CN108481746A - 一种基于气浮原理的增材制造装备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于气浮原理的增材制造装备。该设备包括用于打印物体的3D打印喷头，以及驱动所述3D打印喷头在三维方向运动的三坐标测量系统，所述三坐标测量系统包括控制单元、气浮导轨单元和测量单元，所述测量单元用于测量打印物体的空间点的位置坐标以及所述三坐标轴的空间位置坐标，基于所述测量单元的测量结果，所述控制单元控制所述气浮导轨单元驱动所述3D打印喷头在三维方向运动。通过气浮导轨单元驱动3D打印喷头在三维方向运动，实现了无摩擦和无振动的平滑移动，消除了现有技术中因结构精度较低产生的运动误差，测量单元结合控制单元实现了自动测距与反馈调节，实现了3D打印时的精准定位，拓展了3D打印的应用范围。

Description

一种基于气浮原理的增材制造装备
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种基于气浮原理的增材制造装备。
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与丝母的直线导轨方式，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，行程范围较小且受结构限制，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。
气浮导轨是基于空气轴承的基本原理，能够实现无摩擦和无振动的平滑移动。它具有运动精度高、清洁无污染等特点。同时还具有误差均化作用，因而可用比较低的制造精度来获得较高的导向精度。
将气浮导轨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。满足了采用增材制造方式的大型零部件在高精度和大尺寸领域的要求。
因此，发明人创造性的提供了一种基于气浮原理的增材制造装备。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于气浮原理的增材制造装备，创造性的应用了增材制造技术和气浮导轨技术，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高精度的增材制造装备，该装备包括用于打印物体的3D打印喷头，以及驱动所述 3D打印喷头在三维方向运动的三坐标测量系统，所述三坐标测量系统包括控制单元、气浮导轨单元和测量单元，所述测量单元用于测量打印物体的空间点的位置坐标以及所述三坐标轴的空间位置坐标，基于所述测量单元的测量结果，所述控制单元控制所述气浮导轨单元驱动所述3D打印喷头在三维方向运动。
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，所述X轴气浮导轨组包括沿X向设置的定导轨和X向滑枕，所述定导轨固定在支撑立柱上，所述X向滑枕与所述定导轨之间设有X轴气浮轴承，使所述X向滑枕相对于所述定导轨平稳往复滑动。
结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述气浮导轨单元还包括Y轴气浮导轨组，所述Y轴气浮导轨组包括沿Y向设置的Y导轨和Y向滑枕，所述Y导轨与所述X向滑枕固定连接，所述Y向滑枕与所述Y导轨之间设有Y轴气浮轴承，使所述Y向滑枕相对于所述Y导轨平稳往复滑动。
结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述气浮导轨单元还包括Z轴气浮导轨组，所述Z轴气浮导轨组包括沿Z向设置的Z导轨和Z向滑枕，所述Z导轨与所述Y向滑枕固定连接，所述Z向滑枕与所述Z导轨之间设有Z轴气浮轴承，使所述Z向滑枕相对于所述Z导轨平稳往复滑动。所述3D打印喷头通过仪器安装轴安装在所述Z向滑枕上。
结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述仪器安装轴为中空结构，所述三坐标测量系统的控制线和所述3D打印喷头的打印耗材均可布置在所述中空结构中，所述仪器安装轴的底部用于安装所述3D打印喷头、加热机构和所述三坐标测量系统的测量头。
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3D打印喷头的送料结构设置在所述仪器安装轴的上部，用于将所述3D打印的打印耗材通过所述仪器安装轴送入所述3D打印喷头。
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X、Y和Z轴的气浮轴承均包括金属气垫块和球头螺杆，所述球头螺杆连接所述金属气垫块和相应的所述滑枕，所述金属气垫块在所述滑枕与相应的所述导轨之间产生气膜。
结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述气膜的厚度为5μm-15μm之间。
