CN109263042A - 一种基于极坐标系下的3d打印装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于极坐标系下的3D打印装置及系统，涉及3D打印领域。该打印装置包括基座、打印平台、立柱、移动横梁、移动部以及打印喷嘴。打印平台和立柱均设置于基座上，移动横梁设置于立柱上，形成简支梁结构。打印喷嘴与移动部连接，且移动部设置于移动横梁上靠近打印平台的一侧。打印平台绕自身轴线的转动、打印喷嘴沿打印平台的径向移动以及移动横梁相对立柱的竖直运动协同实现了极坐标模式下的3D打印功能。该打印装置颠覆了传统采用正交坐标系模式的3D打印，尤其在打印旋转件上精度更高，效率更快。其打印部件的结构具有可重构性，打印尺寸范围调节灵活。整体上结构组成简单，且更具柔性，在打印区域形成开放式结构，方便被打印物取放。

Description

一种基于极坐标系下的3D打印装置及系统

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体而言，涉及一种基于极坐标系下的3D打印装置及系统。

背景技术

目前，3D打印机的工作结构大多采用空间正交型的机构，即其传统3D打印系统是基于笛卡尔坐标系来建立运动模式的，基于这种坐标系所设计的3D打印系统结构外形通常为立方体，占据的空间位置较大。

另外，当下出现的基于极坐标系下的3D打印系统，其机械结构相对复杂，对打印区域的空间形成了一定的阻隔，不方便打印后进行被打印物的取放。

因此，设计一种3D打印系统，使其结构简单且可重构，不仅能简单地实现极坐标模式的3D打印，而且其简支梁式的开放结构特点使得取放打印物体异常方便，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的包括提供一种基于极坐标系下的3D打印装置，其结构组成简单，在打印区域形成开放式的结构，方便被打印物的取放。

本发明的目的还包括提供一种基于极坐标系下的3D打印系统，其通过对打印装置不同打印运动的控制高效实现3D打印。

本发明提供的第一种技术方案：

一种基于极坐标系下的3D打印装置，包括基座、打印组件以及打印喷嘴；所述打印组件包括打印平台、立柱、移动横梁以及移动部；所述打印平台和所述立柱均设置于所述基座上，所述移动横梁设置于所述立柱上，形成简支梁结构。所述移动横梁能相对所述立柱在所述立柱的轴线方向上运动；所述移动部设置于所述移动横梁上靠近所述打印平台的一侧；所述打印喷嘴设置于所述移动部上，且所述打印喷嘴在所述移动部的带动下，能相对所述移动横梁在所述移动横梁的轴线方向上运动；

所述打印平台绕自身轴线的转动、所述打印喷嘴在所述移动部的带动下沿所述打印平台的径向移动以及所述移动横梁相对所述立柱的直线运动协同实现所述打印喷嘴在极坐标模式下的3D打印，所述基于极坐标系下的3D打印装置结构组成简单，在打印区域形成开放式的结构，方便被打印物的取放。

进一步地，所述立柱包括第一立柱、第二立柱；所述第一立柱和所述第二立柱相对的设置于所述基座上；所述移动横梁的一端与所述第一立柱连接，所述移动横梁的另一端与所述第二立柱连接。

进一步地，所述第一立柱和所述第二立柱上均开设有滑槽；所述移动横梁靠近所述第一立柱的一端设置有滑轨，所述移动横梁与所述第二立柱的连接处设置有滑轨；所述滑轨与所述滑槽配合，实现所述移动横梁沿所述第一立柱和所述第二立柱运动。

进一步地，所述移动部包括相互连接的滚珠丝杆和螺母；所述滚珠丝杆设置于所述移动横梁上，所述螺母与所述打印喷嘴连接，所述螺母能带动所述打印喷嘴在所述滚珠丝杆上沿所述移动横梁的轴线方向运动。

进一步地，所述移动横梁靠近所述基座的一侧相对的设置有第一限位板和第二限位板；所述滚珠丝杆设置于所述第一限位板和所述第二限位板之间。

进一步地，所述打印平台为圆盘；所述立柱和所述打印平台均可拆卸地设置于所述基座上；所述移动横梁可拆卸地设置于所述立柱上。

进一步地，还包括尺寸不同的多个打印组件；每个所述打印组件用于在进行不同尺寸范围的3D打印时，选择性地安装于所述基座上进行打印工作，使所述基于极坐标下的3D打印结构具有可重构性，满足被打印物不同打印尺寸的需要。

