CN107351397B - 并联式双行走打印机构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种并联式双行走打印机构，包括：上层轨道以及下层轨道，二者均包括两条相互平行的Y向导轨，以及设置于两条Y向导轨之间的X向导轨；上层轨道与下层轨道的相应导轨对应设置；送丝机，设置在上层轨道的X向导轨上；打印头，设置在下层轨道的X向导轨上；第一驱动装置，用于驱动送丝机在X向导轨上移动，以及用于驱动上层X向导轨沿Y向移动，从而实现送丝机沿Y向移动；第二驱动装置，用于驱动打印头在X向导轨上移动，以及用于驱动上层X向导轨沿Y向移动，从而实现打印头沿Y向移动；在第一及第二驱动装置的作用下实现送丝机及打印头同步移动。该机构可实现大尺寸、多细节打印，实现FDM型打印机在成型精度打印质量及速度的提高。

Description

并联式双行走打印机构

技术领域

本发明属于三维打印技术领域，具体涉及一种并联式双行走打印机构。

背景技术

FDM型3D打印机的送丝结构有两种方式：一种是近程送丝方式，即送丝电机直接安装在打印头上，距离喷头很近，送丝电机跟随打印头一起移动。送丝电机直接驱动丝料行进，出丝控制准确，但是由于送丝电机重量较大，使得打印头的移动惯性很大，尤其在打印细节特征时，由于打印头需频繁高速往返定位，打印头的重量影响更加显著，打印头的重量极大限制了打印速度和细节打印效果，限制了打印效率的进一步提高；另一种是远程送丝方式，该种方式送丝电机距离喷头很远且不在喷头固定的方向上，送丝电机一般固定在机体框架上。远程送丝结构相比较近程送丝而言，由于远程送丝电机固定在机体框架上，不随打印头移动，不仅减轻了打印头重量，减轻移动惯性，减小移动方向的电机负担，使得移动更轻便快速，打印速度更快，成型表面更平滑，打印质量更高，然而，由于送丝电机与打印头上的丝料挤出位置间隔较远，二者之间通常由一根内径略大于丝料的塑料软管连接，送丝电机通过齿牙驱动丝料前进，丝料再通过送料软管才到达挤出位置，送料软管的长度在30cm以上，更大尺寸机型的软管长度更长。由于丝料在送丝软管内有一定活动空间，而且塑料材质的丝料本身塑性，以及挤出头的挤出阻力等原因使得实际打印过程中的，丝料挤出控制不准确，打印精度差，出现出丝不紧实，拉丝粘连等问题。

总结上述两种结构的特点，即：近程挤出结构，打印效果好但是速度慢，不适合大尺寸打印工作，而远程挤出结构运行速度快但出丝控制不准确，故打印质量差。基于上述，目前急需一种既可兼顾二者的优点，又可避免二者缺点的打印机构。

发明内容

本发明的目的是提出一种打印机构，该打印机构兼顾近程送丝结构的精准出丝控制，又可实现高速打印和往返频繁的细节打印。本发明通过以下技术方案实现：

一种并联式双行走打印机构，包括：上层轨道以及下层轨道，二者均包括两条相互平行的Y向导轨，以及设置于两条Y向导轨之间的X向导轨；上层轨道与下层轨道的相应导轨对应设置；送丝机，设置在上层轨道的X向导轨上；打印头，设置在下层轨道的X向导轨上；第一驱动装置，用于驱动送丝机在X向导轨上移动，以及用于驱动上层X向导轨沿Y向移动，从而实现送丝机沿Y向移动；第二驱动装置，用于驱动打印头在X向导轨上移动，以及用于驱动上层X向导轨沿Y向移动，从而实现打印头沿Y向移动；在第一及第二驱动装置的作用下实现送丝机及打印头同步移动。

进一步的，该打印机构还包括矩形上、下安装框，所述上安装框包括两条Y向安装板以及位于两条Y向安装板两端的X向第一安装板及第二安装板；所述下安装框包括两条Y向安装板以及位于两条Y向安装板两端的X向第三安装板及第四安装板；所述上层轨道的两条Y向导轨分别安装在上安装框的Y向安装板的底部，所述下层轨道的两条Y向导轨分别安装在下安装框的Y向安装板的顶部，所述上层及下层轨道X向导轨的导轨面背对设置。

