CN113183464B - 使用螺旋齿条和小齿轮的三维打印机的机电运动系统 - Google Patents

使用螺旋齿条和小齿轮的三维打印机的机电运动系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于快速成型机的3D打印的机电运动系统，例如3D打印机这样的三维打印装置的机电运动系统，其具有至少一个微处理器电子管理板，其中3D打印机的打印装置沿着仅用齿轮运动链获得的水平面上的X轴和Y轴运动。

Description

使用螺旋齿条和小齿轮的三维打印机的机电运动系统
分案申请
本申请为申请号201680016222.X、申请日2016年3月14日、题为“使用螺旋齿条和小齿轮的三维打印机的机电运动系统”的分案申请。
技术领域
本发明涉及通常称为“3D打印机”的快速成型机的领域。
背景技术
3D打印可以被认为是2D打印的自然演变，并且3D打印展现出能够提供3D模型真实再现的主要优点，3D模型是先前通过使用当前三维建模程序之一而创建的。利用这种技术，通过沉积连续的材料层产生三维物体。
基本上可以说，3D打印机使用物体的三维模型的文件，并且将其“分解”以在截面图中定义物体的一系列部分。换句话说，这些部分是要被创建的物体的“切片”，其被打印在彼此之上从而一层又一层创建3D物体。
现有不同的3D打印技术，并且它们的主要区别在于打印层的方式。一些方法使用熔化或软化以产生层的材料，例如选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积成型(FDM)，而其他方法沉积使用各种技术硬化的液体材料。在层压系统的情况下，存在根据形状切割并连接在一起的薄层。
任何3D打印技术的特点就是优缺点，考虑的主要因素是打印原型的速度和成本，3D打印机的成本，材料的选择，可用的颜色等。
为了避免详述对各种3D打印技术和方法的检验，应该注意的是，当前所有3D打印机常见的问题都是关于必须进行打印的设备的移动。
几乎所有目前已知的3D打印机都使用由普通皮带，皮带轮和皮带张紧器构成，由步进电动机驱动的运动链来控制的笛卡尔运动(cartesianmovement)。
因此，由于带的弹性，由此所得到的传动比不会是随时间的常数，这并不总是保证沿运动链的运动和传递的均匀性。在带式的运动链中，无论是带齿的皮带还是不带齿的皮带，传动比必须总是考虑驱动皮带轮施加的力与从动皮带轮受到的力之间的差值(简称“DELTA”)，所述值之间的差值由通过次级部件(皮带轮，皮带张紧器，皮带等)的运动传递来确定。
不能认为皮带传输是完全精确的，就像齿轮运动链一样，随着时间的推移，皮带本身可能的滑动和/或结构屈服是不可避免，尤其是如果后者是由橡胶或磨损材料制成的。
可能会发生的是，例如，驱动皮带轮的初始运动不会立即与从动皮带轮的随后运动相一致，这是由于存在的皮带张紧器可能是弹性的，和/或是由于连接两个皮带轮的皮带的固有弹性。
在齿轮运动链(例如，齿条和小齿轮，齿轮，带主轴的滚珠丝杠)的传动比中，上述差值(DELTA)几乎变为零，齿轮运动链精确和准确得多，并保证随时间维护初始精度。
发明内容
根据本发明的多个方面，公开了一种快速成型机，所述快速成型机包括：
3D打印机；
用于所述3D打印机的机电运动系统，所述机电运动系统配置为沿着彼此正交的第一和第二水平轴在水平平面上移动所述三维打印机，所述机电运动系统至少配备有：
微处理器电子板，
底盘，所述底盘具有用于所述3D打印机生产的3D物体的静止表面，
在垂直轴上延伸的电动滚珠丝杠，电动滚珠丝杠与所述静止表面连接以驱动静止表面，从而在静止表面上沿所述垂直轴的方向移动所述物体，
平行且间隔开的两个第一水平导轨，所述两个第一水平导轨沿第一水平轴方向延伸的，
两个第一水平齿条，所述两个第一水平齿条沿所述第一水平轴方向延伸并且分别平行并相邻于所述两个第一水平导轨，
第二水平导轨，所述第二水平导轨沿所述第二水平轴的方向延伸，
沿所述第二水平轴方向延伸的单个第二齿条，所述单第二齿条平行且相邻所述第二水平导轨，
两个第一托架，第二水平导轨连接所述两个第一托架以及两个第一托架分别位于所述第二水平导轨的相对端，单个第二齿条连接到所述两个第一托架，
所述两个第一齿条分别在所述第一水平导轨上移动，
两个电动第一小齿轮，分别由所述两个第一托架承载，
所述两个电动第一小齿轮与两个第一水平齿条啮合，
其中，所述两个第一托架沿着所述第一水平导轨的运动分别由所述两个第一托架承载的两个电动第一小齿轮驱动，
两个第一电机，其分别由所述两个第一托架承载并可操作地连接到微处理器电子板，
