CN108621413A - Fdm-3d打印机的挤出机分频寻址方法及组件 - Google Patents

Abstract

FDM‑3D打印机的挤出机分频寻址方法及组件，属于机械技术领域；采用挤出机总成或挤出头通过2套独立运动的2维或3维的寻址机构的位移叠加来完成寻址：即分频空间寻址的方法来克服大型机的挤出机总成驱动机构的惯量过大所带的震动巨大及驱动响应速度慢的缺陷：具体的讲：驱动系统2驱动承载着挤出机总成的组件平台完成大尺度的2或3维空间位移；而驱动系统1被安装在组件平台上且随着其一起运动，驱动系统1直接驱动挤出机总成完成小尺度的2维或3维空间运动，所以挤出机总成的空间位置是由2套运动系统的叠加而合成的；即：组件平台的空间位移+驱动系统2的位移；驱动系统1将承受小位移的高频分量运动，驱动系统2承受运动分解的低频部分的分量运动，将能极大的减少系统的震动及重量。

Description

FDM-3D打印机的挤出机分频寻址方法及组件

[技术领域]

本发明属于机械技术领域，确切的讲是一种改善大型FDM-3D打印机的高速 成型方法，即挤出机总成的3维分频位移模式及相应的组件。

[背景技术]

目前FDM-3D打印机的驱动挤出机的3维机械系统分为：机械臂3维位移 系统、皮带或丝杠驱动的(X、Y轴)2维机械传动+(Z轴)升降载物平台系 统、垂直3丝杠驱动(俗称：る方式)的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系 统等。

下面对这3种机械形式加以说明：

机械臂3维位移系统：

该系统类似于人类的手臂，在机器人技术中常见，通过转动3个甚至更多的 轴节就可以将挤出机的喷口直接运输到3维空间位置，达到挤出机空间寻址的目 的。

动力学特性评价：对于大尺度的空间来说，由于机械臂的长度较大，导致 回转半径较大，转动惯量就很大，这样机械寻址的加速度、速度将受到很大的限 制。

皮带或丝杠驱动的(X、Y轴)2维机械传动+(Z轴)升降载物平台系统：

该系统的有(X、Y轴)2维机械传动多种方式：在目前的FDM打印机中被 最为普遍的采用了；一种方式是使用1条皮带牵引着挤出机总成沿着X或Y方 向运动，构成1个1维运动组件，而再使用另1条皮带来运载着上述1维运动 组件沿着Y或X方向整体运动；另一种是使用2条正交的细长圆柱穿过承载挤 出机总成的支架构造体且可以自由滑动，2条皮带分别带动这2条细长圆柱沿着 X及Y的方向平动，可以将输送到XY平面的任何位置，也达到挤出机空间寻址 的目的。

动力学特性评价：对于大尺度的运动空间，Y轴运动需要携带整个X轴的 运动系统，惯量很大，且X、Y方向负担不一致，挤出机加速度、速度将受到很 大的限制；改进型设计往往将供料电机分离出挤出机总成以减轻重量；另一种 改进是将X、Y方向的驱动电机均分离出挤出机总成，使得X、Y方向的惯量负 担一致，改善挤出机总成的动力学响应能力。

垂直三丝杠驱动的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统：

该系统适合于打印较高的物件，3垂直丝杠驱动与其通过铰轴联接的3组连 杆联的末端，沿着Z轴方向独立位移，3个铰轴始终被强制约束且保持在与水平 面内平行的平面内，3组连杆联的另外一端(首端)也通过3个水平铰轴联接挤 出机总成，挤出机总成上的3个铰轴也始终保持在同一水平面内，每一组连杆的 平行是由平行四边形法则约束的；这样通过3垂直丝杠驱动3铰轴的Z轴位置， 就可以决定挤出机的任意3维空间位置，挤出机的挤出孔始终保持垂直方向。

