CN106217888A - 多自由度3d打印机器人 - Google Patents
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- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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Abstract
本发明提供了多自由度3D打印机器人，其能解决采用现有单向3D打印机打印或修补实体存在的表面打印质量不稳定、修补效果差、实体的力学性能具有方向性的问题。打印头通过串联机构安装于动平台，三组结构相同的并联机构的一端分别对应连接一组直线传动机构、另一端分别与动平台转动连接，三组并联机构分别对应连接的直线传动机构为X向直线传动机构、Y向直线传动机构和Z向直线传动机构，X向直线传动机构、Y向直线传动机构和Z向直线传动机构能够带动动平台实现X向、Y向和Z向平移，串联机构能够带动打印头实现绕Z轴向的旋转、绕X轴向的旋转。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印设备领域，具体为多自由度3D打印机器人。
背景技术
现有的3D打印机多采用单向分层熔融沉积技术，即打印喷头姿态固定，沿着垂直于打印喷头方向将三维实体分割成若干平面，逐层增加材料来获得最终产品，这种方法具有轨迹规划简单、制造速度较快、成本低等优点；但是这种采用单向分层熔融沉积技术的3D打印机由于受到打印头的打印臂的自由度数目限制，打印物体时表面质量较差，而且同一件物品不同部位的表面质量参差不齐；而在使用现有3D打印机进行实体的修补工作时，受到打印机喷头位置影响往往在实体工件与打印头之间存在干涉现象，影响修补效果；此外由于单向3D机打印出的物体均由单方向材料堆积而成，使得成形出的物体力学性能具有方向性。
与此同时，机器人技术在各行各业的普适性是其以最快的速度走入人们生活的关键所在，它以一种巧妙灵活的方式，解决或优化了人们会遇到的各类生产生活问题。随着机器人技术的发展，单纯串联机器人的灵活控制与宽广的工作空间以及并联机器人的高精度与快速响应已经不再能够适应生产生活对机器人技术的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了多自由度3D打印机器人，其能解决采用现有单向3D打印机打印或修补实体存在的表面打印质量不稳定、修补效果差、实体的力学性能具有方向性的问题。
其技术方案为，多自由度3D打印机器人，其包括机架与打印头，其特征在于：其还包括动平台、并联机构和串联机构，所述打印头通过所述串联机构安装于所述动平台，所述并联机构设置有结构相同的三组，所述三组并联机构的一端分别对应连接一组直线传动机构、另一端分别与所述动平台转动连接，所述三组并联机构分别对应连接的直线传动机构为X向直线传动机构、Y向直线传动机构和Z向直线传动机构，所述X向直线传动机构、Y向直线传动机构分别设置于所述机架顶部框架的相邻接的一组X向横梁和Y向纵梁上，所述Z向直线传动机构沿Z向设置于安装有X向直线传动机构、Y向直线传动机构的X向横梁、Y向横梁的连接的角端，所述X向直线传动机构、Y向直线传动机构和Z向直线传动机构能够带动所述动平台实现X向、Y向和Z向平移，所述串联机构能够带动所述打印头实现绕Z轴向的旋转、绕X轴向的旋转。
进一步的，所述直线传动机构为滚珠丝杠结构，所述滚珠丝杠结构包括顶板、联轴器、步进电机、滚珠丝杠和光杆，所述步进电机固装于所述顶板上，所述步进电机的输出轴轴向贯穿所述顶板后与所述联轴器的一端轴接，所述联轴器的另一端通过轴承装置与所述滚珠丝杠、光杆连接，所述滚珠丝杠与光杆平行设置，所述滚珠丝杠、光杆的另一端固接于固定板，所述滚珠丝杠上配合安装有丝杠螺母，所述丝杠螺母所述顶板、固定板分别安装于所述机架上。
