CN108480632B - 一种快速定位的增材制造设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速定位的增材制造设备。该设备包括设在基座上的三维定位机构、送料机构、加热机构、3D打印喷头以及控制系统，所述送料机构用于将打印耗材输送至3D打印喷头，所述3D打印喷头和所述加热机构设在所述三维定位机构上，所述三维定位机构包括气浮导轨单元和测量单元，所述气浮导轨单元用于驱动所述3D打印喷头相对于所述基座在三维方向运动，所述测量单元用于测量打印物体的空间位置，以及测量所述气浮导轨单元的移动位置，基于所述测量单元的测量结果，所述控制系统控制所述气浮导轨单元可在三维方向相应运动。

Description

一种快速定位的增材制造设备
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种快速定位的增材制造设备。
背景技术
增材制造技术(俗称3D打印)是一种快速成型技术，它以数字模型为基础，将金属粉末、流体材质、塑料等各种类型的可粘合材料，通过计算机软件程序控制，使用逐层堆叠材料的方式来构建物体的立体成型技术。
现有技术中，3D打印机三轴的主要运动机构为滚珠丝杠丝母结合直线导轨的方式，其减速机多存在一定的回程差，因此三轴尤其是垂直运动的Z轴定位精度一般较低，有效行程范围较小且受结构限制，且现有技术的3D打印机功能较单一，通常只能完成增材制造功能。
坐标测量技术主要应用于几何量测量。任何形状的物体都是由空间点组成，物体的几何量测量可以归结为空间点的测量。在增材制造过程中，通过对构建物体精确地进行空间点坐标采集，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，可得出其形状、位置及其他几何量数据。
将坐标测量机技术应用到增材制造装备中，可集成出一种高精度和大尺寸系列化的3D打印装置。实现了增材制造及几何量测量一体化功能，满足了采用增材制造方式的大型零部件在高精度快速定位方面的要求。
因此，发明人创造性的提供了一种快速定位的增材制造设备。
发明内容
本发明实施例提供了一种快速定位的增材制造设备，创造性的应用了增材制造技术和三坐标测量技术，解决了现有增材制造设备定位精度低和行程范围小的问题。
本发明的实施例提出了一种快速定位的增材制造设备，该设备包括设在基座上的三维定位机构、送料机构、加热机构、3D打印喷头以及控制系统，所述送料机构用于将打印耗材输送至3D打印喷头，所述3D打印喷头和所述加热机构设在所述三维定位机构上，所述三维定位机构包括气浮导轨单元和测量单元，所述气浮导轨单元用于驱动所述3D打印喷头相对于所述基座在三维方向运动，所述测量单元用于测量打印物体的空间位置，以及测量所述气浮导轨单元的移动位置，基于所述测量单元的测量结果，所述控制系统控制所述气浮导轨单元可在三维方向相应运动。
在第一种可能的实现方式中，所述气浮导轨单元包括X轴气浮导轨组、Y轴气浮导轨组和Z轴气浮导轨组，所述X、Y、Z轴气浮导轨组均包括相应轴向的导轨和滑枕以及驱动机构，所述导轨和滑枕之间均设有气浮轴承，所述气浮轴承在所述导轨和所述滑枕之间产生气膜，所述驱动机构驱动所述滑枕相对于所述导轨平稳往复滑动。
结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述X轴向的驱动机构用于驱动所述Y轴气浮导轨组相对于所述基座沿X轴向往复滑动，所述Y轴向的驱动机构用于驱动所述Z轴气浮导轨组相对于所述基座沿Y轴向往复滑动，所述Z轴向的驱动机构用于驱动所述3D打印喷头相对于所述基座沿Z轴向往复滑动。
结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述X、Y、Z轴气浮导轨组的驱动机构包括伺服电机、减速器和同步带轮的传动机构，所述控制系统控制相应轴向的所述伺服电机回转运动，所述伺服电机通过所述减速器驱动所述传动机构运动，所述传动机构的同步带驱动相应轴向的所述滑枕直线往复滑动。
结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述测量单元包括测量头和光栅测距组件，所述测量头用于测量打印物体的空间位置，所述光栅测距组件用于测量所述X、Y、Z轴气浮导轨组的相应轴向移动位置。