动力学特性评价：比较而言该情况动力学响应能力最佳，但是精度不易于把 握。

关于FDM-3D打印机的其它通用技术简述如下：

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)快速成型工艺是将各种 丝材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加热熔化进而堆积成型方法，简称 FDM。大部分FDM快速成型技术可采用的成型材料很多，如改性后的石蜡、(丙 烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)、尼龙、橡胶等热塑性材料，以及多相混合 材料，如金属粉末、陶瓷粉末、短纤维等与热塑性材料的混合物。其中PLA(聚 乳酸)具有较低的收缩率，打印模型更容易塑形，以及可生物降解等优点。

基本工作原理如下：挤出机总成上的热熔喷头在计算机的控制下，根据产品 零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔 喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工 作台上，快速冷却后形成一层大约0.127—0.6mm厚的薄片轮廓。一层截面成型 完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓， 如此循环，最终形成三维产品零件。打印过程中，打印头在平面上的位移以及打 印平台上下位移会形成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打 印。在打印过程中，打印头完成一个平面上的打印任务后，打印平台自动下降一 层，打印头继续打印。循环往复直至成品的完成。在打印过程中，插入打印头的 线材会迅速融化，通过打印头挤出瞬间凝结。打印头温度较高，根据材料的不同 以及模型设计温度的不同，打印头的温度相对也不同。为了防止打印物体翘边等 问题的出现打印平台一般为加热，打印平台上一般覆盖粘贴纸以便于打印成品的 剥离。

其结构细节阐述为：

挤出机总成是FDM快速成型技术的核心的部件，大多数采用加热棒对铝块 进行间接加热法,将塑料丝通过挤出机总成的入口端挤入，再通过喉管导向，到 达铝块加热部位，经过熔化，进入喷嘴区域，最后由挤出孔挤出,融化后的塑料 丝在后续进丝的(活塞)压力的作用下从喷嘴挤出。

挤出机总成中的喉管由不锈钢制造，是为了降低其导热性能，不锈钢喉管有 些内部还衬有铁氟龙，由于挤出机总成长期加热打印致使吼管内部温度升高，导 致管内料也处在熔融状态，当停止打印冷却后，材料就黏结在管内，下次重新开 机打印时，管内黏着料不能马上融化，使喉管出现堵料现象，喉管内部衬铁氟 龙，使喉管内料都不会熔融黏着，能大大改善堵头问题。同时作者在挤出机总 成外加散热片和风扇，主要也是为了降低喉管上部的温度，防止堵头问题，也可 以为挤出机总成散热。加热熔化后的塑料丝由喷嘴挤到打印台上，如果为了减少 塑料因温度骤减而发生翘边和收缩等不良现象，作者可以将打印台做成加热床， 床内有热敏电阻与电路板相连，来控制加热床的温度，为了节约制作成本，作者就不使用加热床了；挤出机总成的所有构件：喉管、加热铝体、加热棒及温度传 感器等部件，。

单挤头相比较，双挤头采用两个挤出机总成并列排列，并将相对位置固定， 由于有两个喷头，双挤头的打印速度更快，打印效率也更高，双挤头安装在滑块 上，由滑块与导轨连接，由于其质量更大，运行时产生的惯性更大，对导轨的刚 度要求也更高，这样会降低打印的精度。位于挤出机总成最下端喷头的喷嘴直径 有四种类型：0.2mm，0.3mm，0.4mm，0.5mm，市场上应用最广的是0.4mm 的喷嘴，当然根据实际需要可以购买不同直径的喷嘴，这里值得提出注意的是， 选定好喷嘴直径后，也要在打印时软件中设置好相应的参数，如切片软件中的打 印层高、打印速度等，使打印的质量和精度更高。

热熔喷头携带挤出孔在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作 X-Y平面运动，快速冷却后形成一层大约0.127-0.50mm厚的薄片轮廓。一层截 面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截 面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。

近端送丝就是将挤出机总成安装在打印头上，材料由挤出机总成直接挤入喉 管，在铝块中融化由喷嘴喷出打印。这种安装方式由于挤出机总成与打印头一起 运动，打印头质量大，打印时惯性也大，容易使打印不精确，采用近端送丝对导 轨的刚度要求也比较高。而远端送丝是将挤出机总成安装在离挤出机总成较远位 置，驱动电机一般安装在打印机框架上，而不是安装在挤出机总成上，与近端送 丝相比较，远端送丝需要较大扭矩，才能将材料挤入打印头中。

