CN109435237A - 一种基于轻型机械臂的大空间3d打印机 - Google Patents

一种基于轻型机械臂的大空间3d打印机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及打印设备技术领域，特指一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，包括支撑框架，支撑框架上设有X轴横梁，X轴横梁上设有可沿X轴横梁长度方向滑动的Y轴横梁，Y轴横梁上设有可沿Y轴横梁长度方向滑动的Z轴横梁，Z轴横梁通过Z轴竖直梁连接有三自由度机械臂与钢绳‑弹簧牵引装置，三自由度机械臂与钢绳‑弹簧牵引装置固定连接。本发明采用这样的结构设置，既能通过机械臂实现3D打印设备Z轴方向控制，其在Z轴方向所占空间较小，实现大空间打印，并且减小机械臂承重，降低了电机运行功率，节约了成本。

Description

一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机
技术领域
本发明涉及打印设备技术领域，特指一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机。
背景技术
3D打印技术的Z轴移动主要的方式为两种：一是将喷头固定在X、Y轴所在平面，通过控制X、Y轴所在平面整体移动，实现Z轴方向移动；二是固定在 X、Y轴所在平面，通过伸缩式手臂的伸缩实现Z轴方向的移动。这两种方式都有较大的空间限制，第一种对于较大型产品的打印稳定性不足，精密度有所缺失，第二种伸缩式手臂本身需要有一定的缓存空间，非工作状态空间占比较大。此外，大型建筑的3D打印采用的机械臂臂式控制X、Y、Z三个方向的移动，但是机械臂臂承重高，对电机的功率要求较大。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，既能通过机械臂实现3D打印设备Z轴方向控制，其在Z轴方向所占空间较小，实现大空间打印，并且减小机械臂承重，降低了电机运行功率，节约了成本。
为了实现上述目的，本发明应用的技术方案如下：
一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，包括支撑框架，支撑框架上设有X轴横梁，X轴横梁上设有可沿X轴横梁长度方向滑动的Y轴横梁，Y轴横梁上设有可沿Y轴横梁长度方向滑动的Z轴横梁，Z轴横梁通过Z轴竖直梁连接有三自由度机械臂与钢绳-弹簧牵引装置，三自由度机械臂与钢绳-弹簧牵引装置固定连接。
进一步而言，所述三自由度机械臂包括依次连接设置的基座、大臂、小臂与喷头座，基座固定于Z轴竖直梁上，喷头座与钢绳-弹簧牵引装置固定连接，大臂通过大臂电机驱动转动，小臂通过小臂电机驱动转动，喷头座通过喷头座电机驱动转动。
进一步而言，所述喷头座对应设置有进物料口与物料喷头，物料喷头一端通过半圆环封闭圈与螺钉配合设置固定于喷头座，物料喷头另一端与钢绳-弹簧牵引装置固定连接。
进一步而言，所述钢绳-弹簧牵引装置包括弹簧、拉力传感器、钢绳、绞盘、绞盘同步带、绞盘固定板、绞盘电机与绞盘绞轮，弹簧一端连接于物料喷头，弹簧另一端连接于拉力传感器，拉力传感器连接于钢绳一端，钢绳另一端缠绕于绞盘绞轮上，绞盘绞轮与绞盘固定连接，绞盘通过绞盘同步带连接于绞盘电机，绞盘固定板固定于Z轴竖直梁上，绞盘、绞盘电机与绞盘绞轮分别设于绞盘固定板上。
进一步而言，所述X轴横梁包括第一横梁、第二横梁与第三横梁，第一横梁、第二横梁与第三横梁依次固定连接构成U形结构设置，第一横梁与第三横梁平行设置，第一横梁与第三横梁上分别设有X轴导轨与X轴滑块，X轴滑块可滑动的设于X轴导轨上，Y轴横梁的两端分别固定于X轴滑块上。
进一步而言，所述第一横梁与第三横梁的一端设有轴承座一与X轴同步带轮，X轴同步带轮设于轴承座一内，第一横梁与第三横梁的另一端设有X轴同步带轮，第一横梁与第三横梁两端的X轴同步带轮通过X轴同步带缠绕连接，Y轴横梁的两端分别通过X轴上压板与X轴同步带压板定位于X轴同步带上。