结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述控制系统与所述测量头和所述光栅测距组件均分别连接，并获取所述测量结果，所述控制系统基于所述测量结果，反馈并控制所述X、Y、Z轴向的相应伺服电机运动。
结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述3D打印喷头的空间移动速度范围为0-1200mm/s。
结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述基座的底部设有用于调整所述基座水平度的可调支撑。
综上，本发明提供的一种快速定位的增材制造设备，采用测量技术和气浮导轨机构的方式，使定位单元与相应气浮滑轨之间产生一层气膜，有效的减轻了传统的直线导轨和滑块等导轨方式产生的振动和摩擦，同时各轴的传动机构采用同步带减速机构方式，减小了减速机构在运动过程中的回程差，可以实现高精度的快速定位，本发明的设备兼具尺寸测量、定位和3D打印功能，拓展了增材制造的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种快速定位的增材制造设备的总体结构示意图。
图2是本发明实施例的三轴向气浮轴承的设置结构示意图。
图3是本发明实施例的X轴向的闭环控制系统示意图。
图中：
1-可调支撑；2-基座；3-主立柱；4-Y轴导轨；5-Y滑枕；6-Z轴导轨；7-送料机构；8-打印耗材；9-加热机构；10-3D打印喷头；11-副立柱；12-X轴气浮轴承；13-X轴导轨；14-X滑枕；15-Y轴气浮轴承；16-Z轴气浮轴承；17-伺服电机；18-同步带轮减速机构；19-同步带轮；20-同步带；21-读数头；22-光栅尺。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例的一种快速定位的增材制造设备的总体结构示意图。该设备包括设在基座2上的三维定位机构、送料机构7、加热机构9、3D打印喷头10以及控制系统，送料机构7用于将打印耗材8输送至3D打印喷头10，3D打印喷头10和加热机构9设在三维定位机构上，三维定位机构包括气浮导轨单元和测量单元，气浮导轨单元用于驱动3D打印喷头10相对于基座2在三维方向运动，测量单元用于测量打印物体的空间位置，以及测量气浮导轨单元的移动位置，基于测量单元的测量结果，控制系统控制气浮导轨单元可在三维方向相应运动。
气浮导轨单元包括X轴气浮导轨组、Y轴气浮导轨组和Z轴气浮导轨组，该设备的X、Y、Z轴气浮导轨组均包括相应轴向的导轨和滑枕以及驱动机构，导轨和滑枕之间均设有气浮轴承，气浮轴承在导轨和滑枕之间产生气膜，这层气膜使运动部件可以在高精度的滑轨上快速、无摩擦、无振动的平稳运动，从而实现单轴的高定位精度，而且具有清洁、能耗低、对环境影响小等优点。驱动机构驱动滑枕相对于导轨非接触的平稳往复运动。
图2是本发明实施例的三轴向气浮轴承的设置结构示意图。
结合图1和图2所示，基座2的底部设有用于调整该基座2水平度的可调支撑1，在基座2上设有X轴导轨13和相应的X滑枕14，主立柱3和副立柱11通过X轴气浮轴承12设在基座2上，X轴向驱动机构能够驱动X轴气浮轴承12带动两个立柱沿X轴导轨直线往复滑动。在两个立柱的上部固设一桁架式Y轴导轨4和相应的Y滑枕5，Y滑枕与Z轴导轨6连接，Y轴向驱动机构能够驱动Y轴气浮轴承15带动Y滑枕5与Z轴导轨沿Y轴导轨4直线往复滑动。Z轴导轨6的支撑架上部设置送料机构7，送料机构7将打印耗材8输送至3D打印喷头10按照要求打印物体。Z轴向驱动机构能够驱动Z轴气浮轴承16带动仪器安装架沿Z轴导轨6直线往复滑动。仪器安装架用于安装加热机构9，3D打印喷头10和测量头等仪器，这些功能仪器可以通过可拆卸的方式单独或者组合式安装在仪器安装架上，以实现相应的操作功能。
因此，X轴向的驱动机构用于驱动Y轴气浮导轨组相对于基座2沿X轴向往复滑动，Y轴向的驱动机构用于驱动Z轴气浮导轨组相对于基座2沿Y轴向往复滑动，Z轴向的驱动机构用于驱动3D打印喷头10相对于基座2沿Z轴向往复滑动。3D打印喷头的空间移动速度范围为0-500mm/s或者0-800mm/s。
