行业进行结合，得到更为广泛的实际应用。

市面上销售的主流3D打印机，主要是通过电脑软件来控制实现打印功能，常见的有喷墨式、熔融沉积式、激光烧洁式等成型制造方式。其中，以熔融沉积制造成型的方式应用最为广泛。但是，这种成型方式无法打印出一些带有悬空部位的零件，因而需要人为地在零件的悬空部位下方添加支撑结构，否则打印材料将悬在空中而无法沉积。可见，采用熔融沉积制造成型方式的3D打印机，普遍存在以下不足之处：首先，采用框架固定的龙门式结构，例在打印大型零件时需要体积庞大的3D打印机；其次，打印过程中需要添加的支撑结构，支撑结构作为物体模型的一部分被打印，结束后需要被人为剥除，这会对物体模型表面造成损伤，零件精度较差；再次，打印机的喷头运动方向单一，喷头仅为一个方向，挤出材料的端口与工作台平行，灵活性差；最后，市面上销售的大多数3D打印机的喷头只有一个，打印的效率较低。

发明内容

针对上述存在的不足，本发明提供了一种机械臂式3D打印机，无需支撑结构、伸缩灵活性强、打印精度高、产品体积小的优点，实现工作效率明显提升。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种机械臂式3D打印机，包括机械传动部分、零件工作台部分、可摆动喷头部分、滑动机构和底座：

机械传动部分包括主动臂、从动臂、连杆机构、旋转关节、曲柄、电机A、皮带A、电机B、皮带B和执行末端座；所述主动臂后端与旋转关节连接，前端与从动臂的后端连接；连杆机构位于主动臂和从动臂的上方，连杆机构的后端与曲柄的前端相连，连杆机构的前端与从动臂的前端与执行末端座连接；所述电机A通过皮带A驱动主动臂，所述电机B通过皮带B驱动曲柄和连杆机构、从而带动从动臂运动，实现机械臂的伸缩运动；电机C驱动旋转关节，实现机械臂的旋转运动。

滑动机构设置底座上，滑动机构与旋转关节连接且带动旋转关节做横向或纵向直线运动。

零件打印工作台部分包括工作台、连接座和电机E；连接座的上端与电机E连接，连接座的下端与底座连接，电机E的电机轴与工作台连接，电机E通过电机轴驱动工作台，实现工作台的旋转运动。

可摆动喷头部分包括舵机和喷头，安装在执行末端座的下端；喷头与舵机直连，通过舵机的驱动实现喷头的旋转运动；喷头通过旋转角度的调整，实现零件悬空部分的打印。

进一步的，所述滑动机构包括电机D、皮带D、直线型轨道、滑动连接板和支柱，所述滑动连接板设在直线型轨道上，且与皮带D连接，电机D通过皮带D驱动与旋转关节连接的滑动连接板，实现机械传动部分的直线运动。

上述方案可见，本发明的机械臂式3D打印机通过采用机械臂式，无需设置复杂的滑动机构部分，结构简单，产品体积较小，使用者可以方便地拆卸和携带3D打印机，而且也能方便地实现打印操作。

本发明的机械臂式3D打印机通过根据零件悬空部分的特征，自动调节打印喷头的摆动角度，将零件的悬空部分转化为非悬空部分进行打印，实现无需支撑结构也能打印零件的悬空部分，从而进一步提高打印零件的精度。

作为本发明进一步优选，机械传动部分至少为伸缩、旋转和直线移动三个自由度。

由此可见，机械传动部分采用机械臂式设计，整体结构紧凑，灵活性强，通过机械臂的伸缩、旋转和直线移动可拓展零件的打印范围，这样就可以实现小结构大零件的打印。

作为本发明进一步优选，机械传动部分的数量不少于一个，可摆动喷头部分的数量不少于一个。

由此可见，采用多于一个的机械传动部分和多于一个的可摆动喷头部分进行设计，机械传动部分和可摆动部分的数量相同，每个机械臂带动一个喷头实现同时打印，从而大大提高了3D打印机的工作效率。

作为本发明进一步优选，连接座呈U型。

综上所述，本发明的一种机械臂式3D打印机由于采用了上述方案，产生的有益效果是：

（1）采用机械臂式设计，机械传动部分至少为三个自由度，具有良好的旋转自由度，结构灵活，可以打印小结构大尺寸的零件，从而很好地解决了3D打印机的体积庞大和打印零件的尺寸受限问题。

（2）本发明采用的可摆动喷头部分，可根据零件的悬空部分的特征自动调节摆动角度，将悬空部分转化为非悬空部分进行打印，实现在打印过程中不需要添加支撑结构，从而大大提高了打印零件的精度。

（3）本发明的可摆动喷头部分采用舵机带动喷头实现旋转运动，从而提高了打印喷头的灵活性。

（4）本发明的底座配备的机械传动部分不少于一个，能带动一个以上的喷头进行同时打印，从而很好地提高了3D打印的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整机结构主视图。

图2为本发明的整机结构侧视图。

图3为本发明的零件打印工作台部分结构图。

图4为本发明的可摆动喷头部分结构图。

附图中，1-主动臂；2-从动臂；3-连杆机构；4-旋转关节；5-滑动机构；6-执行末端座；7-电机A；8-皮带A；9-电机B；10-皮带B；11-曲柄；12-电机C；13-电机D；14-皮带D；15-工作台；16-连接底座；17-电机E；18-电机轴；19-底座；20-舵机；21-喷头；22-直线型轨道；23-支柱；24-滑动连接板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