电路部分包括：3D打印机电路部分在打印机中起的作用是控制整个打印过 程协调、有序、完整的运行。FDM型3D打印机一种典型电路部分主要包括 Arduino mega 2560主控板，Ramps 1.4拓展板以及步进电机驱动板。下面对它 们的基本参数和作用，作如下介绍。Arduino Mega 2560主控板Arduino Mega 2560主控板的微控制器为atmega2560，工作电压为5V，数字I/O引脚为54 个，模拟输入引脚为16个，每个I/O引脚的直流电流为50毫安，主控板是3D 打印机的大脑，负责控制整个打印机来完成特定的动作，如打印特定的文件等。 这里需要说明，拓展版给主控板供电的二级管不焊接，也就是需要单独给mega 2560主控板供电，直接使用USB 5V或通过电源接头供电。Arduino是一款便 捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(各种型号的Arduino板)和 软件(Arduino IDE)，它开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也 可依个人需要修改，它满足了不同人群创新创意的需要。3D打印机运行前，需 要在Arduino IDE中下载Marlin固件，根据需要修改固件中部分参数来满足打 印的要求。拓展板Ramps 1.4插在主控板上，通过插针与主控板相连，有了它 是为了更好的与其它硬件进行连接和控制，起到过渡桥梁的作用。拓展板需要接 两个12V电源，其中一个为11A，为加热床供电，另一个为5A，为挤出机、 各轴电机及风扇等元件供电，由于作者未使用加热床，只使用一个12V、5A电 源即可。Ramps 1.4拓展板上还有风扇输出与加热棒输出指示的LED，挤出机 总成与各轴电机均通过步进电机驱动板A4988由主控板控制，由于作者采用单 机头打印机，挤出机总成2电机接口不用安装A4988，位于拓展板右上角，有X、 Y、Z方向的限位开关，可以控制打印机每次工作时的原点。A4988步进电机驱 动板是用来连接步进电机的，从而实现主控板对步进电机的控制，实现XYZ轴 电机及挤出机总成的动作。A4988步进电机驱动板的特点是，它只有简单的步 进和方向控制接口，有5个不同的步进模式：全、半、1/4、1/8和1/16，可调 电位器可以调节最大电流输出，从而获得更高的步进率，有过热关闭电路、欠压 锁定、交叉电流保护的功能，以及接地短路保护和加载短路保护的作用。驱动板 通过引脚接插到拓展板中对应的接口上。

软件部分举例：前面作者已经知道，3D打印机软件部分包括上位机软件和 下位机软件两大部分，而每部分又有细分，通过软件的运行，作者才能实现主控 板对打印参数的设置及控制。一台3D打印机所有软件完整运行的过程如下：首 先，作者需要在电脑上的三维建模软件中完成零件的建模，如Solidworks、 UG、3D Max等三维软件，创建完3D模型以后将文件另存为STL格式，将STL 文件在切片软件Slic3r中打开，通过一系列的打印设置，进行切片产生代码，在 另一上位机软件Pronterface上将代码打开，并连接主板，主板上的下位机软件 为Marlin固件，运行前已提前进行参数设置，连接成功后，主板上的LED灯会 闪烁，待打印机上加热管加热，温度升至设定温度后开始打印。下面具体介绍一 下打印机的软件部分。下位机软件Marlin固件为自由软件，可以直接用来做软 件开发，而作者在3D打印机中使用Marlin固件时，只需要在Arduino IDE软件 中下载完固件，找到Marlin固件中的Configuration.h文件，可根据自己的需要 来修改相关的代码内容，作者研制的打印机需要做如下修改。

目前的技术缺陷：对于大型FDM-3D打印机来说，挤出机总成无论采取哪 一种空间寻址模式，其机械质量都是很大，驱动需要很大的动力，震动巨大，为 了保证足够的响应速度及精度以及安全性等因素，机体不得不十分笨重，不仅增 加了较大成本，成型速度的提升仍然十分困难。

[发明内容]

