CN108973124B - 一种三角洲式五自由度3d打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种三角洲式五自由度3D打印机，属于数字化加工技术领域。用于解决工件设计工程中悬臂以及空心结构造成的重力限制问题，并且可以直接打印自由曲面结构，提高打印件的质量以及3D打印的效率。本发明由喷头运动机构采用三组并联杆机构在步进电机和同步带作用下形成XYZ三个方向的运动，同时打印平台运动机构为打印平台提供了绕X轴和/或Y轴翻转的运动，形成具有五个自由度的，打印过程中可以通过控制平台倾斜从而达到减少或消除某些设计工件内对于加工过程中不利于后期处理的支撑材料或者支撑结构，提高了打印精度和打印效率。
Description
技术领域
本发明属于数字化加工技术领域。
背景技术
3D打印是一种以数字化三维模型为基础，通过对数字化三维模型进行切片处理，利用熔融沉积挤出技术、激光烧结技术或者光固化烧结技术逐层打印的方式来完成实物物体的制作。
当前现有的3D打印机，为了克服重力影响，在对有悬臂以及空腔的部件进行打印时都需要用光敏树脂材料或特殊材质进行支撑处理。所以一些有悬臂以及中空的结构又不允许添加内部支撑结构的打印件用3D打印就无法制作。对于曲面结构试件进行3D打印制造，当前3D打印机打印曲面过程十分繁琐，需要将打印模型摆放特殊位置、将已打印件倾斜或者增加支撑结构。
发明内容
本发明提出了一种三角洲式五自由度3D打印机，用于解决工件设计工程中悬臂以及空心结构造成的重力限制问题，并且可以直接打印自由曲面结构，提高打印件的质量以及3D打印的效率。
所述的三角洲式五自由度3D打印机，主要包括：机体框架、打印平台运动机构、喷头运动机构、喷头6和打印平台5；
所述机体框架由光杠14、铝型材支架15、铝型材18和基座19共同组成；所述基座19和铝型材支架15组成三棱柱形机体框架，其中，基座19的数量为六个，分别位于机体框架上下底面两个三角形的顶点，下底面三个基座19与铝型材18连接构成三角形底座，上底面三个基座19与铝型材18连接构成三角形顶部；三角形顶部和三角形底座的基座19相互对应，上下两个基座19之间通过铝型材支架15连接固定；所述光杠14的数量有六条，光杠14固定于上下两个基座19之间，并平行于竖直的铝型材支架15，每根铝型材支架15两侧均固定有一条光杠14；
所述的打印平台运动机构主要由工作平台支撑杆20、电推杆、虎克铰4和打印平台底座17组成；打印平台5通过虎克铰4固定在工作平台支撑杆20上，在打印平台5的X轴和Y轴方向（打印平面的XY轴方向：打印机打印平台5在初始位置为水平，与地面平行，Y轴为底座三角形的一条高的方向，取三角形的重心为坐标原点O，则过坐标原点O与Y轴垂直的方向为X轴方向）边缘分别通过虎克铰4连接了电推杆，两组电推杆分别沿X轴和Y轴方向，并且与Z轴方向倾斜安装在打印平台底座17和打印平台5之间，电推杆下部与打印平台底座17之间通过球较21连接；
所述的电推杆由步进电机Ⅰ1、推杆筒2、推杆3组成，步进电机Ⅰ1为电推杆结构提供动力，使推杆3在推杆筒2中做直线运动，X轴方向电推杆的伸缩往复运动，在虎克铰4和打印平台5连接的虎克铰的共同约束作用下，可以转化成打印平台5围绕Y轴转动；Y轴方向电推杆的伸缩往复运动，在虎克铰4和打印平台5连接的虎克铰的共同约束作用下，可以转化成打印平台5围绕X轴转动。
所述的喷头运动机构由喷头支撑杆7、夹具块8、滑块9、同步带轮10、步进电机座11、步进电机Ⅱ12、同步齿形带13、和限位开关16；机体框架顶部三角形顶点所对应的基座19上分别固定有一个步进电机座11，所述的步进电机Ⅱ12数量为三个，分别固定在一个步进电机座11上；夹具块8的数量为三个，分别位于机体框架的每一侧的上部；每一侧的夹具块8分别固定在一个滑块9上，滑块9套在两根光杠14之间，滑块9与光杠14接触处安装有直线轴承，使滑块9可以沿光杠14竖直运动；同步齿形带13一端固定在夹具块8上，依次缠绕步进电机Ⅱ12和同步带轮后另一端也固定在夹具块8上，喷头支撑杆7共六根，两两一组组成三组并联杆；每组并联杆一端通过转动副分别和三个夹具块8铰接，另一端通过转动副和喷头6铰接；限位开关16固定在光杠14上，位于滑块9运动行程的最下端。