本发明提供的第二种技术方案：

一种基于极坐标系下的3D打印系统，包括驱动装置以及第一种技术方案中所述的基于极坐标下的3D打印装置；所述驱动装置包括第一驱动装置、第二驱动装置以及第三驱动装置；所述第一驱动装置与所述打印平台连接，用于驱动所述打印平台转动；所述第二驱动装置与所述移动横梁连接，用于驱动所述移动横梁相对所述立柱运动；所述第三驱动装置与所述移动部连接，用于驱动所述移动部相对所述移动横梁运动。

进一步地，所述第一驱动装置为伺服电机；所述伺服电机设置于所述基座上，且位于远离所述打印平台的一侧，所述伺服电机与所述打印平台连接。

进一步地，还包括控制器；所述控制器分别与所述第一驱动装置、所述第二驱动装置以及所述第三驱动装置连接；所述控制器控制所述第一驱动装置、所述第二驱动装置以及所述第三驱动装置的动作，实现所述第一驱动装置、所述第二驱动装置以及所述第三驱动装置的协同运动，所控制器通过对打印装置不同打印运动的控制高效实现3D打印。

相比现有的3D打印装置及系统，本发明提供的一种基于极坐标系下的3D打印装置及系统的有益效果是：

基于极坐标系下的3D打印装置采用立柱、移动横梁、移动部以及打印平台等简单的部件实现了极坐标模式的3D打印功能，并且形成开放式的3D打印空间，方便作业人员打印时进行被打印物的取放，部件组成少，也减低了设计、制造装置的成本。

基于极坐标系下的3D打印系统中不同驱动器控制不同的打印动作能，并且相互独立驱动的动作协同进行，实现对被打印物的精确打印，高效快速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的基于极坐标系下的3D打印装置的结构示意图；

图2为图1中I的局部放大图；

图3为本发明实施例提供的基于极坐标系下的3D打印装置的移动部、打印喷嘴与移动横梁连接的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的基于极坐标系下的3D打印系统的打印动作控制系统框图。

图标：100-基于极坐标系下的3D打印装置；01-基座；02-打印平台；03-立柱；31-第一立柱；32-第二立柱；33-滑槽；04-移动横梁；41-横梁本体；42-第一限位板；43-第二限位板；44-滑轨；05-移动部；51-滚珠丝杆；52-螺母；06-打印喷嘴；07-驱动装置；71-第一驱动装置；72-第二驱动装置；73-第三驱动装置；08-控制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参阅图1并参照图4，本实施例提供了一种基于极坐标系下的3D打印系统。该基于极坐标系下的3D打印系统包括驱动装置07、控制器08以及基于极坐标系下的3D打印装置100。驱动装置07用于驱动基于极坐标系下的3D打印装置100的各运动部件动作。控制器08用于控制驱动装置07的启停和调节，实现基于极坐标系下的3D打印装置100的各运动部件的协同运动，实现精确打印。

具体地，基于极坐标系下的3D打印装置100包括基座01、打印组件以及打印喷嘴06。打印组件包括打印平台02、立柱03、移动横梁04以及移动部05。打印平台02设置于基座01上。基座01为圆柱体，圆柱体中空形成腔体，且侧面开设有开口。圆柱体的一端面设置于安装位置上，另一端的端面上设置打印平台02。

打印平台02主要用于放置被打印物，打印平台02能够绕自身轴线的转动，带动被打印物转动，以实现基于极坐标系下的3D打印动作的其中一个打印动作。打印平台02的形状可以是不同的形状，优选地，本实施例中，打印平台02为圆盘，圆盘在驱动装置07的控制下可绕自身几何中心轴线转动。

同样，立柱03也设置于基座01上。移动横梁04设置于立柱03上。本实施例中，为了稳定的将移动横梁04设置于立柱03上，立柱03包括了第一立柱31和第二立柱32。第一立柱31和第二立柱32相对的设置于打印平台02的两侧，移动横梁04的一端与第一立柱31连接，移动横梁04的另一端与第二立柱32连接，这样，可使移动横梁04与打印平台02相对应，并形成简支梁结构。当然，为了使打印空间更加开放，更方便被打印物的取放，也可以只设置一个立柱03。这样，也节省了材料，节约了基于极坐标系下的3D打印装置100的制造成本。

请参阅图2，立柱03还用于使移动横梁04沿其轴线方向运动，以实现基于极坐标系下的3D打印动作的其中一个打印动作。具体地，在第一立柱31和第二立柱32均开设有滑槽33，在移动横梁04上靠近第一立柱31的一端设置有滑轨44，同样地，在移动横梁04上靠近第二立柱32的一端也设置有滑轨44。通过滑轨44与滑槽33之间的配合，可实现移动横梁04沿第一立柱31和第二立柱32运动。

值得说明的是，滑槽33与滑轨44的设置是相对的。在第一立柱31和第二立柱32上开设滑槽33，在移动横梁04上设置滑轨44。同样地，也可以在第一立柱31和第二立柱32上设置滑轨，在移动横梁04上开设滑槽均能实现移动横梁04相对第一立柱31和第二立柱32的移动。