进一步而言，所述第二横梁上设有X轴转轴、X轴电机、X轴电机同步带轮与X轴电机同步带，X轴转轴的一端连接于第一横梁上的X轴同步带轮，X轴转轴的另一端连接于第三横梁上的X轴同步带轮，X轴转轴通过X轴电机同步带与X轴电机同步带轮连接，X轴电机同步带轮通过X轴电机驱动转动，X轴电机通过X轴电机固定板固定于第二横梁上。
进一步而言，所述第二横梁上设有U形固定板与加强筋，U形固定板与加强筋配合设置，X轴电机固定板固定于U形固定板上。
进一步而言，所述Y轴横梁的两端分别设有轴承座二、Y轴转轴与Y 轴同步带轮，Y轴转轴与Y轴同步带轮设于轴承座二内，且Y轴转轴与Y 轴同步带轮对应设置，Y轴横梁两端的Y轴同步带轮之间通过Y轴同步带缠绕连接，Y轴横梁一端通过Y轴电机驱动转动，Y轴电机的输出轴上设有Y轴电机同步带轮，Y轴横梁一端的Y轴转轴上设有Y轴电机同步带轮，且Y轴电机输出轴上的Y轴电机同步带轮与Y轴横梁一端的Y轴转轴通过Y轴电机同步带缠绕连接。
进一步而言，所述Y轴横梁上设有Y轴导轨与Y轴滑块，Y轴滑块可滑动的设于Y轴导轨上，Z轴横梁固定于Y轴滑块上，Y轴横梁两端的Y轴同步带轮之间通过Y轴同步带缠绕连接，Y轴横梁通过Y轴上压板与Y轴同步带压板定位于Y轴同步带上。
本发明有益效果：
1)本发明采用这样的结构设置，除了传统3D打印通过同步控制X、Y轴方向移动装置外，设计了三自由度机械臂控制Z轴方向移动，节省了竖直空间，提高了工作空间；
2)设计钢绳-弹簧牵引装置连接特料喷头，使三自由度机械臂末端受力较小，实现了机械臂的轻型化，电机驱动力矩大大降低，需要的电机设备成本降低。
附图说明
图1是本发明整体结构立体示图；
图2是图1左视图；
图3是图2左视图；
图4是三自由度机械臂与钢绳-弹簧牵引装置结构示图；
图5是图4右视图；
图6是喷头座局部示图；
图7是X轴横梁结构示图。
1.支撑框架；2.三自由度机械臂；3.X轴横梁；4.轴承座一；5.X轴同步带轮；6.X轴同步带；7.X轴导轨；8.Y轴同步带；9.轴承座二；10.Y轴转轴；11.Y轴同步带轮；12.X轴转轴；13.Z轴横梁；14.X轴电机；15.X轴电机同步带轮；16.X 轴电机同步带；17.X轴电机固定板；18.Y轴电机；19.Y轴电机同步带；20.Y轴电机同步带轮；21.钢绳-弹簧牵引装置；23.X轴滑块；24.Z轴竖直梁；26.X轴上压板；27.X轴同步带压板；28.物料喷头；29.Y轴导轨；30.Y轴上压板；31.Y轴同步带压板；32.Y轴滑块；33.Y轴横梁；34.U形固定板；35.加强筋；41.第一横梁；42. 第二横梁；43.第三横梁；201.基座；202.大臂电机；203.大臂；204.小臂电机；205.小臂；206.喷头座；207.进物料口；208.半圆环封闭圈；209.螺钉；210. 弹簧；211.拉力传感器；212.钢绳；213.绞盘；214.绞盘同步带；215.绞盘固定板；217.绞盘电机；218.绞盘绞轮。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1至图7所示，本发明所述一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，包括支撑框架1，支撑框架1上设有X轴横梁3，X轴横梁3上设有可沿X轴横梁3长度方向滑动的Y轴横梁33，Y轴横梁33上设有可沿Y 轴横梁33长度方向滑动的Z轴横梁13，Z轴横梁13通过Z轴竖直梁24 连接有三自由度机械臂2与钢绳-弹簧牵引装置21，三自由度机械臂2与钢绳-弹簧牵引装置21固定连接。以上所述构成本发明基本结构。
实际应用中，本发明所述的支撑框架1由多根立柱与横梁固定连接组成，其相对的两侧分别设有X轴横梁3，Y轴横梁33可滑动的设于两侧X 轴横梁3上，从而可实现调节三自由度机械臂2在X轴方向上的位置，Z 轴横梁13可滑动的设于Y轴横梁上，从而可实现调节三自由度机械臂2 在Y轴方向上的位置，在钢绳-弹簧牵引装置21的作用下可实现三自由度机械臂2末端受力较小，甚至不受力。
