CN108000871B - 绳索牵引并联机构3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳索牵引并联机构3D打印装置，包括支架、牵引机构、辅助调节机构、耗材电机，支架由下支撑架、上横梁架和立式支撑杆构成，支架中设有打印装置；牵引机构包括传送带电机、导向滑轮机构、皮带轮传动机构，牵引机构中牵引柔索连接在打印装置上端边沿；辅助调节机构包括中横梁支架、丝杠传动机构、三个绕线机构，辅助调节机构中辅助柔索连接至打印装置下端边沿；耗材电机安装在上横梁架的三角边上。本发明利用牵引柔索和辅助柔索组合在一起的并联驱动机构，兼容了打印机构的高效率、高承载力及伺服驱动机构柔性可调的优点，弥补了传统机械缺乏的柔性和刚性机构不能在大空间应用的缺陷。

Description

绳索牵引并联机构3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印装置领域，具体是一种绳索牵引并联机构3D打印装置。

背景技术

绳索牵引并联机构是指采用绳索代替传统连杆作为牵引元件的并联机构，而近年来，随着3D打印技术的不断发展，这也对3D打印提出了更高的要求，不仅要求高精度、高效率地运转，而且要求具有更大的输出空间，能迅速、方便地改变3D打印机大小。然而，由于受到普通刚性结构、长度以及质量等方面的限制，目前还没有利用绳索牵引并联机构控制3D打印机喷头实现大空间打印的3D打印机。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种适用于大型空间、性能可靠、适应性强的绳索牵引并联机构3D打印装置。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

绳索牵引并联机构3D打印装置，其特征在于：包括支架、牵引机构、辅助调节机构、耗材电机，其中：

支架包括正三角形的下支撑架，下支撑架上方设有同样正三角形的上横梁架，下支撑架、上横梁架的三角位置之间分别竖直连接有立式支撑杆，由下支撑架、上横梁架、立式支撑杆围成的空间中设有打印装置；

牵引机构包括分别安装在每个立式支撑杆下端附近的传送带电机，分别安装在每个立式支撑杆上端附近的导向滑轮机构、分别安装在每个立式支撑杆上的皮带轮传动机构，所述皮带轮传动机构包括滑轨、滑车、移动块、传送带，其中滑轨竖直紧贴立式支撑杆内侧面安装，滑车滑动装配在滑轨上，移动块与滑车固定连接，传送带呈竖直状态安装在立式支撑杆上、下端之间，且移动块与传送带固定连接，所述传动带电机一一对应与传送带下端的带轮传动连接，每个移动块分别连接有一对牵引柔索，共三组牵引柔索对分别竖直向上绕过各自对应的立式支撑杆上端的导向滑轮机构后，再分别倾斜向下连接在打印装置上端边沿；

辅助调节机构包括呈正三角形的中横梁支架，以及三组丝杠传动机构、三个绕线机构，每组丝杠传动机构分别包括滑轨、滑车、丝杠、丝杠电机，三组滑轨一一对应竖直紧贴立式支撑杆外侧面安装，三个滑车一一对应滑动安装在滑轨上，所述中横梁支架套在三个立式支撑杆外，且中横梁支架分别与三个滑车固定连接，三组丝杠一一对应呈竖直状态并转动安装在中横梁支架三角位置外，且中横梁支架每个角位置分别通过螺纹通孔螺纹装配在对应位置的丝杠上，三组丝杠电机分别与丝杠一一对应传动连接，三个绕线机构一一对应设置在中横梁支架的三角边上，所述绕线机构由柔索导向滑轮支架、滑轮、轴承杆、卷线电机、卷线器构成，卷线电机固定在中横梁支架每个三角边外侧面，卷线器固定在卷线电机输出轴上，柔索导向滑轮支架固定在中横梁支架每个三角边顶部，轴承杆固定在柔索导向滑轮支架中，滑轮转动安装在轴承杆上，所述卷线器上分别缠绕有辅助柔索，辅助柔索分别绕过对应柔索导向滑轮支架中的滑轮后，再分别连接至打印装置下端边沿；

