CN107438511A - 使用螺旋齿条和小齿轮的三维打印机的机电运动系统 - Google Patents

Abstract

一种用于快速成型机，例如3D打印机这样的三维打印装置的机电运动系统，其具有至少一个微处理器电子管理板，其中3D打印机的打印装置沿着仅用齿轮运动链获得的水平面上的X轴和Y轴运动。

Description

使用螺旋齿条和小齿轮的三维打印机的机电运动系统

技术领域

本发明涉及通常称为“3D打印机”的快速成型机的领域。

背景技术

3D打印可以被认为是2D打印的自然演变，并且3D打印展现出能够提供3D模型真实再现的主要优点，3D模型是先前通过使用当前三维建模程序之一而创建的。利用这种技术，通过沉积连续的材料层产生三维物体。

基本上可以说，3D打印机使用物体的三维模型的文件，并且将其“分解”以在截面图中定义物体的一系列部分。换句话说，这些部分是要被创建的物体的“切片”，其被打印在彼此之上从而一层又一层创建3D物体。

现有不同的3D打印技术，并且它们的主要区别在于打印层的方式。一些方法使用熔化或软化以产生层的材料，例如选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积成型（FDM），而其他方法沉积使用各种技术硬化的液体材料。在层压系统的情况下，存在根据形状切割并连接在一起的薄层。

任何3D打印技术的特点就是优缺点，考虑的主要因素是打印原型的速度和成本，3D打印机的成本，材料的选择，可用的颜色等。

为了避免详述对各种3D打印技术和方法的检验，应该注意的是，当前所有3D打印机常见的问题都是关于必须进行打印的设备的移动。

几乎所有目前已知的3D打印机都使用由普通皮带，皮带轮和皮带张紧器构成，由步进电动机驱动的运动链来控制的笛卡尔运动（cartesian movement）。

因此，由于带的弹性，由此所得到的传动比不会是随时间的常数，这并不总是保证沿运动链的运动和传递的均匀性。在带式的运动链中，无论是带齿的皮带还是不带齿的皮带，传动比必须总是考虑驱动皮带轮施加的力与从动皮带轮受到的力之间的差值（简称“DELTA”），所述值之间的差值由通过次级部件（皮带轮，皮带张紧器，皮带等）的运动传递来确定。

不能认为皮带传输是完全精确的，就像齿轮运动链一样，随着时间的推移，皮带本身可能的滑动和/或结构屈服是不可避免，尤其是如果后者是由橡胶或磨损材料制成的。

可能会发生的是，例如，驱动皮带轮的初始运动不会立即与从动皮带轮的随后运动相一致，这是由于存在的皮带张紧器可能是弹性的，和/或是由于连接两个皮带轮的皮带的固有弹性。

在齿轮运动链（例如，齿条和小齿轮，齿轮，带主轴的滚珠丝杠）的传动比中，上述差值（DELTA）几乎变为零，齿轮运动链精确和准确得多，并保证随时间维护初始精度。

发明内容

根据本发明的特有特征，设置的是3D打印机的运动仅由齿轮运动链获得，其中运动链优选由具有螺旋齿条的元件构成。

本发明的第二个特有特征在于，沿着水平面X-Y的两个轴线中的至少一个轴线移动的打印装置的齿条不会移动，并且相对于承载结构（在下面也称为“底盘”）固定，使得承载更多重量的构件即齿条保持静止，并且承载较小重量的小齿轮沿着其移动，以便大大减少要移动的惯性质量。有利地，可以说，移动较小的惯性质量带来相当大的益处，即：

—施加较少的力来克服初始摩擦；

—提高速度的可能性，根据3D打印技术，在缩短产品生产时间方面具有明显的优势；和

—减少电动机克服初始摩擦所需的扭矩，以及降低打印头运动加速/减速的扭矩，从而节省功率和能量以及成本。

如已经提到的，在本发明的优选实施方式中，设置的是使用具有螺旋齿的小齿轮和齿条。螺旋式的解决方案可以大大限制通常关于直齿齿轮式的摩擦和噪音问题。

因此，该解决方案能够实现齿轮传动比的精度和准度，同时防止或至少减少在位移期间摩擦，卡住和噪音的显著问题。

根据本发明的解决方案提供了在水平面的轴线X-Y上的定位的精度，从而对于通过3D打印获得的物体的产量和精度具有相应的操作优点，这不能通过由皮带控制的普通运动来实现。