进一步的，所述并联机构包括一平行四边形铰链机构，所述平行四边行铰链机构包括两根平行设置的长杆、两根平行设置的短杆，相邻的长杆与短杆之间分别通过销轴可转动连接，所述两根短杆分别固接有一个连接件，两个所述连接件分别通过转动轴转动连接有转接件，其中一侧的转接件与该并联机构对应连接的直线传动机构的丝杠螺母连接、另一侧的转接件与所述动平台固接。
进一步的，每一个并联机构的两侧转接件的转动轴轴线、平行四边形铰链机构的销轴的轴线均与Y轴向平行。
进一步的，所述串联机构包括第一电机、第二电机和电机座，所述第一电机沿Z轴轴向安装于所述动平台上，所述第一电机的输出轴自上而下轴向贯穿所述动平台并与所述电机座的顶板固接，所述第二电机安装于所述电机座的侧板上并且所述第二电机的输出轴沿X轴轴向贯穿所述电机座的侧板后与打印头支架连接，所述打印头固装于所述打印头支架上。
本发明的有益效果在于：其打印头通过串联机构安装于动平台，通过串联机构带动打印头实现绕Z轴、绕X轴方向的转动，同时由三组直线传动机构通过各自连接的并联机构带动动平台实现X向、Y向和Z向的直线平移，也就实现了打印头三个方向的直线平移以及两个方向的转动的多向打印，从而保证打印头与打印面的始终保持在垂直状态以有效提高3D打印实体的表面质量，同时也能保证打印实体的力学性能；而在采用本发明3D打印机器人在进行实体修补时打印头能够根据实体造型进行五个自由度方向的调整以有效避免干扰，提高修补效果。
附图说明
图1为本发明多自由度3D打印机器人的主视结构示意图；
图2为图1的右视结构示意图；
图3为本发明多自由度3D打印机器人中直线传动机构的放大结构示意图；
图4为本发明多自由度3D打印机器人中并联机构的放大结构示意图。
附图标记：10-机架，11-X向横梁，12-Y向横梁，20-打印头，30-动平台，40a-并联机构，40b-并联机构，40c-并联机构，41-平行四边形铰链机构，411-长杆，412-短杆，42-销轴，431-连接件，432-连接件，441-转接件，442-转接件，45-转动轴，50a-X向直线传动机构，50b-Y向直线传动机构， 50c-Z向直线传动机构，51-顶板，52-联轴器，53-步进电机，54-滚珠丝杠，55-光杆，56-轴承装置，57-固定板，58-丝杠螺母，60-串联机构，61-第一电机，62-第二电机，63-电机座，64-打印头支架。
具体实施方式
见图1和图2，本发明多自由度3D打印机器人，其包括机架10、打印头20、动平台30、并联机构和串联机构60，打印头20通过串联机构60安装于动平台30，并联机构设置有结构相同的三组40a、40b、40c，三组并联机构40a、40b、40c的一端分别对应连接一组直线传动机构，另一端分别与动平台30转动连接，三组并联机构分别对应连接的直线传动机构为X向直线传动机构50a、Y向直线传动机构50b和Z向直线传动机构50c，X向直线传动机构50a、Y向直线传动机构50b分别设置于机架10顶部框架的相邻接的一组X向横梁11和Y向纵梁12上，Z向直线传动机构50c沿Z向设置于安装有X向直线传动机构50a、Y向直线传动机构50b的X向横梁11、Y向横梁12的连接的角端，X向直线传动机构50a、Y向直线传动机构50b和Z向直线传动机构50c能够带动动平台30实现X向、Y向和Z向平移，串联机构50能够带动打印头20实现绕Z轴向的旋转、绕X轴向的旋转。
其中，直线传动机构为滚珠丝杠结构，见图3，滚珠丝杠结构包括顶板51、联轴器52、步进电机53、滚珠丝杠54和光杆55，步进电机53固装于顶板51上，步进电机53的输出轴轴向贯穿顶板51后与联轴器52的一端轴接，联轴器52的另一端通过轴承装置56与滚珠丝杠54、光杆55连接，滚珠丝杠54与光杆55平行设置，滚珠丝杠54、光杆55的另一端固接于固定板57，滚珠丝杠54上配合安装有丝杠螺母58，顶板51、固定板57分别安装于机架10上。