进一步的，所述第一驱动装置包括第一电机及第二电机，第二驱动装置包括第三电机及第四电机；第一及第二电机分别设置在第一安装板左、右两端，第三及第四电机分别设置在第三安装板左、右两端；当四个电机同速且同向转动时，上下层轨道的X向导轨仅沿Y向移动以使打印头和送丝机仅沿Y向同步移动；当四个电机同速，位于同层的电机转向相反并且位于上下层轨道同侧的电机转向相同时，打印头及送丝机仅沿X向同步移动；同层两电机速度和为X向上运动速度，速度差为Y向上运动速度，以使打印头和送丝机在XY平面上同步移动。

进一步的，所述第一及第二电机为大扭矩步进电机。

进一步的，所述第三及第四电机为高细分步进电机。

进一步的，该打印机构还包括供打印头在下层轨道的X向导轨上移动的打印头滑块，供送丝机在上层轨道的X向导轨上移动的送丝机滑块，以及分别固设在上层和下层轨道的X向导轨背部两端的左、右滑块。

进一步的，第一驱动装置还包括6个上层传动轮及上层传动带，第二驱动装置包括6个下层传动轮及下层传动带；

所述6个上层传动轮分别为安装在第二安装板底部左右两端的传动轮一、传动轮二；安装在上层轨道左滑块上，并位于X向导轨前后两侧的传动轮三、传动轮四；安装在上层轨道右滑块上，并位于X向导轨前后两侧的传动轮五、传动轮六；

所述6个下层传动轮分别为安装在第四安装板底部左右两端的传动轮七、传动轮八；安装在下层轨道左滑块上，并位于X向导轨前后两端的传动轮九、传动轮十；安装在下层轨道右滑块上，并位于X向导轨前后两端的传动轮十一、传动轮十二；

所述上层传动带一端连接送丝机的左侧，依次绕过传动轮三、第一电机驱动轮、传动轮一、传动轮四、传动轮六、传动轮二、第二电机驱动轮、传动轮五后连接在送丝机的右侧；所述下层传动带，一端连接打印头的左侧，依次绕过传动轮九、第三电机驱动轮、传动轮七、传动轮十、传动轮十二、传动轮八、第四电机驱动轮、传动轮十一后连接在送丝机的右侧。

进一步的，所述传动轮为惰轮，所述传动带为同步带。

进一步的，所述打印头滑块及送丝机滑块上设有与各自的X向导轨配合的滑轮。

进一步的，所述左右滑块均为T形，T形滑块的竖部上内陷，用于安装X向导轨。

本发明相对于现有技术所具有的优点为：本发明可实现大尺寸、多细节的高速高精度打印，实现FDM型打印机在成型精度，打印质量，打印速度三方面的全面提高。

附图说明

图1为本发明打印机构的结构示意图；

图2为仅包含设置有送丝机的上层轨道及设有打印头的下层轨道的结构示意图；

图3为不含上下矩形框的打印机构结构示意图；

图4为上层轨道的结构示意图；

图5为下层轨道的结构示意图；

图6为本发明打印机构的主视图；

图7中a为上层轨道驱动装置的示意图，b为下层轨道驱动装置的示意图；

图8为打印头及送丝机运动路线图；

图9为孔位对应及偏移影响的比较图。

如上各图：1-上层轨道；11-Y向导轨一；12-Y向导轨二；13-X向导轨一；14-左滑块一；15-右滑块一；2-下层轨道；21-Y向导轨一；22-Y向导轨二；23-X向导轨二；24-左滑块二；25-右滑块二； 3-送丝机；31-送丝机滑块；32-送丝电机；33-送丝轮；4-打印头；41-打印头滑块；42-散热器；43-加热快；44-挤出头；6-上安装框；61-第一安装板；62-第二安装板；7-下安装框；71-第三安装板；72-第四安装板；100-第一电机；101-第一电机驱动轮；121-传动轮一；122-传动轮二；123-传动轮三；124-传动轮四；125-传动轮五；126-传动轮六；127-第一传动带；200-第二电机；201-第二电机驱动轮；300-第三电机；301-第三电机驱动轮；400-第四电机；401-第四电机驱动轮；341-传动轮七；342-传动轮八；343-传动轮九、344-传动轮十；345传动轮十一；346-传动轮十二；347-第二传动带；500-丝料。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