其中所述两个电动第一小齿轮由两个第一电机驱动，
其中，所述第二水平导轨将所述两个第一托架相互连接，使得所述两个第一托架和所述第二水平导轨一起在所述两个第一水平导轨上限定了沿第一水平轴方向可移动的桥单元，所述两个第一托架分别位于桥单元的两端，
第二托架，所述第二托架沿所述第二水平轴方向在所述第二水平导轨上可移动，所述第二托架支撑所述3D打印机，使得由于所述桥单元相对于所述两个第一水平导轨的运动以及由于所述第二托架相对于所述第二水平导轨的运动，所述3D打印机在所述第一水平轴的方向和所述第二水平轴的方向上都可移动，
所述单个第二齿条连接到所述两个第一托架，以便与所述两个第一托架一起沿着所述第一水平轴方向上的所述第二水平导轨相对于所述两个第一水平导轨移动，以及
电动单个第二小齿轮，所述电动单个第二小齿轮由所述第二托架承载，其中所述第二托架沿所述第二水平导轨的运动是由所述第二托架承载的电动单个第二小齿轮驱动，所述单个第二小齿轮与所述单个第二齿条啮合，
其中，所述两个第一水平齿条、两个第一小齿轮、单个第二齿条和所述第二小齿轮都有螺旋齿。
在本发明的另一方面,所述快速成型机进一步包括第二电机，所述第二电机由所述第二托架承载，其中所述电动单个第二小齿轮由所述第二托架承载的第二电机驱动。
在本发明的另一方面,所述快速成型机进一步包括由所述底盘承载的第三电机，其中所述电动滚珠丝杠是由所述底盘承载的所述第三电机驱动。
在本发明的另一方面,所述快速成型机进一步包括由所述底盘承载的第三电机，其中所述电动滚珠丝杠是由所述底盘承载的所述第三电机驱动。
根据本发明的其他方面，公开了另一快速成型机，所述快速成型机包括：3D打印设备和用于所述打印设备的机电运动系统，所述机电运动系统配置有至少一个微处理器电子板，其特征在于该打印设备只能在水平平面X-Y中移动，以及沿水平平面的轴X和Y的3D打印机的打印设备的运动只能通过设置有带有螺旋齿的小齿轮和齿条的齿轮运动链得到，以减少常见的直齿齿轮带来的松动、振动、摩擦和噪音；其中，沿水平平面上的轴X的齿条或沿水平平面上的轴Y的齿条直接固定在该系统本身的底盘上，而3D物体的静止表面通过至少一个由电机驱动的滚珠丝杠沿垂直轴Z移动；其中用于沿轴X移动的设备包括单个齿条以及用于沿轴Y移动的设备包括两个齿条。
根据本发明的特有特征，设置的是3D打印机的运动是完全通过齿轮运动链获得的，其中运动链优选由具有螺旋齿条的元件构成。
本发明的第二个特有特征在于，沿着水平面X-Y的两个轴线中的至少一个轴线移动的打印装置的齿条不会移动，并且相对于承载结构(在下面也称为“底盘”)固定，使得承载更多重量的构件即齿条保持静止，并且承载较小重量的小齿轮沿着其移动，以便大大减少要移动的惯性质量。有利地，可以说，移动较小的惯性质量带来相当大的益处，即：
—施加较少的力来克服初始摩擦；
—提高速度的可能性，根据3D打印技术，在缩短产品生产时间方面具有明显的优势；和
—减少电动机克服初始摩擦所需的扭矩，以及降低打印头运动加速/减速的扭矩，从而节省功率和能量以及成本。
在齿轮运动链(例如，齿条和小齿轮，齿轮，带主轴的滚珠丝杠)的传动比中，上述差值(DELTA)几乎变为零，齿轮运动链精确和准确得多，并保证随时间维护初始精度。
如已经提到的，在本发明的优选实施方式中，设置的是使用具有螺旋齿的小齿轮和齿条。螺旋式的解决方案可以大大限制通常关于直齿齿轮式的摩擦和噪音问题。
因此，该解决方案能够实现齿轮传动比的精度和准度，同时防止或至少减少在位移期间摩擦，卡住和噪音的显著问题。
根据本发明的解决方案提供了在水平面的轴线X-Y上的定位的精度，从而对于通过3D打印获得的物体的产量和精度具有相应的操作优点，这不能通过由皮带控制的普通运动来实现。
因此显而易见的是，与现有的3D打印机相比，它具有竞争优势。
如下面将更清楚地示出，例如在轴线Y上使用具有螺旋齿的两个齿条和相应的小齿轮以及在轴线X上的一个螺旋齿条和小齿轮，可以显著减少在操作期间可能出现的齿隙。螺旋齿类型渐进和平滑的啮合使得实际上可以使用小功率电动机，因此传递较少的力。此外，将齿条直接固定在底盘上的选择对于在底盘本身上而不是正在打印的三维件上的震动的释放具有战略性意义。
参考附图，将从本发明随后的详细描述中获得更好的理解，附图仅仅是通过非限制性的例子来说明本发明的优选实施例。
附图说明
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。
图1是示意性地示出了沿着三个轴线X-Y-Z移动的装置的前视图；
