CN107877849A - 新型机械臂结构的桌面级可折叠式fdm‑3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业机械领域，涉及一种新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM‑3D打印机，包括光杆导轨、丝杆、手臂部分、丝杆步进电机、工作台和打印头，两个竖向的光杆导轨和一个竖向的丝杆上部设有上顶盖，下部设有下底盖，丝杆步进电机设于丝杆的下端位于下底盖的下部，手臂部分的下端或上端连接有丝杆螺母，丝杆螺母设有与丝杆外螺纹相匹配的内螺纹与丝杆螺纹配合，手臂部分的端部设有打印头，上顶盖连接有送丝电机和送丝机构，工作台与下底盖相连，位于手臂部分的下方。降低空间占用率的同时提高了打印机的工作范围。成本降低，其机械臂结构，运动形式多样，小臂部分体积较小、较轻、整个手臂可沿Z轴上下移动，能够对打印头实现液冷。
Description
技术领域
本发明属于工业机械领域，涉及一种新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机。
背景技术
3D打印机是新兴的技术发展产业，有着越来越广泛的用途和庞大的市场需求，但是由于用3D打印机打印零配件成本高、效率低，同时由于现有技术的 3D 打印机结构比较复杂，体积比较大、结构不紧凑，采购及使用维护费用比较高，限制了消费者的使用市场和规模。
FDM(Fused Deposition Modeling)熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）或打印头上升一个高度再成型下一层，直至形成整个实体造型。FDM技术的优点： 操作环境干净、安全，材料无毒，可以在办公室、家庭环境下进行，没有产生毒气和化学污染的危险； 无需激光器等贵重元器件，因此价格便宜；原材料为卷轴丝形式，节省空间，易于搬运和替换；材料利用率高，可备选材料很多，价格也相对便宜。
SCARA结构在X，Y方向上具有良好的顺从性，而在Z轴方向又具有非常好的刚度，这种特性特别适合于装配工作，例如将一个圆头针插入一个圆孔，所以SCARA机器人在装配印刷电路板和电子零部件时被大量使用。SCARA结构的另一个特点是串接的两杆结构，类似人的手臂，工作的时候伸出，不工作的时候缩回，伸进有限空间中作业后收回，适合于搬动和取放物件，这个结构特点极大的节省了安装空间，非常适合于狭小的空间作业。
传统SCARA机械臂由于小臂部分的庞大不适合在某些苛刻的条件下工作，运动形式单一，仅限在一个平面运动。由于小臂部分上装有可上下移动式立杆，上下移动范围受到限制。并且小臂部分较大和较重，在运动时难免产生较大的惯性，从而不能够适应在某些要求高精度和狭小的的环境下工作。3D成型技术本身的特性要求，设备结构复杂，制造精度要求高，其成本依然居高不下，目前还是处于一种小众产品的阶段，对于普通大众来说，购买一台专业的3D打印机放在家中是一笔不小的开支。目前市场上主要存在两种结构的打印机，传统笛卡尔坐标系结构和新型Delta结构。这些结构的打印机控制简单，成型精度高。但是对构成打印机的材料要求很高，导轨、光轴安装加工精度高，安装过程较为复杂、维修也较为困难，成本高，并且箱式结构使整机体型增大，空间利用率低。并不完全适合承担起家庭和个人的桌面助手的角色。
发明内容
发明目的
本发明的目的是将SCARA机械结构上运用到3D打印技术上，并进行相关改进。相比传统打印设备，由于其新型的结构，降低空间占用率的同时提高了打印机的工作范围。并且随着结构设计的精简，其成本也大大降低，缩小了3D打印机的体积，弥补上诉3D打印机的不足和发展欠缺。其机械臂结构，运动形式多样，小臂部分体积较小、较轻、整个手臂可沿Z轴上下移动，能够实现液冷。
技术方案
一种新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，包括光杆导轨、丝杆、手臂部分、丝杆步进电机、工作台和打印头，其特征在于：两个竖向的光杆导轨和一个竖向的丝杆的上部设有上顶盖，下部设有下底盖，丝杆步进电机设于丝杆的下端，位于下底盖的下部，手臂部分的下端或上端连接有丝杆螺母，丝杆螺母设有与丝杆外螺纹相匹配的内螺纹与丝杆螺纹配合，手臂部分的端部设有打印头，上顶盖连接有送丝电机和送丝机构，工作台与下底盖相连，位于手臂部分的下方。
