CN106051102B - 一种基于行星轮系3d打印机驱动机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行星轮系3D打印机驱动机构，包括外齿圈、与所述外齿圈同心设置的太阳轮，呈180°夹角的对称啮合设置在外齿圈与太阳轮之间的两个行星轮、连接两个行星轮的行星架，每个行星轮均通过连接轴与同步带轮同轴连接，两个同步带轮之间连接有同步带，打印机挤出装置支撑杆与行星架固连，连接轴通过轴承装在行星架上，打印机挤出装置安装在同步带的一侧，并由该侧同步带带动，同时与所述打印机挤出装置支撑杆滑动配合。本发明还公开了一种基于行星轮系3D打印机驱动方法。本发明大大提高了电机利用率，减轻了电机负担，提升打印头移动速度，且整个打印机的打印精度由精度最高的那个电机所决定，使得打印精度有提升空间。

Description

一种基于行星轮系3D打印机驱动机构及方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种基于行星轮系3D打印机驱动机构及方法。

背景技术

传统XY式打印机在做单轴运动时，只有一个电机工作，电机的利用率低，打印头移动速度慢，同时，打印头的移动精度受每个电机的精度影响，打印精度有待提高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于行星轮系3D打印机驱动机构及方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种基于行星轮系3D打印机驱动机构，包括外齿圈、与所述外齿圈同心设置的太阳轮，呈180°夹角的对称啮合设置在外齿圈与太阳轮之间的两个行星轮、连接两个行星轮的行星架，每个行星轮均通过连接轴与同步带轮同轴连接，两个同步带轮之间连接有同步带，打印机挤出装置支撑杆打印机挤出装置支撑杆与行星架固连，连接轴通过轴承装在行星架上，打印机挤出装置安装在同步带的一侧，并由该侧同步带带动，同时与所述打印机挤出装置支撑杆滑动配合，跟随同步带的移动而做平移运动。

进一步地，每个行星轮的圆心与所连接的同步带轮的圆心位于同一竖直线上，同时，两个同步带轮位于同一水平高度上。

一种采用所述驱动机构的3D打印机驱动方法，包括步骤：

1)用极坐标(r,θ)表示打印机挤出装置在平面中所在位置；

2)通过设定外齿圈的角速度ω_c、行星轮的自转角速度ω_自、行星架的角速度ω_公、太阳轮的角速度ω_a中的任两个为已知参量确定另两个的角速度；

3)根据行星架的角速度ω_公和行星轮的自转角速度ω_自求得微小时间△t内行星轮的径向位移△l和行星轮公转的角位移△θ，实现坐标的位移。

4)打印机挤出装置角速度、位移由行星架的角速度ω_公直接决定，径向运动速度、位移由行星轮的自转角速度ω_自直接决定。

进一步地，所述步骤2)具体包括：

21)由行星轮系传动关系得出变量外齿圈的角速度ω_c、行星轮的自转角速度ω_自、行星架的角速度ω_公、太阳轮的角速度ω_a之间的关系式：

R_c×w_c＝R_b×w_自-(R_a+R_b)×w_公 (1)

R_a×w_a＝R_b×w_自+(R_a+R_b)×w_公 (2)

其中，Ra为太阳轮半径，Rb为行星架半径，Rc为外齿圈半径；

22)当设定四个变量中的任意两个为已知主动量时，上述两式即为二元一次方程组，可解出剩余两从动量的表达式，例如当外齿圈的角速度ω_c、太阳轮的角速度ω_a为主动量时，可解得：