所述耗材电机安装在上横梁架的三角边上，由耗材电机向打印装置输送耗材。

所述的绳索牵引并联机构3D打印装置，其特征在于：导向滑轮机构包括分别安装在上横梁架三角位置顶部的上滑轮支座，每个上滑轮支座顶部分别转动安装有轴承杆，每个轴承杆上分别固定有一对滑轮，由滑轮过渡每个牵引柔索对中的两个牵引柔索。

所述的绳索牵引并联机构3D打印装置，其特征在于：每个牵引柔索上分别接入有力传感器。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明利用牵引柔索和辅助柔索组合在一起的并联驱动机构，兼容了打印机构的高效率、高承载力及伺服驱动机构柔性可调的优点，弥补了传统机械缺乏的柔性和刚性机构不能在大空间应用的缺陷。具有传统机构的高效率、高承载力及伺服驱动机构柔性可调的优点，将绳索牵引并联机构引入到3D打印机构，其结构简单、易拆装、可重组、运动速度快、工作空间大、价格低廉，同时能够完成大负载运转、高性能运动输出，实现复杂的运动规律，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的绳索牵引并联机构3D打印机三维图。

图2为本发明的绳索牵引并联机构3D打印机主视图。

图3为本发明的牵引机构中的柔索导向滑轮机构。

图4为本发明的辅助调节机构中的柔索导向滑轮机构。

图5为本发明的牵引机构中的皮带轮传动机构。

图6为本发明的辅助调节机构中的丝杠传动机构。

图7为本发明控制方法流程图。

具体实施方式

如图1-图6所示，绳索牵引并联机构3D打印装置，包括支架、牵引机构、辅助调节机构、耗材电机29，其中：

支架包括正三角形的下支撑架1，下支撑架1上方设有同样正三角形的上横梁架5，下支撑架1、上横梁架5的三角位置之间分别竖直连接有立式支撑杆4，由下支撑架1、上横梁架5、立式支撑杆4围成的空间中设有打印装置15；

牵引机构包括分别安装在每个立式支撑杆4下端附近的传送带电机2，分别安装在每个立式支撑杆4上端附近的导向滑轮机构6、分别安装在每个立式支撑杆4上的皮带轮传动机构3，皮带轮传动机构3包括滑轨17、滑车18、移动块19、传送带16，其中滑轨17竖直紧贴立式支撑杆4内侧面安装，滑车18滑动装配在滑轨17上，移动块1 9与滑车18固定连接，传送带16呈竖直状态安装在立式支撑杆4上、下端之间，且移动块19与传送带16固定连接，传动带电机2一一对应与传送带16下端的带轮传动连接，每个移动块19分别连接有一对牵引柔索7，共三组牵引柔索对分别竖直向上绕过各自对应的立式支撑杆4上端的导向滑轮机构6后，再分别倾斜向下连接在打印装置15上端边沿；

辅助调节机构包括呈正三角形的中横梁支架23，以及三组丝杠传动机构10、三个绕线机构11，每组丝杠传动机构10分别包括滑轨、滑车、丝杠24、丝杠电机8，三组滑轨一一对应竖直紧贴立式支撑杆4外侧面安装，三个滑车一一对应滑动安装在滑轨上，中横梁支架23套在三个立式支撑杆4外，且中横梁支架23分别与三个滑车固定连接，三组丝杠24一一对应呈竖直状态并转动安装在中横梁支架23三角位置外，且中横梁支架23每个角位置分别通过螺纹通孔螺纹装配在对应位置的丝杠24上，三组丝杠电机8分别与丝杠24一一对应传动连接，三个绕线机构11一一对应设置在中横梁支架23的三角边上，绕线机构11由柔索导向滑轮支架26、滑轮21、轴承杆22、卷线电机27、卷线器28构成，卷线电机27固定在中横梁支架23每个三角边外侧面，卷线器28固定在卷线电机27输出轴上，柔索导向滑轮支架26固定在中横梁支架23每个三角边顶部，轴承杆22固定在柔索导向滑轮支架26中，滑轮21转动安装在轴承杆22上，卷线器2 8上分别缠绕有辅助柔索12，辅助柔索12分别绕过对应柔索导向滑轮支架26中的滑轮21后，再分别连接至打印装置15下端边沿；