所述手臂部分包括支撑台、大臂和小臂，支撑台连接有大臂电机和小臂电机，支撑台包括连接在一起的上支撑台和下支撑台，光杆导轨和丝杆穿过上支撑台和下支撑台，上支撑台的上端设有大臂电机或小臂电机，下支撑台的下端设有小臂电机或大臂电机；大臂电机电机轴的大臂电机齿轮通过第一同步带与大臂减速齿轮组大齿轮传动配合，大臂减速齿轮组小齿轮通过第二同步带与大臂一端的大臂齿轮配合，大臂齿轮固定于大臂上；小臂电机电机轴的小臂电机齿轮通过第三同步带与小臂减速齿轮组大齿轮传动配合，小臂减速齿轮组小齿轮通过第四同步带与大臂一端的小臂传动齿轮组配合，小臂传动齿轮组通过第五同步带与大臂另一端的小臂齿轮配合，小臂齿轮固定于小臂的一端，销轴穿过小臂齿轮将小臂的该端部和大臂铰接在一起；
所述大臂齿轮和小臂传动齿轮组位于上支撑台和下支撑台之间同轴并铰接在一起；
所述打印头连接在小臂上。
所述大臂为上下两部分分体的机械臂，小臂和小臂齿轮铰接于上下两部分之间。
所述大臂上下两部分之间设有横截面似三角形的加强块。
还包括有主控盒，主控盒与大臂电机、小臂电机、送丝电机和丝杆步进电机通过导线相连。
所述工作台包括能够容纳主控盒的主控盒上下面板和底板，主控盒上下面板连接在下底盖的下端，主控盒上下面板和底板通过能够90度向上翻转的合页连接，上下两个底板之间设有三个手动调平装置，下部的底板的下端设有底座支架。
所述上支撑台和下支撑台的连接处设有支撑块，将大臂减速齿轮组和小臂减速齿轮组隔开。
所述大臂齿轮与大臂固定配合处设有一条状凸起，大臂与大臂齿轮配合处设有与该条状凸起相匹配的凹槽；小臂齿轮与小臂固定配合处也设有一条状凸起，小臂与小臂齿轮配合处设有与该条状凸起相匹配的凹槽。
所述打印头连接有可拆卸的液冷系统，所述液冷系统包括进液管、出液管和冷却池，所述冷却池一端设有进液管，进液管设有压力液泵和阀门，进液管的另一端连接在打印头的一端，打印头的另一端连接有出液管，出液管的另一端与冷却池连通，形成循环回路的液冷系统。
优点及效果
1、传动带轮结构，使其整体结构更加稳定，将手臂多余的重量都移到了导轨处，减轻机械臂部分的重量，使其惯性减小，点对点的精度更高；
2、减小手臂部分体积，更适合狭小环境下工作；
3、将原来平面式SCARA机械臂设计为三维式，整个手臂可沿Z轴上下移动；
4、底板可折叠式，减小了占用空间，成本大大降低；
5、底板在工作时不动，克服了打印大尺寸产品重心不稳而影响打印精度；
6、使打印头沿Z轴运动的步进电机安装在基座，避免了头重脚轻；
7、手臂传达部分精细传达，采用分离结构加固设计，便于零件以后的更换；
8、可拆卸的液冷系统能够使打印头过热时快速冷却，更加安全。
附图说明
图1是本3D打印机示意图；
图2是本3D打印机丝杆螺母处结构示意图；
图3是本3D打印机手臂部分结构示意图；
图4是本3D打印机爆炸示意图；
图5是打印头与进液管和出液管连接处示意图；
图6是大臂齿轮条状凸起结构示意图；
图7是大臂配合凹槽结构示意图；
图8是大臂齿轮和大臂配合结构示意图；
图9是本3D打印机工作台结构示意图；
图10是本3D打印机工作台折叠状态示意图；
图11是液冷系统示意图。
附图标记说明：1. 上支撑台、2. 下支撑台、3.大臂、4.小臂、5.大臂电机、6.小臂电机、7.大臂电机齿轮、8.第一同步带、9.大臂减速齿轮组大齿轮、10.大臂减速齿轮组小齿轮、11.第二同步带、12.大臂齿轮、13.小臂电机齿轮、14.第三同步带、15.小臂减速齿轮组大齿轮、16.小臂减速齿轮组小齿轮、17.第四同步带、18.小臂传动齿轮组、19.第五同步带、20.小臂齿轮、21.销轴、22.加强块、23.支撑块、30.打印头、31. 送丝电机、32. 送丝机构、33.进液管、34.出液管、35.冷却池、36.压力液泵、37.阀门、201.上顶盖、202.丝杆、203.光杆导轨、204.手臂部分、205.丝杆螺母、206.下底盖、207.丝杆步进电机、208.主控盒、209.工作台、210.底板、211.手动调平装置、212.底座支架、213.合页、214.