因此显而易见的是，与现有的3D打印机相比，它具有竞争优势。

如下面将更清楚地示出，例如在轴线Y上使用具有螺旋齿的两个齿条和相应的小齿轮以及在轴线X上的一个螺旋齿条和小齿轮，可以显著减少在操作期间可能出现的齿隙。螺旋齿类型渐进和平滑的啮合使得实际上可以使用小功率电动机，因此传递较少的力。此外，将齿条直接固定在底盘上的选择对于在底盘本身上而不是正在打印的三维件上的震动的释放具有战略性意义。

参考附图，将从本发明随后的详细描述中获得更好的理解，附图仅仅是通过非限制性的例子来说明本发明的优选实施例。

附图说明

在图中：

图1是示意性地示出了沿着三个轴线X-Y-Z移动的装置的前视图；

图2是对应于前一个图的等距视图，其也示出了在其上创建3D物体的平台；

图3是安装在根据本发明的移动装置中的3D打印机的非限制性示例的正视图；和

图4是与之前相对应的俯视图。

具体实施方式

根据本发明，沿着轴线X的运动由齿条和对应的小齿轮（至少有一个电动机）来完成，而对于轴线Y，两个齿条设置有各自的小齿轮，每个小齿轮安装在其各自的电动机上。所述电动机串联连接以确保运动的均匀性。此外，对电动机的相位，电流的相位，电压的相位以及微步进器进行了精确的校准。

考虑到沿轴线Y的重量远重于沿轴线X的重量，现参考轴线Y描述的具有双齿条-小齿轮和双电动机串联的解决方案，已经成为平衡重量并保证运动沿着轴线Y运动成所必需的。

实际上，轴线Y上的重量是沿着X轴移动的装置的重量：电动机Mx，齿条Cx，托架3，导向器4，已知类型的打印装置例如挤出机。

以这种方式，确保了最大的定位精度。

如图所示，两个电动机My固定到相应的托架1，托架1在导向器2上滑动，导向器2根据轴线Y布置并平行于齿条Cy，而相应的小齿轮—安装在所述电动机My的轴上—始终啮合在所述托架Cy上。

托架Cy通过两个横向导向器4刚性地连接在一起，根据轴线X布置的这两个横向导向器4相互平行并垂直于上述的导向器2。沿着所述横向导向器4运行的是第三托架3，其相对于电动机Mx固定，安装在其轴线上的小齿轮总是与相应的齿条Cx啮合，齿条Cx也垂直于所述引导件2设置。

在所描述的实施方式的示例中，上述托架3还支撑例如由挤压机构成的3D打印装置。

如已经提到的，根据本发明，导向器2根据所描述的运动系统的轴线Y布置，并且导向器4根据轴线X布置。

鉴于以上所述，事实上电动机的小齿轮总是与各个齿条相啮合，并且事实上齿是螺旋形会大大降低了运动学运动链的间隙（play）和噪音，同时提供了高的运动精度，以及对在三维物体生产过程中产生的位移的精确控制。

作为使用两个电动机My用于沿着平行于轴线Y的导向器2移动托架1的替代方案，可以相对于其中一个托架1固定单个电动机My，并且可设置的是，将所述电动机驱动的托架与用于轴线Y的另一托架1的结构连接显着加强，但是使用刚性材料必然会导致重量或成本的不期望的增加，刚性材料较轻但成本高。

另一个可能的替代方案是，能够为每个轴线特别是轴线Y使用单个电动机，其可以是在没有电动机My的情况下将小齿轮安装在托架1上，设置所述小齿轮通过齿轮运动链连接到装配有电动机My的托架1的小齿轮，例如与传动轴配合的锥齿轮系统，其运动地连接它们，使得一个托架1的小齿轮的旋转对应于另一个托架1上的小齿轮的相同旋转。