一种机械臂式3D打印机，包括机械传动部分一套、零件工作台部分一套、可摆动喷头部分一套、滑动机构一套和底座一个：

如图1和图2，机械传动部分包括主动臂1、从动臂2、连杆机构3、旋转关节4、曲柄11、电机A 7、皮带A 8、电机B 9、皮带B 10和执行末端座6；所述主动臂后端与旋转关节连接，前端与从动臂的后端连接；连杆机构3位于主动臂1和从动臂2的上方，连杆机构3的后端与曲柄11的前端相连，连杆机构3的前端与从动臂的前端与执行末端座连接；所述电机A 7通过皮带A 8驱动主动臂1，所述电机B通过皮带B驱动曲柄和连杆机构、从而带动从动臂运动，实现机械臂的伸缩运动；电机C 12驱动旋转关节4，实现机械臂的旋转运动。机械传动部分通过伸缩、旋转和直线移动的三个自由度，可以实现小结构大零件的打印。

如图2，滑动机构5位于底座19上，包括电机D 13、皮带D 14、直线型轨道22、滑动连接板24和支柱23，所述滑动连接板24设在直线型轨道22上，且与皮带D 14连接，电机D 13通过皮带D 14驱动与旋转关节4连接的滑动连接板24，滑动机构5与旋转关节4连接且带动旋转关节4做横向或纵向直线运动，拓展零件的打印范围。

如图3，零件打印工作台部分包括工作台15、连接座16和电机E 17；连接座16的上端与电机E 17连接，连接座16的下端与底座19连接，电机E 17的电机轴18与工作台15连接，电机E 17通过电机轴18驱动工作台15，实现工作台15的旋转运动。在打印的过程中，通过工作台的旋转运动，以及机械传动部分的伸缩、旋转和直线移动，拓展零件的打印范围。

如图4，可摆动喷头部分包括舵机20和喷头21，安装在执行末端座6的下端；喷头21与舵机20直连，通过舵机20的驱动实现喷头21的旋转运动；喷头21通过旋转角度的调整，实现零件悬空部分的打印。

机械传动部分的伸缩、旋转和直线移动、可摆动喷头部分的旋转和零件打印工作台部分的旋转，实现五轴运动的效果，从而使得打印机的整体结构具备良好的灵活性，不受打印零件的尺寸和结构限制。

作为本发明更加优化的实施例，通常在一个底座的中央固定零件打印工作台部分，围绕着底座采取多个数量相同的机械传动部分、滑动机构部分、可摆动喷头部分和耗材供给系统，通过电脑程序操作对其分配不同的打印任务，对一个零件进行同时打印，通过多方位全角度的同时打印，进一步提高工作效率。

作为本发明更加优化的的实施例，所需要的打印零件耗材为线条状或面条状，通过喷头21的顶部进行连接，实现打印过程中耗材的供给。打印过程中需要的耗材可以通过商购获得，也可以通过本领域常规方法制备得到。

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机械臂式3D打印机，包括机械传动部分、零件工作台部分、可摆动喷头部分、滑动机构和底座，其特征在于：

所述机械传动部分包括主动臂（1）、从动臂（2）、连杆机构（3）、旋转关节（4）、曲柄（11）、电机A（7）、皮带A（8）、电机B（9）、皮带B（10）和执行末端座（6）；所述主动臂后端与旋转关节连接，前端与从动臂的后端连接；连杆机构（3）位于主动臂（1）和从动臂（2）的上方，连杆机构（3）的后端与曲柄（11）的前端相连，连杆机构（3）的前端和从动臂的前端分别与执行末端座连接；所述电机A（7）通过皮带A（8）驱动主动臂（1），所述电机B通过皮带B驱动曲柄和连杆机构、从而带动从动臂运动，实现机械臂的伸缩运动；电机C（12）驱动旋转关节（4），实现机械臂的旋转运动；

所述滑动机构（5）设置底座（19）上，滑动机构与旋转关节（4）连接且带动旋转关节做横向或纵向直线运动；

所述零件打印工作台部分包括工作台（15）、连接座（16）和电机E（17）；连接座（16）的上端与电机E（17）连接，连接座（16）的下端与底座（19）连接，电机E（17）的电机轴（18）与工作台（15）连接，电机E（17）通过电机轴（18）驱动工作台（15），实现工作台（15）的旋转运动；

所述可摆动喷头部分包括舵机（20）和喷头（21），安装在执行末端座（6）的下端；喷头（21）与舵机（20）直连，通过舵机（20）的驱动实现喷头（21）做旋转运动；喷头（21）通过调整旋转角度，实现零件悬空部分的打印。

2.根据权利要求1所述的一种机械臂式3D打印机，其特征在于：所述滑动机构包括电机D（13）、皮带D（14）、直线型轨道（22）、滑动连接板（24）和支柱（23），所述滑动连接板（24）设在直线型轨道（22）上，且与皮带D（14）连接，电机D（13）通过皮带D（14）驱动与旋转关节（4）连接的滑动连接板（24），实现机械传动部分的直线运动。

3.根据权利要求1所述的一种机械臂式3D打印机，其特征在于：所述连接座呈U型。

4.根据权利要求1所述的一种机械臂式3D打印机，其特征在于：所述机械传动部分至少为伸缩、旋转和直线移动三个自由度。

5.根据权利要求1所述的一种机械臂式3D打印机，其特征在于：所述机械传动部分不少于一个。

6.根据权利要求1所述的一种机械臂式3D打印机，其特征在于：所述可摆动喷头部分不少于一个。