结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，在所述X、Y和Z轴的气浮导轨组均设有相应轴向的所述控制单元，所述控制单元包括控制系统、电机、齿轮齿条副的传动机构、同步带轮减速器，所述控制系统控制相应轴向的所述电机回转运动，所述电机通过所述减速机驱动所述传动机构运动，所述电机的回转运动转化为所述传动机构的直齿条的直线运动，所述直齿条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，在第九种可能的实现方式中，所述测量单元包括所述测量头和光栅测距组件，所述控制系统通过所述测量头测量打印物体的空间点的位置坐标，在所述X、Y和Z轴的气浮导轨组均设有相应轴向的所述光栅测距组件，所述光栅测距组件包括光栅尺和读数头，所述光栅尺固设在所述直齿条上，所述读数头固设在相应轴向的所述滑枕上，所述控制系统通过所述读数头测量所述X、Y和Z轴的三坐标轴空间位置坐标，所述控制系统基于测量结果，反馈并控制相应轴向的所述电机运动。
综上，本发明提供的一种基于气浮原理的增材制造装备，通过采用气浮导轨单元驱动3D打印喷头在三维方向运动，能够实现无摩擦和无振动的平滑移动，减小了现有技术中的运动误差，从而能够使增材制造装备进行精准定位，同时测量单元结合控制单元实现了自动测距与反馈调节，实现了3D打印时的精准定位，能根据实际打印要求进行不同行程范围内的操作，本发明兼备了增材制造技术以及三坐标测量技术，两者可以协同作用，实现智能定位打印，也可以单独发挥作用实现相应需求的操作，拓展了3D打印的应用范围。
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基于气浮原理的增材制造装备的总体结构示意图。
图2是本发明实施例的气浮导轨组的结构示意图。
图3是本发明实施例的X轴气浮导轨组的控制单元的结构示意图。
图4是本发明实施例的测量单元的结构示意图。
图中：
1-定导轨；2-X向滑枕；3-Y导轨；4-打印耗材；5-送料结构；6- Y向滑枕；7-Z导轨；8- Z向滑枕；9-3D打印喷头；10-支撑立柱；11-金属气垫块；12-球头螺杆；13-X轴气浮轴承；14-Y轴气浮轴承；15-Z轴气浮轴承；16-伺服电机；17-二级同步带轮减速机构；18-齿轮齿条传动副；19-消隙齿轮机构；20-读数头；21-光栅尺；22-仪器安装轴。
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。
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。三坐标测量机是基于坐标测量技术的一种高效率精密测量仪器。因此，将三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。
图1是本发明的一种高精度的增材制造装备，如图1所示，本发明的装备包括用于打印物体的3D打印喷头9，以及驱动该 3D打印喷头9在三维方向运动的三坐标测量系统，三坐标测量系统包括控制单元、气浮导轨单元和测量单元，测量单元用于测量打印物体的空间点的位置坐标以及三坐标轴的空间位置坐标，基于该测量单元的测量结果，控制单元控制气浮导轨单元驱动3D打印喷头在三维方向运动。
图2是本发明实施例的气浮导轨组的机构示意图。
结合图1和图2所示，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。其中， X轴气浮导轨组包括沿X向设置的定导轨1和X向滑枕2，定导轨1固定在支撑立柱10上， X向滑枕2与定导轨1之间设有X轴气浮轴承13，使X向滑枕2相对于定导轨1非接触的平稳往复运动。
Y轴气浮导轨组包括沿Y向设置的Y导轨3和Y向滑枕6， Y导轨3与X向滑枕2固定连接，Y向滑枕6与Y导轨3之间设有Y轴气浮轴承14，使Y向滑枕6相对于Y导轨3平稳往复滑动。
Z轴气浮导轨组包括沿Z向设置的Z导轨7和Z向滑枕8，Z导轨7与Y向滑枕6固定连接， Z向滑枕8与Z导轨7之间设有Z轴气浮轴承15，使Z向滑枕8相对于Z导轨7平稳往复滑动。将3D打印喷头9通过仪器安装轴22安装在Z向滑枕8上。
仪器安装轴22为中空结构，3D打印喷头9的送料结构5设置在仪器安装轴22的上端部，用于将所述3D打印的打印耗材4通过仪器安装轴22送入3D打印喷头9。三坐标测量系统的控制线和3D打印喷头9的打印耗材4均可布置在该中空结构中，仪器安装轴22的底部可用于安装该3D打印喷头9、加热机构和三坐标测量系统的测量头。
X、Y和Z轴的气浮轴承（13、14、15）均包括金属气垫块11和球头螺杆12，球头螺杆12连接金属气垫块11和相应的滑枕（2、6、8），金属气垫块11在滑枕与相应的导轨之间产生厚度为5μm-15μm的气膜。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。
在X、Y和Z轴的气浮导轨组均设有相应轴向的控制单元，控制单元包括控制系统、电机、齿轮齿条副的传动机构、同步带轮减速器，控制系统控制相应轴向的电机回转运动，该电机通过减速机驱动传动机构运动，电机的回转运动转化为传动机构的直齿条的直线运动，直齿条驱动相应轴向的滑枕直线往复滑动。
图3是本发明同步带张紧力的测量设备的实施例的结构示意图。如图3所示，以X轴气浮导轨组的控制单元为例，气浮导轨组采用齿轮齿条副的传动方式，减速器为二级同步带轮减速机构17与消隙齿轮机构19，伺服电机16通过二级同步带轮减速机构17带动齿轮轴旋转，通过齿轮轴与直齿条的啮合组成齿轮齿条传动副18，使伺服电机16的回转运动转换为直线运动，从而带动X向滑枕2沿X导轨1滑动。