主控盒上下面板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，一种新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，包括光杆导轨203、丝杆202、手臂部分204、丝杆步进电机207、工作台209和打印头30，两个竖向的光杆导轨203和一个竖向的丝杆202上部设有上顶盖201，下部设有下底盖206，丝杆步进电机207设于丝杆202的下端位于下底盖206的下部，手臂部分204的下端或上端连接有丝杆螺母205，丝杆螺母205设有与丝杆202外螺纹相匹配的内螺纹与丝杆202螺纹配合，手臂部分204的小臂4端部设有打印头30，上顶盖201连接有送丝电机31和送丝机构32，工作台209与下底盖206相连，位于手臂部分204的下方。手臂部分204包括支撑台、大臂3和小臂4，支撑台连接有大臂电机5和小臂电机6，大臂3为上下两部分分体的机械臂，大臂3上下两部分之间设有横截面似三角形的加强块22。似三角形的加强结构能够使大臂结构更加稳定。小臂4和小臂齿轮20铰接于上下两部分之间。支撑台包括连接在一起的上支撑台1和下支撑台2，上支撑台1和下支撑台2的连接处设有支撑块23，将大臂减速齿轮组和小臂减速齿轮组隔开。光杆导轨203和丝杆202穿过上支撑台1和下支撑台2，上支撑台1的上端设有大臂电机5，下支撑台2的下端设有小臂电机6；大臂电机5电机轴的大臂电机齿轮7通过第一同步带8与大臂减速齿轮组大齿轮9传动配合，大臂减速齿轮组小齿轮10通过第二同步带11与大臂3一端的大臂齿轮12配合，大臂齿轮12固定于大臂3上；小臂电机6电机轴的小臂电机齿轮13通过第三同步带14与小臂减速齿轮组大齿轮15传动配合，小臂减速齿轮组小齿轮16通过第四同步带17与大臂3一端的小臂传动齿轮组18配合，小臂传动齿轮组18通过第五同步带19与大臂3另一端的小臂齿轮20配合，小臂齿轮20固定于小臂4的一端，销轴21穿过小臂齿轮20将小臂4的该端部和大臂3铰接在一起；所述大臂齿轮12和小臂传动齿轮组18位于上支撑台1和下支撑台2之间同轴并铰接在一起；本3D打印机还包括有主控盒208，主控盒208与大臂电机5、小臂电机6、送丝电机31和丝杆步进电机207通过导线相连。工作台209包括能够容纳主控盒208的主控盒上下面板214和底板210，主控盒上下面板214连接在下底盖206的下端，主控盒上下面板214和底板210通过能够90度向上翻转的合页连接，上下两个底板210之间设有三个手动调平装置211，下部的底板210的下端设有底座支架212；优选的，所述底板为电木板。
大臂齿轮12与大臂3固定配合处设有一条状凸起，大臂3与大臂齿轮12配合处设有与该条状凸起相匹配的凹槽；小臂齿轮20与小臂4固定配合处也设有一条状凸起，小臂4与小臂齿轮20配合处设有与该条状凸起相匹配的凹槽。该种配合方便加工且配合牢固。
如图5和图11所示，打印头30连接有可拆卸的液冷系统，所述液冷系统包括进液管33、出液管34和冷却池35，所述冷却池35一端设有进液管33，进液管33设有压力液泵36和阀门37，进液管的另一端连接在打印头30的一端，打印头30的另一端连接有出液管34，出液管34的另一端与冷却池35连通，形成循环回路的液冷系统。
运动原理：由主控盒208控制各部分电机，从而控制大臂3和小臂4的运动。通过控制丝杆步进电机207的旋转，从而控制手臂部分204的上升和下降；通过控制大臂电机5的旋转带动大臂电机齿轮7旋转，大臂电机齿轮7通过第一同步带8带动大臂减速齿轮组大齿轮9和大臂减速齿轮组小齿轮10旋转，大臂减速齿轮组小齿轮10通过第二同步带11带动大臂齿轮12旋转，大臂齿轮12从而带动大臂3旋转；通过控制小臂电机6的旋转带动小臂电机齿轮13旋转，小臂电机齿轮13通过第三同步带14带动小臂减速齿轮组大齿轮15和小臂减速齿轮组小齿轮16旋转，小臂减速齿轮组小齿轮16通过第四同步带17带动小臂传动齿轮组18旋转，小臂传动齿轮组18通过第五同步带19带动小臂齿轮20旋转，小臂齿轮20从而带动小臂4旋转。
大臂电机齿轮7齿数为 Z1、大臂减速齿轮组大齿轮9齿数为 Z2、大臂减速齿轮组小齿轮10齿数为 Z3、大臂齿轮12齿数为 Z4、小臂电机齿轮13齿数为Z5、小臂减速齿轮组大齿轮15齿数为Z6、小臂减速齿轮组小齿轮16齿数为 Z7、小臂传动齿轮组18有上和下两等齿数的部分，齿数分别为Z8 和Z9、小臂齿轮20齿数为Z10 。
为了便于计算和后续程序的更改，大臂3的传动比n1和小臂4的传动比n2的传动比设计相同，由同步轮的齿数可以计算得：