耗材电机29安装在上横梁架5的三角边上，由耗材电机29向打印装置15输送耗材30。

导向滑轮机构6包括分别安装在上横梁架5三角位置顶部的上滑轮支座20，每个上滑轮支座20顶部分别转动安装有轴承杆22，每个轴承杆22上分别固定有一对滑轮21，由滑轮21过渡每个牵引柔索对中的两个牵引柔索7。

每个牵引柔索7上分别接入有力传感器33。

本发明实现大空间柔索并联机构3D打印机由支架、牵引机构、辅助调节机构和打印装置构成。三组绳索机构构成正三角形对称设置作为牵引机构，另外三组柔索机构作为辅助调节机构。

支架包括固定的正三角形的下支撑架1、三根立式支撑杆4、正三角形的上横梁架5。

牵引机构由三组呈正三角形对称放置的传送带电机2、皮带轮传动机构3、导向滑轮机构6以及每组两根的平行柔索7构成，皮带轮传动机构3由传送带16、滑轨17、滑车18、移动块19构成，滑轨17固定于立式支撑杆4上，滑车18一侧与移动块19固定相连，另一侧与滑轨17配合；导向滑轮机构6由上滑轮支座10、滑轮21、轴承杆22构成。电机2经联轴器和小齿轮与传送带16相连，传送带16一侧与移动块19固定相连，故电机2转动时传送带16带动滑块19上下运动。柔索7一端与移动块19相连并绕过上方固定的导向滑轮机构6中的滑轮21，另一端与打印装置15上端相连。

辅助调节机构由三组呈正三角形对称放置的丝杠电机8、丝杠传动机构10、绕线机构11、辅助柔索12和中横梁支架23构成；丝杠传动机构10由丝杠24、滑轨、滑车构成，滑车一侧与中横梁支架23固定相连，另一侧与滑轨配合。丝杠电机8经联轴器25与丝杠24相连，丝杠24上端与上脚架5配合。三台电机8分别固定于三个下脚架1上，与丝杠传动机构10相连，通过丝杠传动机构10旋转带动正三角形中横梁23上下移动；绕线机构11由柔索导向滑轮支架26、滑轮21、轴承杆22、卷线电机27、卷线器28以及每组一根辅助柔索12构成，电机27和柔索导向滑轮支架26固定于中横梁的中部，辅助柔索12一端与卷线电机27上装夹的卷线器28相连，绕过中横梁上方固定的柔索导向滑轮支架26中的滑轮21，另一端与打印装置15下端相连。负责保持3D打印执行装置在运动过程中的平稳性。

耗材电机29固定于上横梁中部，耗材通过耗材电机机构连接到打印装置内喷头处。

上述所有电机均接在控制板31上，并通过电脑32进行控制。

如图7所示，柔索驱动3D打印机系统控制方法，包括以下步骤：

（1）进行系统的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好，通过在电脑上导入三维模型，并利用电脑软件对模型分层切片，获得运动控制指令代码；

（2）开启各个传感器单元，实时检测安装在六根吊挂柔索上的拉力传感器状态；

（3）电脑通过比对输入和反馈各类信号的实时状态，生成能实际运行的现场轨迹路线，并将运动指令传输至控制板；

（4）控制板得到信息后协调控制各个电机（具体可分为上端柔索牵引运动控制模块、下端柔索紧固位置运动控制模块、下端绳索收放运动控制模块、打印喷头吐丝运动控制模块四个运动模块）进行运动。

（5）在运行每个运动指令时，安装六根吊挂柔索上的拉力传感器，都将测得的对应数据传送到控制板的反馈输入端，完成一个指令后，电脑通过比对分析当前信息，对当前运动进行优化后再进行下一指令，实现3D打印机执行器空间三维平动自由度的高精度运动；