FDM-3D打印机基本构造与已有技术类同：

主要包括送料机构，运载挤出机总成的2维或3维(水平X轴Y轴运动及 垂直Z轴驱动)运动的机械装置，或挤出机总成的(Z轴方向)垂直方向保持 静止，由Z轴方向的运动由一个独立的载物平台的升降完成；还有保持上述运 动构建的结构壳体等；还有支持机械系统运动的电子控制系统等。

工作情况如下：在电子系统的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，挤出 机总成作X-Y平面运动，载物工作台调整高度，打印开始时工作台平面位于热 熔喷头喷口位置，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和 熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成 一层大约0.2—8mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度， 再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面及轮廓，如此循环，最终形成三维 产品零件。打印过程中，打印头在平面上的位移以及配合打印平台上下位移会形 成一个三维空间，打印头和打印平台根据生成的路径进行打印，打印头完成一个 平面上的打印任务后，打印平台自动下降一层，打印头继续打印，循环往复直至 成品的完成。

或者不使用Z轴电机驱动打印物件平台升降，打印物件平台保持Z轴方向 静止，使用Z轴电机驱动挤出机总成上下移动；或者利用3根垂直丝杠驱动3 个垂直移动的滑块，3个滑块都与挤出机总成进行铰轴链接，通过算法(3个 滑块的Z轴方向的位置坐标来决定挤出机总成的3维空间位置)而同样达到三 维位移寻址的目的。

本发明采用：挤出机总成是通过2套独立运动的2维或3维的寻址机构的 位移叠加来完成寻址：即分频空间寻址的方法来克服大型机的挤出机总成驱动机 构的惯量过大所带的震动巨大及驱动响应速度慢的缺陷：

结构特点是同时设有：驱动系统1及驱动系统2由来共同叠加驱动挤出机 总成。

具体的讲：驱动系统2驱动承载着挤出机总成的组件平台完成大尺度的2 或3维空间位移；而驱动系统1被安装在组件平台上且随着其一起运动，驱动 系统1直接驱动挤出机总成完成小尺度的2维或3维空间运动，所以挤出机总 成的空间位置是由2套运动系统的叠加而合成的；即：挤出机总成的位移量等 于组件平台的空间位移+驱动系统2的位移；驱动系统1将承受小位移的运动 分解的高频分量运动，驱动系统2承受大位移的运动分解的低频分量运动，这样 驱动系统1使得挤出机总成能作小范围2维平面或3维空间移动，且质量惯量 相对较小，可以做到快速响应(承受较大的速度及加速度)而不产生过大的震动；

对于挤出机的大尺度的空间移动，由驱动系统2来完成，机械尺寸也大，同 样质量(惯量)也很大，不适合于较大的加速度，将承受运动分解的低频部分的 分量运动，总之：由于挤出机总成的直接驱动系统1的惯量相对于驱动系统2 的惯量很小，将承受运动分解的高频部分的分量运动，也就是加速度较大的分运 动，适用于局部变方向变化较为频繁的弯折路径的运动分量的完成；而驱动系统 2不仅承载着驱动系统1，而且运动尺度较大，仅仅适合于较小加速度分量运动， 不适用于方向变化较为频繁的运动分量，仅仅完成铺设路径的大致方向的光滑轨 迹分量。

无论是驱动系统1还是驱动系统2，都可以是已知的常规机械2维或3维的 位移寻址系统：他们是：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的(X、Y轴) 2维机械传动+(Z轴)升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动(俗称：る方式) 的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统等。

总之：FDM-3D打印机的挤出机分频寻址方法的详细表述为：组件平台作为 联接驱动系统1与驱动系统2的中间媒介组件；驱动系统2是以整机的整体结 构框架为依托，安装在整机的固定结构之上，驱动完成大尺度下的2维或3维的 空间寻址动作；是相对于整机的固定框架为参照系来空间寻址的；而驱动系统1 是以运动的组件平台为依托，安装在相对运动结构之上，驱动完成小尺度之下的 2维或3维的空间寻址动作；

在任意时刻下：挤出机喷口的速度及位置的算法为：

挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝组件平台(1)相对于机器固定结构参照 系的空间位置坐标+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台(1)的运动参照系 的空间位置坐标。

挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝组件平台(1)相对于机器固定结构参 照系的运动速度+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台(1)的运动参照系的 相对运动速度。

使用驱动系统1与驱动系统2的科学表述为：

挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝驱动系统2相对于静止坐标系驱动组件 平台的空间位移数值+驱动系统1相对于组件平台这一运动坐标系驱动挤出机 的热熔喷头喷口的空间位移数值；即：2个空间位移的矢量和。

挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝驱动系统2相对于静止坐标系驱动组 件平台的速度矢量数值+驱动系统1相对于组件平台这一运动坐标系驱动挤出 机的热熔喷头喷口的速度矢量数值；即：2个速度矢量的矢量和。

该方法详细阐述为：FDM-3D打印机的挤出机分频寻址方法；构成该 FDM-3D打印机主要构造包括：送料机构、运载挤出机总成的2维或3维运动 的机械装置、载物平台、保持上述运动构建的结构壳体及支持机械系统运动的电 子控制系统；而运载挤出机总成的2维或3维运动的机械装置包括：驱动系统2、 驱动系统1及承载着驱动系统1的组件平台；主要工作过程如下：在电子控制 系统的控制下，根据预先存储好的产品零件的切层截面信息，在驱动系统2及驱 动系统1的共同驱动下，挤出机总成按切层截面信息单纯作X-Y平面运动或在 完成1层切层的铺设后作升高1层高度的Z轴方向的位移；通过供料挤压的作 用，热熔喷头喷口在载物平台上逐层铺设熔融物料，快速冷却后形成一层 0.1—28mm厚的薄片；一层又一层，循环往复直至成品的完成；挤出机总成是 通过2套独立运动的2维或3维的寻址机构的位移叠加来完成空间寻址的：即 分频空间寻址；该2套独立运动的2维或3维的寻址机构指的是：驱动系统1 及驱动系统2由来共同叠加驱动挤出机总成；具体细节为：驱动系统2驱动承 载着挤出机总成的组件平台完成大尺度的2或3维空间位移；而驱动系统1被 安装在组件平台上，且随着组件平台一起运动，驱动系统1直接驱动挤出机总成 完成小尺度的2维或3维空间运动，所以挤出机总成的空间位置是由2套运动 系统的叠加而合成的；由机械尺寸及惯量小的驱动系统1使得挤出机总成能作 小范围2维平面或3维空间移动，可以做到快速响应，将承受运动分解的高频 部分的分量运动，也就是加速度较大的分运动，适用于局部变方向变化较为频繁 的弯折路径的运动分量的完成；而由机械尺寸大惯量也大的驱动系统2来完成大 尺度的空间移动，将承受运动分解的低频部分的分量运动，仅仅适合于较小加 速度分量运动，不适用于方向变化较为频繁的运动分量，仅仅完成铺设路径的大致方向的光滑轨迹分量；无论是驱动系统1还是驱动系统2，都是已知的常规机 械2维或3维的位移寻址系统：他们是：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动 的X、Y轴2维机械传动+Z轴升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动的使用连杆 联接挤出机平台的位移驱动系统。

其根本的技术特征就是：在FDM-3D打印机挤出机运行中采用了的分频寻址 方法，即：组件平台作为联接驱动系统1与驱动系统2的中间媒介组件；驱动 系统2是以整机的整体结构框架为依托，安装在整机的固定结构之上，驱动完成 大尺度下的2维或3维的空间寻址动作；是相对于整机的固定框架为参照系来空 间寻址的；而驱动系统1是以运动的组件平台为依托，安装在组件平台这一相对 运动结构之上，驱动完成小尺度之下的2维或3维的空间寻址动作；在任意时刻 下：挤出机喷口的运动速度及位置的算法为：挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝ 组件平台相对于机器固定结构参照系的空间位置坐标+挤出机的热熔喷头喷口 相对于组件平台的运动参照系的空间位置坐标；挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝组件平台相对于机器固定结构参照系的运动速度+挤出机的热熔喷头 喷口相对于组件平台的运动参照系的相对运动速度；另一种表述为：使用驱动 系统1与驱动系统2的科学表述为：挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝驱动系 统2相对于静止坐标系驱动组件平台的空间位移数值+驱动系统1相对于组件 平台这一运动坐标系驱动挤出机的热熔喷头喷口的空间位移数值；即：2个空 间位移的矢量和；挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝驱动系统2相对于静止 坐标系驱动组件平台的速度矢量数值+驱动系统1相对于组件平台这一运动坐 标系驱动挤出机的热熔喷头喷口的速度矢量数值；即：2个速度矢量的矢量和； 将挤出机的复杂运动分解为低频分量及高频分量，驱动系统1将承受小位移的 运动分解的高频分量运动，驱动系统2承受大位移的运动分解的低频分量运动。