请参阅图3，移动横梁04还包括横梁本体41、第一限位板42、第二限位板43。横梁本体41的两端设置滑轨44，这样，一端与第一立柱31连接，另一端与第二立柱32连接。横梁本体41靠近基座01的一侧上相对的设置有第一限位板42和第二限位板43。移动部05设置于第一限位板42和第二限位板43之间，移动部05可在第一限位板42和第二限位板43之间相对横梁本体41移动，实现基于极坐标系下的3D打印动作的其中一个独立打印动作。

移动部05的具体结构包括滚珠丝杆51和螺母52。滚珠丝杆51设置在移动横梁04上，具体地，滚珠丝杆51的一端设置于第一限位板42上，另一端设置在第二限位板43上。螺母52设置于滚珠丝杆51上，且能沿滚珠丝杆51的轴线方向相对移动横梁04运动。打印喷嘴06设置于螺母52上，这样，打印喷嘴06可在螺母52的带动下相对移动横梁04运动。

可以理解的是，移动部05的形式和结构选择多样，可根据打印精度的不同要求来适合的选择其结构和形式，例如对于较低的打印精度，移动部05可选用齿轮齿条的配合或者传送带的形式等。相应地，移动部05设置在移动横梁04上的方式也可根据移动部05的选择来设计，以满足移动部05的3D打印功能。

本实施例中，基于极坐标系下的3D打印装置100选用圆盘、立柱03、移动横梁04、滚珠丝杆51以及螺母52为主要部件来搭建整个体系，相互之间的配合在满足打印精度的同时，使基于极坐标系下的3D打印装置100的机械结构更加具有柔性。

另外，打印平台02和立柱03是可拆卸地设置于基座01上，并且移动横梁04与立柱03之间也是可拆卸地设置。因此，整个打印组件能可拆卸的设置在基座01上。为了实现基于极坐标系下的3D打印装置100对于不同尺寸范围打印的功能，本实施例提供的基于极坐标系下的3D打印装置100还包括多个部件结构相同但尺寸不同的打印组件，不同尺寸的打印组件可以打印的3D结构的尺寸范围不同，因此，多个打印组件可以根据被打印物实际需要的尺寸，更换安装在基座01上，以实现对不同尺寸范围的被打印物的打印。这样，本实施例提供的基于极坐标系下的3D打印装置100所打印的结构的尺寸范围更加广泛且灵活。

通过上述对基于极坐标系下的3D打印装置100具体结构的描述，容易理解，该基于极坐标系下的3D打印装置100实现极坐标模式的打印功能，具体是通过打印平台02绕自身轴线的转动、打印喷嘴06在移动部05的带动下沿打印平台02的径向移动以及移动横梁04相对立柱03的直线运动，多个运动协同工作完成的。

总的来说，相比于现有的3D打印装置，本实施例提供的基于极坐标系下的3D打印装置100颠覆了传动采用正交坐标模式的3D打印，在3D打印应用上，尤其在打印旋转件时，精度更高，效率更快。基于极坐标系下的3D打印装置100用于3D打印的零部件可根据打印尺寸的变化灵活调节，结构具有可重构性，并且在对结构进行重构时能保证结构的柔性，有效的提高了打印精度，节约了制造成本，更换操作高效迅速。

请参阅图4，基于极坐标系下的3D打印装置100的打印动作由控制器08和驱动装置07完成。具体地，驱动装置07包括第一驱动装置71、第二驱动装置72以及第三驱动装置73。第一驱动装置71与打印平台02连接，用于驱动打印平台02转动。第二驱动装置72与移动横梁04连接，用于驱动移动横梁04相对立柱03运动。第三驱动装置73与移动部05连接，用于驱动移动部05相对移动横梁04运动。

控制器08分别与第一驱动装置71、第二驱动装置72以及第三驱动装置73连接，协同控制第一驱动装置71、第二驱动装置72以及第三驱动装置73的动作实现精确的3D打印。其中，第一驱动装置71、第二驱动装置72以及第三驱动装置73的选择多样，本实施例中，第一驱动装置71、第二驱动装置72以及第三驱动装置73均为伺服电机，第一驱动装置71设置于基座01的腔体中，且与打印平台02连接。

综上所述，本实施例中提供的一种基于极坐标系下的3D打印系统具有以下几点有益效果：

基于极坐标系下的3D打印装置100采用立柱03、移动横梁04、移动部05以及打印平台02等简单的部件实现了极坐标模式下的3D打印，并且形成开放式的3D打印空间，方便作业人员打印时进行被打印物的取放，部件组成少，也减低了设计、制造装置的成本。