本发明优选方式中还包括控制装置22，所述控制装置22通过控制步进电机Ⅱ12工作状态实现对打印机位置的控制；并且通过对喷头6以控制打印进度与打印速度的控制。
所述的控制装置22中主要包括控制板、拓展板和驱动装置。控制板作为整个控制系统的中心处理器，负责发出信号、反馈和处理传感器收集的信号；拓展板的使用为传感器的接口的插入提供了方便，方便连接多个传感器，增加了接口数量；驱动板主要是主控制板的驱动板和步进电机驱动板，主控制板的驱动板主要负责驱动控制板运行和计算；步进电机驱动板负责驱动步进电机进行启停以及各种作业运动。拓展板插在控制板上，拓展板上各接口连接各传感器及其他接线（包括驱动装置）；主控制板的驱动板直接连接电源和主控制板，步进电机驱动板直接连接步进电机。
本发明优选方式中还包括液晶显示屏23，所述液晶显示屏23与控制装置22连接，用于在打印机工作时显示打印进度与打印速度。
本发明优选方式中所述夹具块8上固定轴外表面有对于同步齿形带13的定位结构，可防止同步齿形带13在工作过程中从正面脱出。
本发明优选方式铝型材支架15通过铆接或者胶接固连在基座19的三角形底板上。
本发明的有益效果：
1、当打印工件结构设计过程中出现悬臂、空腔以及蜂窝结构时，打印过程中可以通过控制平台倾斜从而达到减少或消除某些设计工件内对于加工过程中不利于后期处理的支撑材料或者支撑结构，提高了打印精度和打印效率。
2、本发明可以通过改变工作平台倾斜角度一次性打印具有曲面结构，中空、蜂窝状结构的打印件。并且在打印部分具有弧度顶端打印件时，可以避免顶端拉丝不均匀或者发丝失败的现象。
3、本发明采用电推杆配虎克铰构成并联工作平台，通过三组虎克铰将打印平台5同打印平台5和电推杆链接，通过电推杆的伸缩运动使打印平台5的运动精密地围绕XY轴进行翻转倾斜运动，并且X、Y两个方向的翻转互不影响。巧妙的利用并联机构在精度和刚性方面的优势，且电推杆直线运动精度高稳定性好。
4、平台的翻转倾斜依赖于电推杆伸缩杆的直线运动，把平台的运动分解为两轴方向的运动，使平台控制更加精准无误。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2a是本发明的喷头的带传动结构下部示意图；
图2b是本发明的喷头的带传动结构上部示意图；
图3是本发明的翻转倾斜运动平台结构示意图。
以上附图中使用的标记如下：1-步进电机Ⅰ、2-推杆筒、3-推杆、4-虎克铰、5-打印平台、6-打印喷头、7-喷头支撑杆、8-夹具块、9-滑块、10-同步带轮、11-步进电机座、12-步进电机Ⅱ、13-同步齿形带、14-光杠、15-铝型材支架、16-限位开关、17-打印平台底座、18-铝型材、19-基座、20-打印平台支撑杆、21-球较、22-控制装置、23-液晶显示屏。
具体实施方式
下面以具体实施例的方式对本发明技术方案做进一步解释和说明。
实施例1
如图1、图2a和图2b所示，本实施例中一种三角洲式五自由度3D打印机，主要由机体框架，喷头6、喷头运动机构、打印运动机构和打印平台5组成；
所述机体框架由光杠14、铝型材支架15、铝型材18和基座19共同组成；所述基座19和铝型材支架15组成三棱柱形机体框架，其中，基座19的数量为六个，分别位于机体框架上下底面两个三角形的顶点，下底面三个基座19与铝型材18连接构成三角形底座，上底面三个基座19与铝型材18连接构成三角形顶部；三角形顶部和三角形底座的基座19相互对应，上下两个基座19之间通过铝型材支架15连接固定；所述光杠14的数量有六条，光杠14固定于上下两个基座19之间，并平行于竖直的铝型材支架15，每根铝型材支架15两侧均固定有一条光杠14；