[附图说明]

以下结合附图就较佳实施例对本发明作进一步说明：

图1FDM--3D打印机的挤出机分频寻址方法示意图。

图2一种使用分频寻址方法的挤出平台构造示意图。

标号说明：

(1)组件平台

(2)热熔喷头

(3)大转臂

(4)小转臂

(5)加热铝块

(6)小臂转轴轴线

(7)大臂转轴轴线

(8)送料机构

(9)远程供料软管

(10)成型物件

(12)高频运动分量

(13)低频运动分量

(14)真实运动轨迹

(19)打印物件平台

(20)，(21)导向柱

(22)X轴导轨

(24)y轴滑块

(23)Y轴导轨

(30)丝杠

[实施例证]

如图1所示：

将3D成型时的挤出机热熔喷头喷口完成2维平面切片的真实运动轨迹(14) 分解成2个运动分量：低频运动分量(13)及高频运动分量(12)；其中低频运 动分量(13)较为平滑，为挤出机及其喷口的滤去急剧方向变化后的运动轨迹， 沿着该轨迹匀速运动将有着较小的加速度，较大的运动尺度；高频运动分量 (12)；是对应弯折变向的分量部分，有着较小的加速度。

算法和获得方法：在任意时刻下(如图2中说明)：

挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝组件平台(1)相对于机器固定结构参照 系的空间位置坐标+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台(1)的运动参照系 的空间位置坐标。

挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝组件平台(1)相对于机器固定结构参 照系的运动速度+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台(1)的运动参照系的 相对运动速度。

如图2所示：

图中是一种，小位移由机械臂的2维位移系统完成，大位移由直线导轨及滑 块的2维位移系统来完成，Z轴的垂直运动由升降平台来完成。

是FDM3打印机挤出机总成3维寻址的基本构造，用于支撑所有组件的结 构壳体及电控部分与本技术关系不大，未被画出。

组件平台(1)承载着送料机构(8)及驱动系统1，而驱动系统1主要包括：大 转臂(3)、小转臂(4)及由加热铝块(5)、热熔喷头(2)所构成的挤出机总成；由远 程供料软管(9)完成由送料机构(8)向热熔喷头(2)进行物料的输送，是将液态、 颗粒粉状或丝状的固体材料通过挤压输送来完成输送，挤压是通过蜗杆传输、齿 轮传输、活塞挤压及气体压力来完成；热熔喷头(2)的寻址是通过：大转臂(3) 绕着大臂转轴轴线(7)转动再叠加小转臂(4)绕着小臂转轴轴线(6)的转动复合运 动来完成的，大臂转轴轴线(7)及小臂转轴轴线(6)都是与垂直轴Z轴平行，加 热铝块(5)使得热熔喷头(2)受热，熔融物料由喷口挤出；

驱动系统2是完成对组件平台(1)的驱动的，使得其沿着水平面位移，具体 来讲：组件平台(1)是被电机直接驱动或皮带间接拖动下，并在X轴导轨(22)的 约束下沿着X轴方向往复运动，驱动电机是放置在组件平台(1)上通过驱动齿轮 齿合一条沿着X方向放置的固定齿条或蜗杆来完成，或通过与X轴导轨(22)相 对固定安装的驱动电机驱动皮带或蜗杆来完成的；y轴滑块(24)在Y轴导轨(23) 的约束下携带着组件平台(1)及X轴导轨(22)及X轴驱动电机共同沿着X轴方向 位移，的驱动方式与X轴方向的驱动方式相同，由于它们一般电器机械专业 人员的熟知的公开的技术，在本文不再敷述；总之：驱动系统2主要包括y轴 滑块(24)在、Y轴导轨(23)及X轴导轨(22)包括其所约束携带的组件平台(1)；