更具体而言，所述三自由度机械臂2包括依次连接设置的基座201、大臂203、小臂205与喷头座206，基座201固定于Z轴竖直梁24上，喷头座206与钢绳-弹簧牵引装置21固定连接，大臂203通过大臂电机202 驱动转动，小臂205通过小臂电机204驱动转动，喷头座206通过喷头座电机驱动转动。采用这样的结构设置，通过大臂电机202驱动大臂203转动，通过小臂电机204驱动小臂205转动，通过喷头座电机驱动喷头座206 转动，便于通过三自由度机械臂2控制喷头座206的Z轴方向移动。
实际应用中，本发明所述的大臂电机202通过大臂谐波减速器驱动大臂203转动，小臂电机204通过小臂谐波减速器驱动小臂205转动，喷头座电机通过皮带轮驱动喷头座206转动。
需要说明的是，本发明所述的三自由度机械臂2包含三个自由度，均为竖直平面内的转动副，分别为基座201与大臂203竖直平面转动副，大臂203与小臂205竖直平面转动副，小臂205与喷头座206竖直平面转动副，且以上竖直平面均为同一平面，与Y轴移动平面平行。
更具体而言，所述喷头座206对应设置有进物料口207与物料喷头28，物料喷头28一端通过半圆环封闭圈208与螺钉209配合设置固定于喷头座206，物料喷头28另一端与钢绳-弹簧牵引装置21固定连接。采用这样的结构设置，通过进物料口207实现对喷头座206的进物料作用，通过物料喷头28实现对物料的喷出作用。
实际应用，本发明所述的喷头座206与物料喷头28不是一体结构设置，通过半圆环封闭圈208将喷头座206与物料喷头28箍住后，通过螺钉209锁紧固定，在钢绳-弹簧牵引装置21的作用下可实现调节物料喷头28的位置。
更具体而言，所述钢绳-弹簧牵引装置21包括弹簧210、拉力传感器211、钢绳212、绞盘213、绞盘同步带214、绞盘固定板215、绞盘电机217与绞盘绞轮218，弹簧210一端连接于物料喷头28，弹簧210另一端连接于拉力传感器211，拉力传感器211连接于钢绳212一端，钢绳212另一端缠绕于绞盘绞轮218上，绞盘绞轮218与绞盘213固定连接，绞盘213通过绞盘同步带214 连接于绞盘电机217，绞盘固定板215固定于Z轴竖直梁24上，绞盘213、绞盘电机217与绞盘绞轮218分别设于绞盘固定板215上。采用这样的结构设置，绞盘电机217通过绞盘同步带214带动绞盘213转动，转动的绞盘213带动绞盘绞轮218一起转动，从而实现绞盘绞轮218对钢绳212的回收或放出，同时钢绳212带动拉力传感器211与弹簧210在Z轴方向移动，起到调节喷头座206 的承重以及可维持弹簧210的变形量，另外，采用这样的结构设置，还可起到使三自由度机械臂2末端的喷头座206受力较小的效果。
更具体而言，所述X轴横梁3包括第一横梁41、第二横梁42与第三横梁 43，第一横梁41、第二横梁42与第三横梁43依次固定连接构成U形结构设置，第一横梁41与第三横梁43平行设置，第一横梁41与第三横梁43上分别设有 X轴导轨7与X轴滑块23，X轴滑块23可滑动的设于X轴导轨7上，Y轴横梁 33的两端分别固定于X轴滑块23上。采用这样的结构设置，由于Y轴横梁33 的两端分别固定于X轴滑块23上，所以Y轴横梁33可以通过X轴滑块23在X 轴导轨7上左右滑动，从而起到调节Y轴横梁33的X轴方向移动，也就是说调节Y轴横梁33的位置。
更具体而言，所述第一横梁41与第三横梁43的一端设有轴承座一4 与X轴同步带轮5，X轴同步带轮5设于轴承座一4内，第一横梁41与第三横梁43的另一端设有X轴同步带轮5，第一横梁41与第三横梁43两端的X轴同步带轮5通过X轴同步带6缠绕连接，Y轴横梁33的两端分别通过X轴上压板26与X轴同步带压板27定位于X轴同步带6上。采用这样的结构设置，由于Y轴横梁33定位于X轴同步带6上，所以通过X轴同步带6的转动为Y轴横梁33的滑动提供了滑动力。