并联机构包括一平行四边形铰链机构41，见图4，平行四边行铰链机构41包括两根平行设置的长杆411、两根平行设置的短杆412，相邻的长杆411与短杆412之间分别通过销轴42可转动连接，两根短杆412分别固接有对应的连接件431、432，两个连接件431、432分别通过转动轴45转动连接有转接件441、442，其中一侧的转接件441与该并联机构对应连接的直线传动机构的丝杠螺母58连接、另一侧的转接件442与动平台30之间固接；每一个并联机构的两侧转接件的转动轴45的轴线、平行四边形铰链机构的销轴42的轴线均与Y轴向平行。
串联机构60包括第一电机61、第二电机62和电机座63，第一电机61沿Z轴轴向安装于动平台30上，第一电机61的输出轴自上而下轴向贯穿动平台30并与电机座62的顶板固接，第二电机62安装于电机座63的侧板上并且第二电机62的输出轴沿X轴轴向贯穿电机座的侧板后与打印头支架64连接，打印头20固装于打印头支架64上。
本发明的多自由度3D打印机器人，三组直线传动机构50a、50b、50c分别通过三组并联机构40a、40b、40c带动动平台30进行X向、Y向和Z向的移动调节，同时由于三组并联机构均采用了平行四边行铰链机构故能够适应三个方向的同时调节。
Claims (5)
1.多自由度3D打印机器人，其包括机架与打印头，其特征在于：其还包括动平台、并联机构和串联机构，所述打印头通过所述串联机构安装于所述动平台，所述并联机构设置有结构相同的三组，所述三组并联机构的一端分别对应连接一组直线传动机构、另一端分别与所述动平台转动连接，所述三组并联机构分别对应连接的直线传动机构为X向直线传动机构、Y向直线传动机构和Z向直线传动机构，所述X向直线传动机构、Y向直线传动机构分别设置于所述机架的顶部框架相邻接的一组X向横梁和Y向纵梁上，所述Z向直线传动机构沿Z向设置于安装有X向直线传动机构、Y向直线传动机构的X向横梁、Y向横梁的连接的角端，所述X向直线传动机构、Y向直线传动机构和Z向直线传动机构能够带动所述动平台实现X向、Y向和Z向平移，所述串联机构能够带动所述打印头实现绕Z轴向的旋转、绕X轴向的旋转。
2.根据权利要求1所述的多自由度3D打印机器人，其特征在于：所述直线传动机构为滚珠丝杠结构，所述滚珠丝杠结构包括顶板、联轴器、步进电机、滚珠丝杠和光杆，所述步进电机固装于所述顶板上，所述步进电机的输出轴轴向贯穿所述顶板后与所述联轴器的一端轴接，所述联轴器的另一端通过轴承装置与所述滚珠丝杠、光杆连接，所述滚珠丝杠与光杆平行设置，所述滚珠丝杠、光杆的另一端固接于固定板，所述滚珠丝杠上配合安装有丝杠螺母，所述丝杠螺母所述顶板、固定板分别安装于所述机架上。
3.根据权利要求2所述的多自由度3D打印机器人，其特征在于：所述并联机构包括一平行四边形铰链机构，所述平行四边行铰链机构包括两根平行设置的长杆、两根平行设置的短杆，相邻的长杆与短杆之间分别通过销轴可转动连接，所述两根短杆分别固接有一个连接件，两个所述连接件分别通过转动轴转动连接有转接件，其中一侧的转接件与该并联机构对应连接的直线传动机构的丝杠螺母连接、另一侧的转接件与所述动平台固接。
4.根据权利要求3所述的多自由度3D打印机器人，其特征在于：每一个并联机构的两侧转接件的转动轴轴线、平行四边形铰链机构的销轴的轴线均与Y轴向平行。
5.根据权利要求1～4中任一所述的多自由度3D打印机器人，其特征在于：所述串联机构包括第一电机、第二电机和电机座，所述第一电机沿Z轴轴向安装于所述动平台上，所述第一电机的输出轴自上而下轴向贯穿所述动平台并与所述电机座的顶板固接，所述第二电机安装于所述电机座的侧板上并且所述第二电机的输出轴沿X轴轴向贯穿所述电机座的侧板后与打印头支架连接，所述打印头固装于所述打印头支架上。
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