①行星架5)的角速度ω_公的表达式：

②行星轮(9)的自转角速度ω_自的表达式

当设定其他两变量为主动量时的情况依此类推。

进一步地，所述步骤3)具体包括：

31)将所述行星轮的自转角速度ω_自表达式两边乘以△t和R_b,得到微小时间△t内行星轮的径向位移△l：

其中，△θ_a；表示微小时间△t内太阳轮(2)的角位移，△θ_c表示微小时间△t内外齿圈(4)的角位移；

32)外齿圈的角速度表达式两边同时乘以△t，得到微小时间△t内行星轮公转的角位移△θ：

33)根据微小时间△t内行星轮的径向位移△l和微小时间△t内行星轮公转的角位移△θ作为位移量实现坐标的位移。

进一步地，设定外齿圈的角速度ω_c为主动量是指用电机驱动外齿圈转动；

设定行星轮的自转角速度ω_自为主动量是指用电机驱动行星轮转动；

设定行星架的角速度ω_公为主动量是指用电机驱动行星架转动；

设定太阳轮的角速度ω_a为主动量是指用电机驱动太阳轮转动。

相比现有技术，本发明主要有以下优点：

1、相比传统XY式打印机在做单轴运动时，只有一个电机工作，行星轮式打印机无论是再做行星轮的旋转还是同步带轮的旋转时，都可以两个电机同时工作，大大提高了电机的利用率，提升打印头移动速度，且整个打印机的打印精度由精度最高的那个电机所决定，使得打印精度有提升空间。

2、以ω_a、ω_c为主动量时，可以根据电机的性能适配相应齿轮系的尺寸(Ra，Rb，Rc)，以达到理想的工作状态。

3、以ω_自、ω_公为主动量时，可以略去外齿圈和太阳轮(行星轮也不需要用齿轮，没有齿轮传动、配合机构)，大大简化机构，使生产和加工的难度大大降低。

4、行星齿轮结构3D打印机，利用行星齿轮机构多输入、多自由度的机械结构特性，实现3D打印机打印头在打印平面内快速、高效的移动。

附图说明

图1为本发明实施例的结构原理图。

图2为本发明实施例的行星轮与同步带轮的装配示意图。

图3为发明实施例的行星轮的径向位移示意图。

图4为发明实施例的打印机挤出装置安装示意图。

图中所示为：1-第一行星轮；2-太阳轮；3-第二行星轮；4-外齿圈；5-行星架；6-打印机挤出装置支撑杆；7-同步带轮；8-连接轴；9-行星轮；10-第一同步带轮；11-第二同步带轮；12-打印机挤出装置；13-同步带。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1至图4所示，一种基于行星轮系3D打印机驱动机构，包括外齿圈4、与所述外齿圈4同心设置的太阳轮2，呈180°夹角的对称啮合设置在外齿圈4与太阳轮2之间的两个行星轮9、连接设置在两个行星轮9之间的行星架5，两个行星轮9分别为第一行星轮1和第二行星轮3，每个行星轮9均通过连接轴8与同步带轮7同轴连接，两个同步带轮7分别为第一同步带轮10和第二同步带轮11，第一同步带轮10和第二同步带轮11之间连接有同步带13，两个连接轴8之间设置有打印装置支撑杆6，打印机挤出装置12安装在同步带13的一侧，同时与所述打印机装置支撑杆6滑动配合，跟随同步带13的移动而做径向运动。

每个行星轮9的圆心与所连接的同步带轮7的圆心位于同一竖直线上，同时，两个同步带轮7位于同一水平高度上。

一种采用所述驱动机构的3D打印机驱动方法，包括步骤：

1)用极坐标(r,θ)表示打印机挤出装置12在平面中所在位置；

2)通过设定外齿圈(4)的角速度ω_c、行星轮9的自转角速度ω_自、行星架5的角速度ω_公、太阳轮(2)的角速度ω_a中的任两个为已知参量确定另两个的角速度；

3)根据行星架的角速度ω_公和行星轮的自转角速度ω_自求得微小时间△t内行星轮的径向位移△l和行星轮公转的角位移△θ，实现坐标的位移。

4)打印机挤出装置角速度、位移由行星架的角速度ω_公直接决定，径向运动速度、位移由行星轮的自转角速度ω_自直接决定。

进一步地，21)由行星轮系传动关系得出变量外齿圈4的角速度ω_c、行星轮9的自转角速度ω_自、行星架5的角速度ω_公、太阳轮2的角速度ω_a之间的关系式：

R_c×w_c＝R_b×w_自-(R_a+R_b)×w_公 (1)

R_a×w_a＝R_b×w_自+(R_a+R_b)×w_公 (2)