更具体而言，所述第二横梁42上设有X轴转轴12、X轴电机14、X 轴电机同步带轮15与X轴电机同步带16，X轴转轴12的一端连接于第一横梁41上的X轴同步带轮5，X轴转轴12的另一端连接于第三横梁43上的X轴同步带轮5，X轴转轴12通过X轴电机同步带16与X轴电机同步带轮15连接，X轴电机同步带轮15通过X轴电机14驱动转动，X轴电机 14通过X轴电机固定板17固定于第二横梁42上。采这样的结构设置，X 轴电机14驱动X轴电机同步带轮15转动，X轴电机同步带轮15通过X轴电机同步带16带动X轴转轴12转动，由于X轴转轴12的一端连接于第一横梁41上的X轴同步带轮5，另一端连接于第三横梁43上的X轴同步带轮5，所以当X轴转轴12转动时同时带动第一横梁41与第三横梁43上的X轴同步带6转动，进而带动Y轴横梁33在X轴横梁3上滑动。
更具体而言，所述第二横梁42上设有U形固定板34与加强筋35，U 形固定板34与加强筋35配合设置，X轴电机固定板17固定于U形固定板 34上。采用这样的结构设置，通过U形固定板34便于为X轴电机14提供固定位置。
实际应用中，本发明所述的加强筋35可使U形固定板34更加牢固。
实际应用中，本发明所述的U形固定板34占用空间小，安装非常方便。
更具体而言，所述Y轴横梁33的两端分别设有轴承座二9、Y轴转轴 10与Y轴同步带轮11，Y轴转轴10与Y轴同步带轮11设于轴承座二9内，且Y轴转轴10与Y轴同步带轮11对应设置，Y轴横梁33两端的Y轴同步带轮11之间通过Y轴同步带8缠绕连接，Y轴横梁33一端通过Y轴电机18驱动转动，Y轴电机18的输出轴上设有Y轴电机同步带轮20，Y轴横梁33 一端的Y轴转轴10上设有Y轴电机同步带轮20，且Y轴电机18输出轴上的Y 轴电机同步带轮20与Y轴横梁33一端的Y轴转轴10通过Y轴电机同步带19 缠绕连接。采用这样的结构设置，通过Y轴同步带8的转动带动Z轴横梁13 的滑动，从而起到调节Z轴横梁13在Y轴方向上的位置。
更具体而言，所述Y轴横梁33上设有Y轴导轨29与Y轴滑块32，Y轴滑块32可滑动的设于Y轴导轨29上，Z轴横梁13固定于Y轴滑块32上，Y轴横梁33两端的Y轴同步带轮11之间通过Y轴同步带8缠绕连接，Y轴横梁33 通过Y轴上压板30与Y轴同步带压板31定位于Y轴同步带8上。采用这样的结构设置，由于Z轴横梁13定位于Y轴同步带8上，所以通过Y轴同步带8的转动为Z轴横梁13的滑动提供了滑动力。
以上对本发明实施例中的技术方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：包括支撑框架(1)，所述支撑框架(1)上设有X轴横梁(3)，所述X轴横梁(3)上设有可沿X轴横梁(3)长度方向滑动的Y轴横梁(33)，所述Y轴横梁(33)上设有可沿Y轴横梁(33)长度方向滑动的Z轴横梁(13)，所述Z轴横梁(13)通过Z轴竖直梁(24)连接有三自由度机械臂(2)与钢绳-弹簧牵引装置(21)，所述三自由度机械臂(2)与钢绳-弹簧牵引装置(21)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：所述三自由度机械臂(2)包括依次连接设置的基座(201)、大臂(203)、小臂(205)与喷头座(206)，所述基座(201)固定于Z轴竖直梁(24)上，所述喷头座(206)与钢绳-弹簧牵引装置(21)固定连接，所述大臂(203)通过大臂电机(202)驱动转动，所述小臂(205)通过小臂电机(204)驱动转动，所述喷头座(206)通过喷头座电机驱动转动。
3.根据权利要求2所述的一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：所述喷头座(206)对应设置有进物料口(207)与物料喷头(28)，所述物料喷头(28)一端通过半圆环封闭圈(208)与螺钉(209)配合设置固定于喷头座(206)，所述物料喷头(28)另一端与钢绳-弹簧牵引装置(21)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：所述钢绳-弹簧牵引装置(21)包括弹簧(210)、拉力传感器(211)、钢绳(212)、绞盘(213)、绞盘同步带(214)、绞盘固定板(215)、绞盘电机(217)与绞盘绞轮(218)，所述弹簧(210)一端连接于物料喷头(28)，所述弹簧(210)另一端连接于拉力传感器(211)，所述拉力传感器(211)连接于钢绳(212)一端，所述钢绳(212)另一端缠绕于绞盘绞轮(218)上，所述绞盘绞轮(218)与绞盘(213)固定连接，所述绞盘(213)通过绞盘同步带(214)连接于绞盘电机(217)，所述绞盘固定板(215)固定于Z轴竖直梁(24)上，所述绞盘(213)、绞盘电机(217)与绞盘绞轮(218)分别设于绞盘固定板(215)上。