X、Y、Z轴气浮导轨组的驱动机构包括伺服电机、减速器和同步带轮的传动机构，控制系统控制相应轴向的伺服电机回转运动，伺服电机通过减速器驱动传动机构运动，传动机构的同步带驱动相应轴向的滑枕直线往复滑动。
图3是本发明实施例的X轴向的闭环控制系统示意图。如图3所示，以X轴向驱动机构为例说明，减速器为同步带轮减速机构18。X轴向的伺服电机17通过同步带轮减速机构18带动同步带轮19旋转，同步带轮19与同步带20的啮合使伺服电机17的回转运动转换为直线运动，从而使立柱沿X轴导轨13运动。同步带轮与同步带的传动方式既易实现高速运动，又能有消除主要运动部件在运动过程中的震动，易实现较高精度和较快速度。同步带20上安装有高精度的光栅尺22，与之配合的读数头21固定在主立柱3下侧。读数头21与光栅尺22构成光栅测距组件，控制系统与测量头和光栅测距组件均分别连接，通过读数头21与光栅尺22的相对运动将各轴的位置坐标时时传输给控制系统，基于位置坐标的测量结果，经过一定的数学运算，控制系统将下一步指令信号再反馈给X、Y、Z轴向的相应伺服电机进行相应的位置移动调节。
综上，本发明的增材制造装备通过采用测量技术和气浮导轨机构的方式，使定位单元与相应气浮滑轨之间产生一层气膜，有效的规避了传统的直线导轨和滑块等导轨方式产生的振动和摩擦，同时各轴的传动机构采用同步带减速机构方式，有效地减小了减速机构在运动过程中的回程差，可以实现高精度的快速定位，该装备结构紧凑，操作方便，集成度高，能够满足高精度快速定位和大尺寸的3D打印，拓宽了增材制造的应用范围。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种快速定位的增材制造设备，其特征在于，包括设在基座上的三维定位机构、送料机构、加热机构、3D打印喷头以及控制系统，所述送料机构用于将打印耗材输送至3D打印喷头，所述3D打印喷头和所述加热机构设在所述三维定位机构上，所述三维定位机构包括气浮导轨单元和测量单元，所述气浮导轨单元用于驱动所述3D打印喷头相对于所述基座在三维方向运动，所述测量单元用于测量打印物体的空间位置，以及测量所述气浮导轨单元的移动位置，基于所述测量单元的测量结果，所述控制系统控制所述气浮导轨单元能够在三维方向相应运动，所述气浮导轨单元包括X轴气浮导轨组、Y轴气浮导轨组和Z轴气浮导轨组，所述X、Y、Z轴气浮导轨组均包括相应轴向的导轨和滑枕以及驱动机构，所述导轨和滑枕之间均设有气浮轴承，所述气浮轴承在所述导轨和所述滑枕之间产生气膜，所述驱动机构驱动所述滑枕相对于所述导轨平稳往复滑动。
2.根据权利要求1所述的快速定位的增材制造设备，其特征在于，所述X轴向的驱动机构用于驱动所述Y轴气浮导轨组相对于所述基座沿X轴向往复滑动，所述Y轴向的驱动机构用于驱动所述Z轴气浮导轨组相对于所述基座沿Y轴向往复滑动，所述Z轴向的驱动机构用于驱动所述3D打印喷头相对于所述基座沿Z轴向往复滑动。
3.根据权利要求2所述的快速定位的增材制造设备，其特征在于，所述X、Y、Z轴气浮导轨组的驱动机构包括伺服电机、减速器和同步带轮的传动机构，所述控制系统控制相应轴向的所述伺服电机回转运动，所述伺服电机通过所述减速器驱动所述传动机构运动，所述传动机构的同步带驱动相应轴向的所述滑枕直线往复滑动。
4.根据权利要求3所述的快速定位的增材制造设备，其特征在于，所述测量单元包括测量头和光栅测距组件，所述测量头用于测量打印物体的空间位置，所述光栅测距组件用于测量所述X、Y、Z轴气浮导轨组的相应轴向移动位置。
5.根据权利要求4所述的快速定位的增材制造设备，其特征在于，所述控制系统与所述测量头和所述光栅测距组件均分别连接，并获取所述测量结果，所述控制系统基于所述测量结果，反馈并控制所述X、Y、Z轴向的相应伺服电机运动。
6.根据权利要求1-5任一项所述的快速定位的增材制造设备，其特征在于，所述3D打印喷头的空间移动速度范围为0-1200mm/s。
7.根据权利要求1-5任一项所述的快速定位的增材制造设备，其特征在于，所述基座的底部设有用于调整所述基座水平度的可调支撑。
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