成型物件(10)成型在打印物件平台(19)上，在导向柱(20)，(21)的约束下， 由丝杠(30)来驱动，驱动丝杠(30)的电机是固定安装的未被画出；

另外容易看出：由驱动系统1产生的3维寻址范围远远小于驱动系统2产 生的3维寻址范围；而驱动系统1的质量数值远远小于驱动系统2的，2项因素 共同作用，使得驱动系统1的加速度的承受力远远超过驱动系统2的加速度的 承受力！

驱动系统1动平衡的深度改良方法：可以在X、Y方向采用反向运动的配重 的动平衡块；采用丝杠驱动挤出机总成时，可以采用在延长的丝杠部分加工反 向螺旋的螺纹来驱动配重滑块与挤出机总成动平衡；对于皮带情况，只需要在 皮带的反向运动的一侧，牵引配重滑块与挤出机总成动平衡。

Claims (2)

1.FDM-3D打印机的挤出机分频寻址方法；构成该FDM-3D打印机主要构造包括：送料机构、运载挤出机总成的2维或3维运动的机械装置、载物平台、保持上述运动构建的结构壳体及支持机械系统运动的电子控制系统；而运载挤出机总成的2维或3维运动的机械装置包括：驱动系统2、驱动系统1及承载着驱动系统1的组件平台；主要工作过程如下：在电子控制系统的控制下，根据预先存储好的产品零件的切层截面信息，在驱动系统2及驱动系统1的共同驱动下，挤出机总成按切层截面信息单纯作X-Y平面运动或在完成1层切层的铺设后作升高1层高度的Z轴方向的位移；通过供料挤压的作用，热熔喷头喷口在载物平台上逐层铺设熔融物料，快速冷却后形成一层0.1—28mm厚的薄片；一层又一层，循环往复直至成品的完成；挤出机总成是通过2套独立运动的2维或3维的寻址机构的位移叠加来完成空间寻址的：即分频空间寻址；该2套独立运动的2维或3维的寻址机构指的是：驱动系统1及驱动系统2由来共同叠加驱动挤出机总成；具体细节为：驱动系统2驱动承载着挤出机总成的组件平台完成大尺度的2或3维空间位移；而驱动系统1被安装在组件平台上，且随着组件平台一起运动，驱动系统1直接驱动挤出机总成完成小尺度的2维或3维空间运动，所以挤出机总成的空间位置是由2套运动系统的叠加而合成的；由机械尺寸及惯量小的驱动系统1使得挤出机总成能作小范围2维平面或3维空间移动，可以做到快速响应，将承受运动分解的高频部分的分量运动，也就是加速度较大的分运动，适用于局部变方向变化较为频繁的弯折路径的运动分量的完成；而由机械尺寸大惯量也大的驱动系统2来完成大尺度的空间移动，将承受运动分解的低频部分的分量运动，仅仅适合于较小加速度分量运动，不适用于方向变化较为频繁的运动分量，仅仅完成铺设路径的大致方向的光滑轨迹分量；无论是驱动系统1还是驱动系统2，都是已知的常规机械2维或3维的位移寻址系统：他们是：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的X、Y轴2维机械传动+Z轴升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统；其特征就在于：在FDM-3D打印机挤出机运行中采用了的分频寻址方法，即：组件平台作为联接驱动系统1与驱动系统2的中间媒介组件；驱动系统2是以整机的整体结构框架为依托，安装在整机的固定结构之上，驱动完成大尺度下的2维或3维的空间寻址动作；是相对于整机的固定框架为参照系来空间寻址的；而驱动系统1是以运动的组件平台为依托，安装在组件平台这一相对运动结构之上，驱动完成小尺度之下的2维或3维的空间寻址动作；在任意时刻下：挤出机喷口的运动速度及位置的算法为：挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝组件平台相对于机器固定结构参照系的空间位置坐标+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台的运动参照系的空间位置坐标；挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝组件平台相对于机器固定结构参照系的运动速度+挤出机的热熔喷头喷口相对于组件平台的运动参照系的相对运动速度；另一种表述为：使用驱动系统1与驱动系统2的科学表述为：挤出机的热熔喷头喷口空间位置＝驱动系统2相对于静止坐标系驱动组件平台的空间位移数值+驱动系统1相对于组件平台这一运动坐标系驱动挤出机的热熔喷头喷口的空间位移数值；即：2个空间位移的矢量和；挤出机的热熔喷头喷口的运动速度＝驱动系统2相对于静止坐标系驱动组件平台的速度矢量数值+驱动系统1相对于组件平台这一运动坐标系驱动挤出机的热熔喷头喷口的速度矢量数值；即：2个速度矢量的矢量和；将挤出机的复杂运动分解为低频分量及高频分量，驱动系统1将承受小位移的运动分解的高频分量运动，驱动系统2承受大位移的运动分解的低频分量运动。