各种电动机的运动通过微处理器电子板以已知的方式进行管理，微处理器电子板能够处理包含在3D图形文件中的数据。

在本发明的优选实施方式中已经描述和说明了本发明，但是对于本领域技术人员来说，可以对其进行功能和/或技术上的等同的修改和/或替换将是显而易见的，而不脱离现行工业专利权的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于快速成型机，例如3D打印机这样的三维打印装置的机电运动系统，其装配有至少一个微处理器电子板，所述运动系统的特征在于，所述打印装置仅在水平面X-Y中移动，并且3D打印机的打印装置沿着水平面的轴线X和Y的移动仅通过具有螺旋齿的齿轮和齿条（Cx，Cy）的齿轮运动链来获得，从而减少直齿齿轮的间隙，振动，摩擦和噪音；其中，沿着轴线X的齿条或者沿着水平面的轴线Y的齿条直接固定在系统本身的底盘上，而三维物体的静止表面由电动机（Mz）驱动通过至少一个滚珠丝杠沿垂直轴线Z移动。

2.根据权利要求1所述的运动系统，其特征在于，用于沿轴线X移动的装置包括具有总是有齿轮啮合在其上的齿条（Cx），其安装在由电子管理板控制的电动机（Mx）上；其中，所述电动机（Mx）相对于托架（3）固定，托架（3）在至少一个根据轴线X设置并且平行于齿条（Cx）的特意提供的导向器（4）上运行。

3.根据前述任一权利要求所述的运动系统，其特征在于，沿着轴线Y移动的装置包括至少一个齿条（Cy），其始终与安装在由电子管理板控制的相应电动机（My）上的相应齿轮啮合，其中所述电动机（My）相对于托架（1）固定，托架（1）在至少一个根据轴线Y设置并且平行于齿条（Cy）的特意提供的导向器（2）上运行。

4.根据前述任一权利要求所述的移动系统，其特征在于，沿着轴线Y移动的装置包括两个电动机（My），每个托架（2）一个，其中所述电动机串联连接以保证运动的均匀性。

5.根据权利要求1或2所述的运动系统，其特征在于，对于每个电动机（Mx，My），已经执行了相位，电流，电压以及微步进器准确校准。

6.根据权利要求4所述的运动系统，其特征在于，所述托架（Cy）通过两个横向导向器（4）刚性地连接在一起，其中根据轴线（X）设置的两个横向导向器（4）相互平行并垂直于所述导向器（2）。

7.根据前述任一权利要求所述的运动系统，其特征在于，在所述横向导向器（4）上运行的是相对于电动机（Mx）固定的第三托架（3），安装在电动机（Mx）轴上的齿轮始终与相应的齿条（Cx）啮合，齿条（Cx）也垂直于所述导向器（2）设置。

8.根据权利要求5或7所述的运动系统，其特征在于，所述托架（3）还支撑3D打印装置，例如由挤出机构成的3D打印装置。

9.根据前述任一权利要求所述的运动系统，其特征在于，每个所述齿轮运动链设置使用由金属材料制成具有螺旋齿的齿轮和齿条。

10.根据权利要求4所述的运动系统，其特征在于，作为使用两个电动机（My）用于沿平行于轴线Y的导向器（2）移动托架（1）的替代方案，提供单个电动机（My），其相对于其中一个托架（1）固定，以及所述电动机驱动的托架与沿着轴线（Y）运行的另一托架（1）刚性结构连接。

11.根据权利要求4所述的移动系统，其特征在于，作为使用两个电动机（My）用于沿着平行于轴线Y的导向器（2）移动托架（1）的替代方案，提供单个电动机（My），相对于其中一个托架（1）固定，而在没有电动机的另一个托架（1）上，设置有通过齿轮运动链运动地连接到装配有电动机（My）的托架（1）的齿轮上的齿轮，例如与传动轴配合的锥齿轮系统，该传动轴以这样的方式连接他们，使一个托架（1）的齿轮的旋转将对应于另一个托架（1）上的齿轮的相同旋转。