参考图1-6，本发明的打印机构包括：上层轨道1、下层轨道2，送丝机3，打印头4，第一驱动装置及第二驱动装置。其中，送丝机3包括送丝电机32、送丝通道，以及由电机带动驱动丝料前进的送丝轮33，打印头包括顺次连接的散热器42、加热块43及挤出头44，送丝通道贯穿散热器42加热器直至挤出头44。送丝机的功能是驱动丝料的行进，实现进料和退料控制。打印头的功能是加热并融化丝料，使丝料从挤出头挤出。

其中，上层轨道1包括相互平行的Y向导轨一11和Y向导轨二12，以及设置于两条Y向导轨之间的X向导轨一13；下层轨道2包括相互平行的Y向导轨一21和Y向导轨二22，以及设置于两条Y向导轨之间的X向导轨二23；上层轨道1与下层轨道2的相应位置导轨对应设置。

送丝机3设置在上层轨道1的X向导轨一13上；打印头4设置在下层轨道2的X向导轨二23上，其中，送丝机的送丝通道与打印头的送丝通道对应设置。

第一驱动装置，用于驱动送丝机3在X向导轨一13上移动，以及用于驱动X向导轨一13沿Y向移动，从而实现送丝机沿Y向移动；第二驱动装置，用于驱动打印头在X向导轨二23上移动，以及用于驱动X向导轨二23沿Y向移动，从而实现打印头沿Y向移动；在第一及第二驱动装置的作用下实现送丝机及打印头同步移动。

其中，X向导轨表明该导轨设置在X轴方向上，Y向导轨表明该导轨设置在Y轴方向上，X向与Y向垂直，即X轴方向与Y轴方向垂直。XY方向分别形成上下两个平面，一个供送丝机运动，另一个供打印头运动。

本发明将打印头及送丝机进行分离，将二者安装在各自的X向导轨上，并分别由各自的驱动装置带动在XY平面同步移动，从而将重量进行分离，降低了打印头的重量，使得打印头移动惯性小，打印更加精细，弥补了近程打印的缺陷；另外，虽然将打印头和送丝机进行了分离，送丝电机和打印头还是位于同一竖直面上，易于控制，出丝紧实，不会产生拉丝粘连的现象，也弥补了远程打印的缺陷。

本发明的打印机构还包括上安装框6以及下安装框7，上、下安装框均为中间镂空的矩形板，如图1所示。其中，上安装框包括两条处于Y方向上的Y向安装板以及位于两条Y向安装板前后两端的与Y向安装板垂直的X向第一安装板61及第二安装板62；所述下安装框也包括两条处于Y方向上的Y向安装板以及位于两条Y向安装板前后两端的与Y向安装板垂直的X向第三安装板71及第四安装板72；上层轨道1的两条Y向导轨分别安装在上安装框6的Y向安装板底部，所述下层轨道2的两条Y向导轨分别安装在下安装框7的Y向安装板顶部，那么也就是说上层轨道的两条Y向导轨与下层轨道的两条导轨的导轨面相对设置，同时上层及下层轨道的X向导轨的导轨面背对设置。Y向导轨的背对设置使得结构更加紧凑，不占用空间；X向导轨的背对设置，方便送丝机和打印头沿各自的X向导轨移动。

本实施例中第一驱动装置包括第一电机100及第二电机200，第二驱动装置包括第二电机300及第四电机400；第一电机100设置在第一安装板61的左端，第二电机200设置在第一安装板61右端，第三电机设置在第三安装板71左端，第四电机设置第三安装板71的右端；其中这两个安装板上均设有电机的驱动轮穿出孔，上下层同侧的电机相对设置；通过电机与其他部件的配合带动打印头和送丝机移动。

本发明中，当四个电机同速且同向转动时，上下层轨道的X向导轨沿Y向同步移动，从而带动打印头4和送丝机3仅沿Y方向同步移动，即打印头和送丝机仅在Y方向上移动；当四个电机同速，位于同层的电机转向相反并且位于上下层轨道同侧的电机转向相同时，打印头4及送丝机3仅沿X方向同步移动。其中，同层两电机速度和为X向上运动速度，速度差为Y向上运动速度，以使打印头和送丝机在各自的XY平面上同步移动。

其中，本实施例中的第一电机100及第二电机200为大扭矩步进电机。送丝机重量大，移动惯性大移动加速度小，不灵活，故由较大的步进电机驱动，大规格步进电机具有更高的驱动力，可驱动送丝机快速移动定位。