平台运动机构包括步进电机Ⅰ1、推杆筒2、推杆3、虎克铰4共同组成；所述步进电机Ⅰ1、推杆筒2、推杆3共同组成电推杆结构：步进电机Ⅰ1作为电推杆的动力源，通过处理来自于控制装置22的信息，正反转动，通过惰轮机构转化为推杆3的直线运动；推杆筒2固定在电推杆的外壳上，推杆3在推杆筒2中做直线运动。电推杆共两组，分布在打印平台5的打印平面的XY轴两方向。电推杆下部通过球较21与打印平台底座17相连，上部通过虎克铰4与打印平台5相连；电推杆的伸缩直线运动轴线与竖直的铝型材支架15不平行，而是倾斜一定角度。打印平台底座17中心有凸起的打印平台支撑杆20，所述打印平台支撑杆20通过虎克铰与打印平台5连接，共同构成了可翻转倾斜3D打印平台并联结构。
如图3所示，打印平台运动机构采用并联机构实现打印平台5在X、Y轴方向转动，其工作原理是：打印平台5作为并联机构动平台，打印平台与两组分布在XY方向的电推杆通过虎克铰4连接；打印平台5且通过虎克铰连接打印平台支撑杆20，从而组成U-2SPU并联机构，从而该并联机构具有X、Y轴旋转的2个自由度。该部件的作用原理是：3D打印机框架作为该并联机构的静平台，在XY两轴分布的电推杆作为并联机构主动驱动关节，借助于U-2SPU并联机构正解解算得到打印平台5时时刻刻所需要的空间位姿、通过U-2SPU并联机构逆解解算在规划打印平台空间姿态下所需电推杆的位移信息，从而获取相应的控制参数。在得到相应控制参数后，由控制系统发送命令控制电推杆步进电机Ⅰ1驱动推杆3，推杆3移动副作为该并联机构中的主动驱动关节，在其具有指定位置时，将会确定打印平台的特定位姿从而满足运动需求。运动过程：X轴电推杆伸长，Y轴电推杆不动，打印平台5在三个虎克铰4的约束的作用下，围绕Y轴向上翻转，与水平夹角增大：X轴电推杆缩短，Y轴电推杆不动，打印平台5在三个虎克铰4的约束的作用下，围绕Y轴向下翻转，与水平夹角减小：Y轴电推杆伸长，X轴电推杆不动，打印平台5在三个虎克铰4的约束的作用下，围绕X轴向上翻转，与水平夹角增大：Y轴电推杆缩短，X轴电推杆不动，打印平台5在三个虎克铰4的约束的作用下，围绕X轴向下翻转，与水平夹角减小：另外，XY轴的翻转运动互不干涉，可以单独或者同时进行。
所述喷头结构为三角洲式打印机喷头结构，喷头结构通过转动副与6根喷头支撑杆7连接，喷头支撑杆7的另外一端插入夹具块8的凹槽中，六根喷头支撑杆7中每两条并联组成三组并联杆机构。
所述的喷头运动机构由喷头支撑杆7、夹具块8、滑块9、同步带轮10、步进电机座11、步进电机Ⅱ12、同步齿形带13、和限位开关16；机体框架顶部三角形顶点所对应的基座19上分别固定有一个步进电机座11，所述的步进电机Ⅱ12数量为三个，分别固定在一个步进电机座11上；夹具块8的数量为三个，分别位于机体框架的每一侧的上部；每一侧的夹具块8分别固定在一个滑块9上，滑块9套在两根光杠14之间，滑块9与光杠14接触处安装有直线轴承，使滑块9可以沿光杠14竖直运动；同步齿形带13一端固定在夹具块8上，依次缠绕步进电机Ⅱ12和同步带轮后另一端也固定在夹具块8上，喷头支撑杆7共六根，两两一组组成三组并联杆；每组并联杆一端通过转动副分别和三个夹具块8铰接，另一端通过转动副和喷头6铰接；限位开关16固定在光杠14上，位于滑块9运动行程的最下端。
喷头结构的X、Y、Z三个方向的平动具体的实施原理是：步进电机Ⅱ12带动同步齿形带13旋转，同步齿形带13绕在夹具块8上，夹具块8固连在滑块9上，这就将同步带13的旋转运动转化为滑块9的直线往复运动，夹具块8再带动喷头支撑杆7运动，喷头支撑杆7最终带动喷头结构实现X、Y、Z三个方向的平动。
该打印机还包括控制装置22，所述控制装置22通过控制步进电机Ⅰ1的工作状态实现对打印平台5位置的控制；并且通过对打印喷头6中挤出机步进电机的控制以控制打印进度。控制装置22中主要包括控制板、拓展板和驱动装置。控制板作为整个控制系统的中心处理器，负责发出信号、反馈和处理传感器收集的信号；拓展板的使用为传感器的接口的插入提供了方便，方便连接多个传感器，增加了接口数量；驱动板主要是主控制板的驱动板和步进电机驱动板，主控制板的驱动板主要负责驱动控制板运行和计算；步进电机驱动板负责驱动步进电机进行启停以及各种作业运动。
还包括液晶显示屏23，所述液晶显示屏23与控制装置22连接，用于在打印机工作时显示打印进度与打印速度。
Claims (3)