采用圆盘、立柱03、移动横梁04、滚珠丝杆51以及螺母52为主要部件来搭建基于极坐标系下的3D打印装置100，相互之间的配合在满足打印精度的同时，使基于极坐标系下的3D打印装置100的机械结构更加具有柔性。并且尤其在打印旋转件时，精度更高，效率更快。另外，多个打印组件可以根据被打印物的需要更换安装在基座01上，以实现对不同尺寸范围的被打印物的打印，使打印的结构的尺寸范围更加广泛且灵活。

基于极坐标系下的3D打印系统中不同驱动器控制不同的打印动作能，并且相互独立驱动的动作协同进行，实现对被打印物的精确打印，高效快速。

需要说明的是，所有附图中带箭头的附图标记是指代虚体结构，例如孔、槽、腔等，不带箭头的附图标记是指代实体结构。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于极坐标系下的3D打印装置，其特征在于，包括基座、打印组件以及打印喷嘴；所述打印组件包括打印平台、立柱、移动横梁以及移动部；所述打印平台和所述立柱均设置于所述基座上，所述移动横梁设置于所述立柱上，形成简支梁结构；所述移动横梁能相对所述立柱在所述立柱的轴线方向上运动；所述移动部设置于所述移动横梁上靠近所述打印平台的一侧；所述打印喷嘴设置于所述移动部上，且所述打印喷嘴在所述移动部的带动下，能相对所述移动横梁在所述移动横梁的轴线方向上运动；

所述打印平台绕自身轴线的转动、所述打印喷嘴在所述移动部的带动下沿所述打印平台的径向移动以及所述移动横梁相对所述立柱的直线运动协同实现所述打印喷嘴在极坐标模式下的3D打印。

2.如权利要求1所述的基于极坐标系下的3D打印装置，其特征在于，所述立柱包括第一立柱、第二立柱；所述第一立柱和所述第二立柱相对的设置于所述基座上；所述移动横梁的一端与所述第一立柱连接，所述移动横梁的另一端与所述第二立柱连接。

3.如权利要求2所述的基于极坐标系下的3D打印装置，其特征在于，所述第一立柱和所述第二立柱上均开设有滑槽；所述移动横梁靠近所述第一立柱的一端设置有滑轨，所述移动横梁与所述第二立柱的连接处设置有滑轨；所述滑轨与所述滑槽配合，实现所述移动横梁沿所述第一立柱和所述第二立柱运动。

4.如权利要求1所述的基于极坐标系下的3D打印装置，其特征在于，所述移动部包括相互连接的滚珠丝杆和螺母；所述滚珠丝杆设置于所述移动横梁上，所述螺母与所述打印喷嘴连接，所述螺母能带动所述打印喷嘴在所述滚珠丝杆上沿所述移动横梁的轴线方向运动。

5.如权利要求4所述的基于极坐标系下的3D打印装置，其特征在于，所述移动横梁靠近所述基座的一侧相对的设置有第一限位板和第二限位板；所述滚珠丝杆设置于所述第一限位板和所述第二限位板之间。

6.如权利要求1所述的基于极坐标系下的3D打印装置，其特征在于，所述打印平台为圆盘；所述立柱和所述打印平台均可拆卸地设置于所述基座上；所述移动横梁可拆卸地设置于所述立柱上。

7.如权利要求6所述的基于极坐标系下的3D打印装置，其特征在于，还包括尺寸不同的多个打印组件；每个所述打印组件用于在进行不同尺寸范围的3D打印时，选择性地安装于所述基座上进行打印工作。

8.一种基于极坐标系下的3D打印系统，其特征在于，包括驱动装置以及权利要求1-7任意一项所述的基于极坐标下的3D打印装置；所述驱动装置包括第一驱动装置、第二驱动装置以及第三驱动装置；所述第一驱动装置与所述打印平台连接，用于驱动所述打印平台转动；所述第二驱动装置与所述移动横梁连接，用于驱动所述移动横梁相对所述立柱运动；所述第三驱动装置与所述移动部连接，用于驱动所述移动部相对所述移动横梁运动。

9.如权利要求8所述的基于极坐标系下的3D打印系统，其特征在于，所述第一驱动装置为伺服电机；所述伺服电机设置于所述基座上，且位于远离所述打印平台的一侧，所述伺服电机与所述打印平台连接。

10.如权利要求8所述的基于极坐标系下的3D打印系统，其特征在于，还包括控制器；所述控制器分别与所述第一驱动装置、所述第二驱动装置以及所述第三驱动装置连接；所述控制器控制所述第一驱动装置、所述第二驱动装置以及所述第三驱动装置的动作，实现所述第一驱动装置、所述第二驱动装置以及所述第三驱动装置的协同运动。