图4是本发明实施例的测量单元的结构示意图。如图4所示，本发明的测量单元包括测量头和光栅测距组件，控制系统通过测量头测量打印物体的空间点的位置坐标，在X、Y和Z轴的气浮导轨组均设有相应轴向的光栅测距组件，光栅测距组件包括读数头20和光栅尺21，光栅尺21固设在直齿条上，读数头20固设在相应轴向的滑枕上，控制系统通过读数头20测量X、Y和Z轴的三坐标轴空间位置坐标，控制系统基于测量结果，反馈并控制相应轴向的电机运动，形成了三轴各自的闭环控制，实现了三轴的高精度运动及定位功能。
本发明通过采用气浮导轨单元驱动3D打印喷头在三维方向运动，能够实现无摩擦和无振动的平滑移动，较小了现有技术中因结构精度较低产生的运动误差，从而能够使增材制造装备进行精准定位，同时测量单元结合控制单元实现了自动测距与反馈调节，进一步实现了3D打印时的精准定位，能根据实际打印要求进行不同行程范围内的操作。并且，本发明兼备了增材制造技术以及三坐标测量技术，两者可以协同作用，实现智能定位打印，也可以单独发挥作用实现相应需求的操作，拓展了3D打印的应用范围。
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 (10)

1.一种基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，包括用于打印物体的3D打印喷头，以及驱动所述 3D打印喷头在三维方向运动的三坐标测量系统，所述三坐标测量系统包括控制单元、气浮导轨单元和测量单元，所述测量单元用于测量打印物体的空间点的位置坐标以及所述三坐标轴的空间位置坐标，基于所述测量单元的测量结果，所述控制单元用于控制所述气浮导轨单元驱动所述3D打印喷头在三维方向运动。
2.根据权利要求1所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，所述气浮导轨单元包括X轴气浮导轨组，所述X轴气浮导轨组包括沿X向设置的定导轨和X向滑枕，所述定导轨固定在支撑立柱上，所述X向滑枕与所述定导轨之间设有X轴气浮轴承，使所述X向滑枕相对于所述定导轨平稳往复滑动。
3.根据权利要求2所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，所述气浮导轨单元还包括Y轴气浮导轨组，所述Y轴气浮导轨组包括沿Y向设置的Y导轨和Y向滑枕，所述Y导轨与所述X向滑枕固定连接，所述Y向滑枕与所述Y导轨之间设有Y轴气浮轴承，使所述Y向滑枕相对于所述Y导轨平稳往复滑动。
4.根据权利要求3所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，所述气浮导轨单元还包括Z轴气浮导轨组，所述Z轴气浮导轨组包括沿Z向设置的Z导轨和Z向滑枕，所述Z导轨与所述Y向滑枕固定连接，所述Z向滑枕与所述Z导轨之间设有Z轴气浮轴承，使所述Z向滑枕相对于所述Z导轨平稳往复滑动；所述3D打印喷头通过仪器安装轴安装在所述Z向滑枕上。
5.根据权利要求4所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，所述仪器安装轴为中空结构，所述三坐标测量系统的控制线和所述3D打印喷头的打印耗材均可布置在所述中空结构中，所述仪器安装轴的底部用于安装所述3D打印喷头、加热机构和所述三坐标测量系统的测量头。
6.根据权利要求5所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，所述3D打印喷头的送料结构设置在所述仪器安装轴的上部，用于将所述3D打印的打印耗材通过所述仪器安装轴送入所述3D打印喷头。
7.根据权利要求4所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，所述X、Y和Z轴的气浮轴承均包括金属气垫块和球头螺杆，所述球头螺杆连接所述金属气垫块和相应的所述滑枕，所述金属气垫块在所述滑枕与相应的所述导轨之间产生气膜。
8.根据权利要求7所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，所述气膜的厚度为5μm-15μm之间。
9.根据权利要求5所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，在所述X、Y和Z轴的气浮导轨组均设有相应轴向的所述控制单元，所述控制单元包括控制系统、电机、齿轮齿条副的传动机构、同步带轮减速器，所述控制系统控制相应轴向的所述电机回转运动，所述电机通过所述减速机驱动所述传动机构运动，所述电机的回转运动转化为所述传动机构的直齿条的直线运动，所述直齿条驱动相应轴向的所述滑枕直线往复滑动。
10.根据权利要求9所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，所述测量单元包括所述测量头和光栅测距组件，所述控制系统通过所述测量头测量打印物体的空间点的位置坐标，在所述X、Y和Z轴的气浮导轨组均设有相应轴向的所述光栅测距组件，所述光栅测距组件包括光栅尺和读数头，所述光栅尺固设在所述直齿条上，所述读数头固设在相应轴向的所述滑枕上，所述控制系统通过所述读数头测量所述X、Y和Z轴的三坐标轴空间位置坐标，所述控制系统基于测量结果，反馈并控制相应轴向的所述电机运动。
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