2.挤出机分频寻址的FDM-3D打印机；构成该FDM-3D打印机主要构造包括：送料机构、运载挤出机总成的2维或3维运动的机械装置、载物平台、保持上述运动构建的结构壳体及支持机械系统运动的电子控制系统；而运载挤出机总成的2维或3维运动的机械装置包括：驱动系统2、驱动系统1及承载着驱动系统1的组件平台；工作过程如下：在电子控制系统的控制下，根据预先存储好的产品零件的切层截面信息，在驱动系统2及驱动系统1的共同驱动作用下，挤出机总成按切层截面信息作X-Y平面运动，通过挤压作用，热熔喷头喷口在载物平台上逐层铺设熔融物料，快速冷却后形成一层0.1—28mm厚的薄片；一层又一层，循环往复直至成品的完成；挤出机总成是通过2套独立运动的2维或3维的寻址机构的位移叠加来完成寻址：即分频空间寻址；该2套独立运动的2维或3维的寻址机构指的是：驱动系统1及驱动系统2由来共同叠加驱动挤出机总成；具体的讲：驱动系统2驱动承载着挤出机总成的组件平台完成大尺度的2或3维空间位移；而驱动系统1被安装在组件平台上且随着其一起运动，驱动系统1直接驱动挤出机总成完成小尺度的2维或3维空间运动，所以挤出机总成的空间位置是由2套运动系统的叠加而合成的；这样驱动系统1使得挤出机总成能作小范围2维平面或3维空间移动，且质量惯量相对较小，可以做到快速响应；对于挤出机的大尺度的空间移动，由驱动系统2来完成，机械尺寸也大，同样质量也很大，不适合于较大的加速度，将承受运动分解的低频部分的分量运动，总之：由于挤出机总成的直接驱动系统1的惯量相对于驱动系统2的惯量很小，将承受运动分解的高频部分的分量运动，也就是加速度较大的分运动，适用于局部变方向变化较为频繁的弯折路径的运动分量的完成；而驱动系统2不仅承载着驱动系统1，而且运动尺度较大，仅仅适合于较小加速度分量运动，不适用于方向变化较为频繁的运动分量，仅仅完成铺设路径的大致方向的光滑轨迹分量；无论是驱动系统1还是驱动系统2，都可以是已知的常规机械2维或3维的位移寻址系统：他们是：机械臂3维位移系统、皮带或丝杠驱动的X、Y轴2维机械传动+Z轴升降载物平台系统、垂直3丝杠驱动的使用连杆联接挤出机平台的位移驱动系统；其特征就在于：在FDM-3D打印机挤出机运行中采用了组件平台作为联接驱动系统1与驱动系统2的中间媒介组件；驱动系统2是以整机的整体结构框架为依托，安装在整机的固定结构之上，驱动完成大尺度下的2维或3维的空间寻址动作；是相对于整机的固定框架为参照系来空间寻址的；而驱动系统1是以运动的组件平台为依托，安装在相对运动结构之上，驱动完成小尺度之下的2维或3维的空间寻址动作；驱动系统1与驱动系统2的复合运行的方式采用了：FDM-3D打印机的挤出机分频寻址方法。