进一步的，本实施例中的第二电机300及第四电机400为高细分步进电机。打印头结构简单，重量小，移动加速度大，移动灵活轻便，由高细分步进电机驱动，转动惯量小，转停加速度大，可实现频繁准确定位。

为了便于打印头及送丝机在各自的X向导轨上移动，以及为了便于X向导轨沿Y向导轨实现Y方向上的移动；本实施例中的打印机构包括供打印头4在X向导轨二23上移动的打印头滑块41，供送丝机3在X向导轨一13上移动的送丝机滑块31，分别固设在X向导轨一13背部左右两端的左滑块一14及右滑块一15，以及X向导轨二23背部左右两端的左滑块二24及右滑块二25。上述各滑块的形状均为T形；各T形滑块的竖部上均设有内陷，用于安装X向导轨；各T形滑块的横部上均设有与各Y向导轨配合的滑动件，从而实现X向导轨在Y方向上移动，滑动件可为与滑轨配合的滑轮等。其中，打印头滑块41设置于散热器42的底部，其上设有与X向导轨二23配合的滑轮，送丝滑块31设置于送丝电机32的下部，其上设有与X向导轨一13配合的滑轮。

本实施例中，第一驱动装置还包括6个上层传动轮及上层传动带127，用于与第一及第二电机配合实现送丝机3在XY面移动；第二驱动装置包括6个下层传动轮及下层传动带，用于与第三及第四电机配合实现打印头在XY面移动。

其中，6个上层传动轮分别为安装在第二安装板底部左右两端的传动轮一121、传动轮二122；安装在左滑块一14上，并位于X向导轨前后两端的传动轮三123、传动轮四124；安装在右滑块一15，并位于X向导轨前后两端的传动轮五125、传动轮六126。

所述6个下层传动轮分别为安装在第四安装板底部前后两端的传动轮七341、传动轮八342；安装在左滑块二24上，并位于X向导轨前后两端的传动轮九343、传动轮十344；安装在右滑块二25上，并位于X向导轨前后两端的传动轮十一345、传动轮十二346。

参考图7，所述上层传动带127一端连接送丝机3的左侧，依次绕过传动轮三123、第一电机驱动轮101、传动轮一121、传动轮四124、传动轮六126、传动轮二122、第二电机驱动轮201、传动轮五125后连接在送丝机3的右侧；所述下层传动带，一端连接打印头4的左侧，依次绕过传动轮九343、第三电机驱动轮301、传动轮七341、传动轮十344、传动轮十二346、传动轮八342、第四电机驱动轮401、传动轮十一345后连接在送丝机3的右侧。

本实施例利用传动带以及传动轮和电机的配合，结构简单易于安装。本实施例中，安装在电机轴上的驱动轮是带齿的同步轮，上述各传动轮是不带齿的惰轮，所述传动带为同步带，传动不易跑偏打滑，保证传动的效果。

前面提到，送丝机的重量大，移动惯性大，不灵活，故由大规格步进电机驱动，大规格步进电机具有更高的驱动力，可驱动送丝机快速移动定位，不足在于，电机转动惯量大，送丝机移动惯性大，定位精度不足；因此，本发明在送丝机的运动控制上，设置比较小的启停加速度，速度变化较慢，故在较高频率的往复运动中的往复幅度会被减小，（比如打印头的移动路线为锯齿形，送丝机的路线则为正玄波形状，但是行进方向是同步跟随的，只是在幅度和转折点的处理上差别，参考图8）。

图9示出孔位对应及便宜影响的情况。打印工作位：左侧为正常对应状态，上下孔位对齐，丝料竖直向下；右侧为最大错位状态，上下孔位最大偏离1mm（±1mm），丝料微弯曲，中间三角形为最大偏离状态下丝料状态，a斜边为错位状态下丝料长度，b直角边为对正状态下丝料长度20mm，c直角边为最大偏离距离1mm，根据勾股定理，可得a斜边长度20.025mm，即最大偏离状态丝料长度相比较正常状态被拉长0.025mm，由于上下孔位偏离引起的长度变化控制在1.25‰以内，对挤出丝量影响极小亦可忽略。

上层轨道可实现送丝机的粗略定位和弱化的移动幅度；下层轨道可实现打印头的快速精确定位，即打印成型位置的精确定位。由于送丝机和打印头分别独立运动，故送丝电机的移动惯性不会影响到打印头的高速精准的运动性能。这种分离但同步的运行模式是近程挤出机构的变形，仍然具有近程挤出所特有的对出丝量精准控制的优点，这对精确打印是及其重要的一个特征。该种机构，具备高定位精度，高精准出丝控制，高移动速度三个重要特性，前两者是打印产品质量的必需保证，高移动速度是对打印工作效率的一个极大提升。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种并联式双行走打印机构，其特征在于，包括：