1.一种三角洲式五自由度3D打印机，主要包括：机体框架、打印平台运动机构、喷头运动机构、喷头（6）和打印平台（5）；其特征在于，
所述机体框架由光杠（14）、铝型材支架（15）、铝型材（18）和基座（19）共同组成；所述基座（19）和铝型材支架（15）组成三棱柱形机体框架，其中，基座（19）的数量为六个，分别位于机体框架上下底面两个三角形的顶点，下底面三个基座（19）与铝型材（18）连接构成三角形底座，上底面三个基座（19）与铝型材（18）连接构成三角形顶部；三角形顶部和三角形底座的基座（19）相互对应，上下两个基座（19）之间通过铝型材支架（15）连接固定；所述光杠（14）的数量有六条，光杠（14）固定于上下两个基座（19）之间，并平行于竖直的铝型材支架（15），每根铝型材支架（15）两侧均固定有一条光杠（14）；
所述的打印平台运动机构主要由工作平台支撑杆（20）、电推杆、虎克铰（4）和打印平台底座（17）组成；打印平台（5）通过虎克铰（4）固定在工作平台支撑杆（20）上，在打印平台（5）的X轴和Y轴方向边缘分别通过虎克铰（4）连接了电推杆，两组电推杆分别沿X轴和Y轴方向，并且与Z轴方向倾斜安装在打印平台底座（17）和打印平台（5）之间，电推杆下部与打印平台底座（17）之间通过球较（21）连接；
所述的电推杆由步进电机Ⅰ（1）、推杆筒（2）、推杆（3）组成，步进电机Ⅰ（1）为电推杆结构提供动力，使推杆（3）在推杆筒（2）中做直线运动，X轴方向电推杆的伸缩往复运动，在虎克铰（4）和打印平台（5）连接的虎克铰的共同约束作用下，可以转化成打印平台（5）围绕Y轴转动；Y轴方向电推杆的伸缩往复运动，在虎克铰（4）和打印平台（5）连接的虎克铰的共同约束作用下，可以转化成打印平台（5）围绕X轴转动；
所述的喷头运动机构由喷头支撑杆（7）、夹具块（8）、滑块（9）、同步带轮（10）、步进电机座（11）、步进电机Ⅱ（12）、同步齿形带（13）、和限位开关（16）；机体框架顶部三角形顶点所对应的基座（19）上分别固定有一个步进电机座（11），所述的步进电机Ⅱ（12）数量为三个，分别固定在一个步进电机座（11）上；夹具块（8）的数量为三个，分别位于机体框架的每一侧的上部；每一侧的夹具块（8）分别固定在一个滑块（9）上，滑块（9）套在两根光杠（14）之间，滑块（9）与光杠（14）接触处安装有直线轴承，使滑块（9）可以沿光杠（14）竖直运动；同步齿形带（13）一端固定在夹具块（8）上，依次缠绕步进电机Ⅱ（12）和同步带轮后另一端也固定在夹具块（8）上，喷头支撑杆（7）共六根，两两一组组成三组并联杆；每组并联杆一端通过转动副分别和三个夹具块（8）铰接，另一端通过转动副和喷头（6）铰接；限位开关（16）固定在光杠（14）上，位于滑块（9）运动行程的最下端；
该打印机还包括控制装置（22），所述控制装置（22）通过控制步进电机Ⅱ（12）工作状态实现对打印机位置的控制；并且通过对喷头（6）以控制打印进度与打印速度的控制；
所述的控制装置（22）中主要包括控制板、拓展板和驱动装置；控制板作为整个控制系统的中心处理器，负责发出信号、反馈和处理传感器收集的信号；拓展板用于为传感器提供接口；驱动板由主控制板的驱动板和步进电机驱动板，主控制板的驱动板主要负责驱动控制板运行和计算；步进电机驱动板负责驱动步进电机进行启停运动；拓展板安装在控制板上，拓展板上的接口用于连接传感器及接线；主控制板的驱动板直接连接电源和主控制板，步进电机驱动板直接连接步进电机；
该打印机还包括液晶显示屏（23），所述液晶显示屏（23）与控制装置（22）连接，用于在打印机工作时显示打印进度与打印速度。
2.根据权利要求1所述的三角洲式五自由度3D打印机，其特征在于，所述夹具块（8）上固定轴外表面有对于同步齿形带（13）的定位结构，可防止同步齿形带（13）在工作过程中从正面脱出。
3.根据权利要求1所述的三角洲式五自由度3D打印机，其特征在于，铝型材支架（15）通过铆接或者胶接固连在基座（19）的三角形底板上。
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