（6）系统将按照以上步骤进行工作，直至打印工作完成。

工作原理：传送带电机2作为牵引机构的动力源。牵引装置中牵引柔索7长度不变，下端连接移动块19，上端连接打印装置15。运动时，计算机通过切片软件编制得到运动指令，通过电机控制板31发送脉冲给各电机，然后传送带电机2转动带动传送带16使移动块19上下移动，从而改变上方三组柔索的打印装置端在空间中的位置；同时由于每组柔索是平行的两根绳，由平行四边形原理可以达到保证了控制打印装置15在空间中保持水平的效果。丝杠电机8作为辅助调节机构的动力源，计算机根据打印装置15在空间中打印平面上的位置计算得到丝杠电机8运转量，使丝杠电机8带动丝杠24调节中部横梁移动到合适的位置，使下方绳子升高，以保证下方的绳索不会对打印部件造成干扰，同时也保证了打印装置的稳定。同时计算机也会根据打印装置在空间中的位置以及卷线电机27的位置，计算出卷线电机27的运转量，从而调整下方辅助柔索12的长度，保证下方的绳子的长度处于拉紧状态，也保证了打印装置在空间中的稳定性。

Claims (1)

1. 绳索牵引并联机构3D打印装置，其特征在于：包括支架、牵引机构、辅助调节机构、耗 材电机，其中：

支架包括正三角形的下支撑架，下支撑架上方设有同样正三角形的上横梁架，下支撑架、上横梁架的三角位置之间分别竖直连接有立式支撑杆，由下支撑架、上横梁架、立式支撑杆围成的空间中设有打印装置；

牵引机构包括分别安装在每个立式支撑杆下端附近的传送带电机，分别安装在每个立式支撑杆上端附近的导向滑轮机构、分别安装在每个立式支撑杆上的皮带轮传动机构，所述皮带轮传动机构包括滑轨、滑车、移动块、传送带，其中滑轨竖直紧贴立式支撑杆内侧面安装，滑车滑动装配在滑轨上，移动块与滑车固定连接，传送带呈竖直状态安装在立式支撑杆上、下端之间，且移动块与传送带固定连接，所述传动带电机一一对应与传送带下端的带轮传动连接，每个移动块分别连接有一对牵引柔索，共三组牵引柔索对分别竖直向上绕过各自对应的立式支撑杆上端的导向滑轮机构后，再分别倾斜向下连接在打印装置上端边沿；

辅助调节机构包括呈正三角形的中横梁支架，以及三组丝杠传动机构、三个绕线机构，每组丝杠传动机构分别包括滑轨、滑车、丝杠、丝杠电机，三组滑轨一一对应竖直紧贴立式支撑杆外侧面安装，三个滑车一一对应滑动安装在滑轨上，所述中横梁支架套在三个立式支撑杆外，且中横梁支架分别与三个滑车固定连接，三组丝杠一一对应呈竖直状态并转动安装在中横梁支架三角位置外，且中横梁支架每个角位置分别通过螺纹通孔螺纹装配在对应位置的丝杠上，三组丝杠电机分别与丝杠一一对应传动连接，三个绕线机构一一对应设置在中横梁支架的三角边上，所述绕线机构由柔索导向滑轮支架、滑轮、轴承杆、卷线电机、卷线器构成，卷线电机固定在中横梁支架每个三角边外侧面，卷线器固定在卷线电机输出轴上，柔索导向滑轮支架固定在中横梁支架每个三角边顶部，轴承杆固定在柔索导向滑轮支架中，滑轮转动安装在轴承杆上，所述卷线器上分别缠绕有辅助柔索，辅助柔索分别绕过对应柔索导向滑轮支架中的滑轮后，再分别连接至打印装置下端边沿；

所述耗材电机安装在上横梁架的三角边上，由耗材电机向打印装置输送耗材；

导向滑轮机构包 括分别安装在上横梁架三角位置顶部的上滑轮支座，每个上滑轮支座顶部分别转动安装有 轴承杆，每个轴承杆上分别固定有一对滑轮，由滑轮过渡每个牵引柔索对中的两个牵引柔 索；

每个牵引柔索上 分别接入有力传感器。

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