其中，Ra为太阳轮半径，Rb为行星架半径，Rc为外齿圈半径；22)当设定四个变量中的任意两个为已知主动量时，上述两式即为二元一次方程组，可解出剩余两从动量的表达式，例如，当外齿圈4的角速度ω_c、太阳轮2的角速度ω_a为主动量时，可解得：

①行星架5)的角速度ω_公的表达式：

②行星轮(9)的自转角速度ω_自的表达式

当设定其他两变量为主动量时的情况依此类推。

进一步地，所述步骤3)具体包括：

31)将所述行星轮的角速度表达式两边乘以△t和R_b,得到微小时间△t内行星轮的径向位移△l：

其中，△θ_a；表示微小时间△t内太阳轮(2)的角位移，△θ_c表示微小时间△t内外齿圈(4)的角位移；

32)外齿圈的角速度表达式两边同时乘以△t，得到微小时间△t内行星轮公转的角位移△θ：

33)根据微小时间△t内行星轮的径向位移△l和微小时间△t内行星轮公转的角位移△θ作为位移量实现坐标的位移，所以得

进一步地，设定外齿圈4的角速度ω_c为主动量是指用电机驱动外齿圈转动；

设定行星轮9的自转角速度ω_自为主动量是指用电机驱动行星轮转动；

设定行星架5的角速度ω_公为主动量是指用电机驱动行星架转动；

设定太阳轮2的角速度ω_a为主动量是指用电机驱动太阳轮转动。

为了使打印机挤出装置12能够到达平面内的任意一点，应提供两个相互独立的自由度，即提供ω_a、ω_c、ω_自、ω_公四个参量中任意两个作为主动量。用极坐标来表示平面上的点，本实施例通过行星轮的转动和同步带轮的转动来改变极坐标系中的θ和r，以实现打印头位置的移动。

下面以，ω_a、ω_c作为主动量打印头从点(r₀，θ₀)运动的到(r₁，θ₁)的一种运动方式为例，说明打印机的运动方式：

(r₀，θ₀)→(r₀，θ₁)，运动时r₀保持不变，即两行星轮只公转不自转，ω_自＝0。

此时，ω_a、ω_c应满足R_a×ω_a＝R_c×ω_c，一定时间后，挤出装置跟随行星轮由θ₀转至θ₁：

(r₀，θ₁)→(r₁，θ₁)，运动时θ₁保持不变，即两行星轮只自转，不公转，ω_公＝0。

此时，ω_a、ω_c应满足R_a×ω_a＝-R_c×ω_c，一定时间后，打印头由r₀平移至r₁。

由上述过程可知，可通过改变主动量之间的关系，来得到所需要的运动状态，实际实施中，只需改变两个电机之间的转速之比，来得到所需要的运动方式。

行星轮1与行星轮2相隔180°放置并通过行星架相连接，再与外齿圈和太阳轮相啮合。通过驱动外齿圈(或行星轮或行星架)转动可以使得行星架转动到任意角度。运动过程中俩行星轮因规格完全相同且有行星架约束，相对位置始终保持不变。

各主动量可用方案包括：

1、ω_a、ω_c作为主动量，ω_自、ω_公作为从动量；

2、ω_自、ω_公作为主动量，ω_a、ω_c作为从动量；

3、ω_a、ω_公作为主动量，ω_自、ω_c作为从动量；

4、ω_自、ω_c作为主动量，ω_a、ω_公作为从动量；

各参量作为主动量时的对应实施方法：ω_a用电机驱动太阳轮转动；ω_c用电机驱动外齿圈转动；ω_自用电机驱动行星轮转动；ω_公用电机驱动行星架转动。

在另一个实施例中，用电机驱动太阳轮2和外齿圈4转动(以ω_a、ω_c为主动量)的方案：

利用电机带动太阳轮2的主轴转动，以及电机带动垂直轴斜齿轮转动再传动给外齿圈4使其转动，实现行星齿轮机构的二自由度输入。行星轮9的输出为，行星架5连接两个行星轮5使其公转，并且两个行星轮5自转从而带动同轴的同步带轮7，同步带轮7带动同步带使打印机挤出装置12在打印装置支撑杆上移动，实现打印机挤出装置12在平面内的自由移动，这个方案中需要加工并驱动尺寸较大的外齿圈。