穿过丝杆的构件均采用自润滑轴套，采用轴承套在自润滑轴承上，大臂减速齿轮组和小臂减速齿轮组穿过光杆导轨，配合处也采用自润滑轴套。
此结构上下移动的范围可根据具体使用的环境来更换所需要的光杆导轨203、丝杆202的长度，方便快捷。
送丝机构32由送丝电机31带动，打印丝通过送丝机构32后进入打印头30，由打印头30将材料加热融化，同时手臂部分204和主控盒208的控制下将丝料选择性的涂在工作台209。
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，包括光杆导轨、丝杆、手臂部分、丝杆步进电机、工作台和打印头，其特征在于：两个竖向的光杆导轨和一个竖向的丝杆上部设有上顶盖，下部设有下底盖，丝杆步进电机设于丝杆的下端位于下底盖的下部，手臂部分的下端或上端连接有丝杆螺母，丝杆螺母设有与丝杆外螺纹相匹配的内螺纹与丝杆螺纹配合，手臂部分的端部设有打印头，上顶盖连接有送丝电机和送丝机构，工作台与下底盖相连，位于手臂部分的下方。
2.根据权利要求1所述新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，其特征在于：所述手臂部分包括支撑台、大臂和小臂，支撑台连接有大臂电机和小臂电机，支撑台包括连接在一起的上支撑台和下支撑台，光杆导轨和丝杆穿过上支撑台和下支撑台，上支撑台的上端设有大臂电机或小臂电机，下支撑台的下端设有小臂电机或大臂电机；大臂电机电机轴的大臂电机齿轮通过第一同步带与大臂减速齿轮组大齿轮传动配合，大臂减速齿轮组小齿轮通过第二同步带与大臂一端的大臂齿轮配合，大臂齿轮固定于大臂上；小臂电机电机轴的小臂电机齿轮通过第三同步带与小臂减速齿轮组大齿轮传动配合，小臂减速齿轮组小齿轮通过第四同步带与大臂一端的小臂传动齿轮组配合，小臂传动齿轮组通过第五同步带与大臂另一端的小臂齿轮配合，小臂齿轮固定于小臂的一端，销轴穿过小臂齿轮将小臂的该端部和大臂铰接在一起；
所述大臂齿轮和小臂传动齿轮组位于上支撑台和下支撑台之间同轴并铰接在一起；
所述打印头连接在小臂上。
3.根据权利要求2所述新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，其特征在于：所述大臂为上下两部分分体的机械臂，小臂和小臂齿轮铰接于上下两部分之间。
4.根据权利要求3所述新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，其特征在于：所述大臂上下两部分之间设有横截面似三角形的加强块。
5.根据权利要求2所述新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，其特征在于：还包括有主控盒，主控盒与大臂电机、小臂电机、送丝电机和丝杆步进电机通过导线相连。
6.根据权利要求5所述新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，其特征在于：所述工作台包括能够容纳主控盒的主控盒上下面板和底板，主控盒上下面板连接在下底盖的下端，主控盒上下面板和底板通过能够90度向上翻转的合页连接，上下两个底板之间设有三个手动调平装置，下部的底板的下端设有底座支架。
7.根据权利要求2所述新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，其特征在于：所述上支撑台和下支撑台的连接处设有支撑块，将大臂减速齿轮组和小臂减速齿轮组隔开。
8.根据权利要求2所述新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，其特征在于：所述大臂齿轮与大臂固定配合处设有一条状凸起，大臂与大臂齿轮配合处设有与该条状凸起相匹配的凹槽；小臂齿轮与小臂固定配合处也设有一条状凸起，小臂与小臂齿轮配合处设有与该条状凸起相匹配的凹槽。
9.根据权利要求1所述新型机械臂结构的桌面级可折叠式FDM-3D打印机，其特征在于：所述打印头连接有可拆卸的液冷系统，所述液冷系统包括进液管、出液管和冷却池，所述冷却池一端设有进液管，进液管设有压力液泵和阀门，进液管的另一端连接在打印头的一端，打印头的另一端连接有出液管，出液管的另一端与冷却池连通，形成循环回路的液冷系统。
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