5.根据权利要求1所述的一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：所述X轴横梁(3)包括第一横梁(41)、第二横梁(42)与第三横梁(43)，所述第一横梁(41)、第二横梁(42)与第三横梁(43)依次固定连接构成U形结构设置，所述第一横梁(41)与第三横梁(43)平行设置，所述第一横梁(41)与第三横梁(43)上分别设有X轴导轨(7)与X轴滑块(23)，所述X轴滑块(23)可滑动的设于X轴导轨(7)上，所述Y轴横梁(33)的两端分别固定于X轴滑块(23)上。
6.根据权利要求5所述的一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：所述第一横梁(41)与第三横梁(43)的一端设有轴承座一(4)与X轴同步带轮(5)，所述X轴同步带轮(5)设于轴承座一(4)内，所述第一横梁(41)与第三横梁(43)的另一端设有X轴同步带轮(5)，所述第一横梁(41)与第三横梁(43)两端的X轴同步带轮(5)通过X轴同步带(6)缠绕连接，所述Y轴横梁(33)的两端分别通过X轴上压板(26)与X轴同步带压板(27)定位于X轴同步带(6)上。
7.根据权利要求5所述的一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：所述第二横梁(42)上设有X轴转轴(12)、X轴电机(14)、X轴电机同步带轮(15)与X轴电机同步带(16)，所述X轴转轴(12)的一端连接于第一横梁(41)上的X轴同步带轮(5)，所述X轴转轴(12)的另一端连接于第三横梁(43)上的X轴同步带轮(5)，所述X轴转轴(12)通过X轴电机同步带(16)与X轴电机同步带轮(15)连接，所述X轴电机同步带轮(15)通过X轴电机(14)驱动转动，所述X轴电机(14)通过X轴电机固定板(17)固定于第二横梁(42)上。
8.根据权利要求7所述的一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：所述第二横梁(42)上设有U形固定板(34)与加强筋(35)，所述U形固定板(34)与加强筋(35)配合设置，所述X轴电机固定板(17)固定于U形固定板(34)上。
9.根据权利要求1所述的一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：所述Y轴横梁(33)的两端分别设有轴承座二(9)、Y轴转轴(10)与Y轴同步带轮(11)，所述Y轴转轴(10)与Y轴同步带轮(11)设于轴承座二(9)内，且Y轴转轴(10)与Y轴同步带轮(11)对应设置，所述Y轴横梁(33)两端的Y轴同步带轮(11)之间通过Y轴同步带(8)缠绕连接，所述Y轴横梁(33)一端通过Y轴电机(18)驱动转动，所述Y轴电机(18)的输出轴上设有Y轴电机同步带轮(20)，所述Y轴横梁(33)一端的Y轴转轴(10)上设有Y轴电机同步带轮(20)，且Y轴电机(18)输出轴上的Y轴电机同步带轮(20)与Y轴横梁(33)一端的Y轴转轴(10)通过Y轴电机同步带(19)缠绕连接。
10.根据权利要求1所述的一种基于轻型机械臂的大空间3D打印机，其特征在于：所述Y轴横梁(33)上设有Y轴导轨(29)与Y轴滑块(32)，所述Y轴滑块(32)可滑动的设于Y轴导轨(29)上，所述Z轴横梁(13)固定于Y轴滑块(32)上，所述Y轴横梁(33)两端的Y轴同步带轮(11)之间通过Y轴同步带(8)缠绕连接，所述Y轴横梁(33)通过Y轴上压板(30)与Y轴同步带压板(31)定位于Y轴同步带(8)上。
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