在另一个实施例中，用电机驱动太阳轮2和行星架5转动(以ω_自、ω_公为主动量)的方案：

利用一个电机带动太阳轮2的主轴转动，另一个电机带动连接两个行星轮9的连杆以带动两个对称的行星轮9做公转运动，实现行星轮9机构的二自由度输入，行星轮9的输出与上一方案相同。

除了本实施例提及的方式外，本发明还可采用行星架5和行星轮9输入、行星架5和外齿圈4输入等方式。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 (6)

1.一种基于行星轮系3D打印机驱动机构，其特征在于：包括外齿圈(4)、与所述外齿圈(4)同心设置的太阳轮(2)，呈180°夹角的对称啮合设置在外齿圈(4)与太阳轮(2)之间的两个行星轮(9)、连接两个行星轮(9)的行星架(5)，每个行星轮(9)均通过连接轴(8)与同步带轮(7)同轴连接，两个同步带轮之间连接有同步带(13)，打印机挤出装置支撑杆(6)水平穿过两个连接轴(8)，打印机挤出装置支撑杆(6)与行星架(5)固连，连接轴(8)通过轴承装在行星架(5)上，打印机挤出装置(12)安装在同步带(13)的一侧，并由该侧同步带(13)带动，同时与所述打印机挤出装置支撑杆(6)滑动配合，跟随同步带(13)的移动而做平移运动。

2.根据权利要求1所述的基于行星轮系3D打印机驱动机构，其特征在于：每个行星轮(9)的圆心与所连接的同步带轮(7)的圆心位于同一竖直线上，同时，两个同步带轮(7)位于同一水平高度上。

3.一种采用如权利要求1或2所述3D打印机驱动机构的3D打印机驱动方法，其特征在于，包括步骤：

1)用极坐标(r,θ)表示打印机挤出装置(12)在平面中所在位置；

2)通过设定外齿圈(4)的角速度ω_c、行星轮(9)的自转角速度ω_自、行星架(5)的角速度ω_公、太阳轮(2)的角速度ω_a中的任两个为已知参量确定另两个的角速度；

3)根据行星架的角速度ω_公和行星轮的自转角速度ω_自求得微小时间△t内行星轮的径向位移△l和行星轮公转的角位移△θ，实现坐标的位移；

4)打印机挤出装置角速度、位移由行星架的角速度ω_公直接决定，径向运动速度、位移由行星轮的自转角速度ω_自直接决定。

4.根据权利要求3所述的3D打印机驱动方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

21)由行星轮系传动关系得出变量外齿圈(4)的角速度ω_c、行星轮(9)的自转角速度ω_自、行星架(5)的角速度ω_公、太阳轮(2)的角速度ω_a之间的关系式：

R_c×w_c＝R_b×w_自-(R_a+R_b)×w_公

R_a×w_a＝R_b×w_自+(R_a+R_b)×w_公

其中，Ra为太阳轮半径，Rb为行星架半径，Rc为外齿圈半径；

22)当设定四个变量中的任意两个为已知主动量时，上述两式即为二元一次方程组，可解出剩余两从动量的表达式。

5.根据权利要求4所述的3D打印机驱动方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：

31)将所述行星轮的自转角速度ω_自表达式两边乘以△t和R_b,得到微小时间△t内行星轮的径向位移△l：

其中，△θ_a；表示微小时间△t内太阳轮(2)的角位移，△θ_c表示微小时间△t内外齿圈(4)的角位移；

32)外齿圈(4)的角速度表达式两边同时乘以△t，得到微小时间△t内行星轮公转的角位移△θ：

33)根据微小时间△t内行星轮的径向位移△l和微小时间△t内行星轮(9)公转的角位移△θ作为位移量实现坐标的位移。

6.根据权利要求4所述的3D打印机驱动方法，其特征在于：

设定外齿圈(4)的角速度ω_c为主动量是指用电机驱动外齿圈转动；

设定行星轮(9)的自转角速度ω_自为主动量是指用电机驱动行星轮转动；

设定行星架(5)的角速度ω_公为主动量是指用电机驱动行星架转动；

设定太阳轮(2)的角速度ω_a为主动量是指用电机驱动太阳轮转动。