上层轨道以及下层轨道，二者均包括两条相互平行的Y向导轨，以及设置于两条Y向导轨之间的X向导轨；上层轨道与下层轨道的相应导轨对应设置；

送丝机，设置在上层轨道的X向导轨上；

打印头，设置在下层轨道的X向导轨上；

第一驱动装置，用于驱动送丝机在X向导轨上移动；以及用于驱动上层轨道的X向导轨沿Y向移动，从而实现送丝机沿Y向移动；

第二驱动装置，用于驱动打印头在X向导轨上移动；以及用于驱动下层轨道的X向导轨沿Y向移动，从而实现打印头沿Y向移动；

在第一驱动装置及第二驱动装置的作用下实现送丝机及打印头同步移动；打印机构还包括矩形上安装框、下安装框，所述上安装框包括两条Y向安装板以及位于两条Y向安装板两端的X向第一安装板及第二安装板；所述下安装框包括两条Y向安装板以及位于两条Y向安装板两端的X向第三安装板及第四安装板；所述上层轨道的两条Y向导轨分别安装在上安装框的Y向安装板的底部，所述下层轨道的两条Y向导轨分别安装在下安装框的Y向安装板的顶部，所述上层轨道及下层轨道X向导轨的导轨面背对设置；所述第一驱动装置包括第一电机及第二电机，第二驱动装置包括第三电机及第四电机；第一电机及第二电机分别设置在第一安装板左、右两端，第三电机及第四电机分别设置在第三安装板左、右两端；当四个电机同速且同向转动时，上下层轨道的X向导轨仅沿Y向移动以使打印头和送丝机仅沿Y向同步移动；当四个电机同速，位于同层的电机转向相反并且位于上下层轨道同侧的电机转向相同时，打印头及送丝机仅沿X向同步移动；同层两电机速度和为X向上运动速度，速度差为Y向上运动速度，以使打印头和送丝机在XY平面上同步移动；所述第一电机及第二电机为大扭矩步进电机；所述第三电机和第四电机为高细分步进电机；还包括供打印头在下层轨道的X向导轨上移动的打印头滑块，供送丝机在上层轨道的X向导轨上移动的送丝机滑块，以及分别固设在上层轨道和下层轨道的X向导轨背部两端的左滑块、右滑块；第一驱动装置还包括六个上层传动轮及上层传动带，第二驱动装置包括六个下层传动轮及下层传动带；

所述六个上层传动轮分别为安装在第二安装板底部左右两端的传动轮一、传动轮二；安装在上层轨道左滑块上，并位于X向导轨前后两侧的传动轮三、传动轮四；安装在上层轨道右滑块上，并位于X向导轨前后两侧的传动轮五、传动轮六；

所述六个下层传动轮分别为安装在第四安装板底部左右两端的传动轮七、传动轮八；安装在下层轨道左滑块上，并位于X向导轨前后两端的传动轮九、传动轮十；安装在下层轨道右滑块上，并位于X向导轨前后两端的传动轮十一、传动轮十二；

所述上层传动带一端连接送丝机的左侧，依次绕过传动轮三、第一电机驱动轮、传动轮一、传动轮四、传动轮六、传动轮二、第二电机驱动轮、传动轮五后连接在送丝机的右侧；所述下层传动带，一端连接打印头的左侧，依次绕过传动轮九、第三电机驱动轮、传动轮七、传动轮十、传动轮十二、传动轮八、第四电机驱动轮、传动轮十一后连接在送丝机的右侧；

送丝机包括送丝电机、送丝通道，以及由电机带动驱动丝料前进的送丝轮，打印头包括顺次连接的散热器、加热块及挤出头。

2.根据权利要求1所述的一种并联式双行走打印机构，其特征在于，传动轮为惰轮，传动带为同步带。

3.根据权利要求2所述的一种并联式双行走打印机构，其特征在于，所述打印头滑块及送丝机滑块上设有与各自的X向导轨配合的滑轮。

4.根据权利要求3所述的一种并联式双行走打印机构，其特征在于，所述左滑块和右滑块均为T形，T形滑块的竖部上内陷，用于安装X向导轨。