图2是对应于前一个图的等距视图，其也示出了在其上创建3D物体的平台；
图3是安装在根据本发明的移动装置中的3D打印机的非限制性示例的正视图；和
图4是与之前相对应的俯视图。
具体实施方式
根据本发明，沿着轴线X的运动由齿条和对应的小齿轮(至少有一个电动机)来完成，而对于轴线Y，两个齿条设置有各自的小齿轮，每个小齿轮安装在其各自的电动机上。所述电动机串联连接以确保运动的均匀性。此外，对电动机的相位，电流的相位，电压的相位以及微步进器进行了精确的校准。
考虑到沿轴线Y的重量远重于沿轴线X的重量，现参考轴线Y描述的具有双齿条-小齿轮和双电动机串联的解决方案，已经成为平衡重量并保证运动沿着轴线Y运动成所必需的。
实际上，轴线Y上的重量是沿着X轴移动的装置的重量：电动机Mx，齿条Cx，托架3，导轨4，已知类型的打印装置例如挤出机。
以这种方式，确保了最大的定位精度。
如图所示，两个电动机My固定到相应的托架1，托架1在第一导轨2上滑动，第一导轨2根据轴线Y布置并平行于齿条Cy，而相应的小齿轮—安装在所述电动机My的轴上—始终啮合在所述齿条Cy上。
托架1通过两个第二导轨4刚性地连接在一起，根据轴线X布置的这两个第二导轨4相互平行并垂直于上述的第一导轨2。沿着所述第二导轨4运行的是第二托架3，其相对于电动机Mx固定，安装在其轴线上的小齿轮总是与相应的齿条Cx啮合，齿条Cx也垂直于所述第一导轨2设置。
在所描述的实施方式的示例中，上述托架3还支撑例如由挤压机构成的3D打印装置。
如已经提到的，根据本发明，第一导轨2根据所描述的运动系统的轴线Y布置，并且导轨4根据轴线X布置。
鉴于以上所述，事实上电动机的小齿轮总是与各个齿条相啮合，并且事实上齿是螺旋形会大大降低了运动学运动链的间隙(play)和噪音，同时提供了高的运动精度，以及对在三维物体生产过程中产生的位移的精确控制。作为使用两个电动机My用于沿着平行于轴线Y的第一导轨2移动托架1的替代方案，可以相对于其中一个托架1固定单个电动机My，并且可设置的是，将所述电动机驱动的托架与用于轴线Y的另一托架1的结构连接显着加强，但是使用刚性材料必然会导致重量或成本的不期望的增加，刚性材料较轻但成本高。
另一个可能的替代方案是，能够为每个轴线特别是轴线Y使用单个电动机，其可以是在没有电动机My的情况下将小齿轮安装在托架1上，设置所述小齿轮通过齿轮运动链连接到装配有电动机My的托架1的小齿轮，例如与传动轴配合的锥齿轮系统，其运动地连接它们，使得一个托架1的小齿轮的旋转对应于另一个托架1上的小齿轮的相同旋转。
各种电动机的运动通过微处理器电子板以已知的方式进行管理，微处理器电子板能够处理包含在3D图形文件中的数据。
在本发明的优选实施方式中已经描述和说明了本发明，但是对于本领域技术人员来说，可以对其进行功能和/或技术上的等同的修改和/或替换将是显而易见的，而不脱离现行工业专利权的保护范围。
以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种快速成型机，其特征在于，包括：
3D打印机；
用于所述3D打印机的机电运动系统，所述机电运动系统配置为沿着彼此正交的第一和第二水平轴(Y，X)在水平平面上移动所述3D打印机，所述机电运动系统至少配备有：
微处理器电子板，
底盘，所述底盘具有用于所述3D打印机生产的3D物体的静止表面，
在垂直轴上延伸的电动滚珠丝杠，所述电动滚珠丝杠与所述静止表面连接以驱动静止表面，从而在静止表面上沿所述垂直轴的方向移动所述物体，
平行且间隔开的两个第一水平导轨(2)，所述两个第一水平导轨(2)沿所述第一水平轴(Y)方向延伸，
两个第一水平齿条(CY)，所述两个第一水平齿条沿所述第一水平轴(Y)方向延伸并且分别平行并相邻于所述两个第一水平导轨(2)，
第二水平导轨(4)，所述第二水平导轨(4)沿所述第二水平轴(X)的方向延伸，
沿所述第二水平轴(X)方向延伸的单个第二齿条(CX)，所述单个第二齿条(CX)平行并相邻于所述第二水平导轨(4)，
两个第一托架(1)，第二水平导轨(4)连接所述两个第一托架(1)以及两个第一托架分别位于所述第二水平导轨(4)的相对端，单个第二齿条(CX)连接到所述两个第一托架(1)，
所述两个第一托架(1)分别在所述第一水平导轨(2)上移动，
两个电动第一小齿轮，分别由所述两个第一托架(1)承载，
所述两个电动第一小齿轮与两个第一水平齿条(CY)啮合，
其中，所述两个第一托架(1)沿着所述第一水平导轨(2)的运动分别由所述两个第一托架(1)承载的两个电动第一小齿轮驱动，
两个第一电机(MY)，其分别由所述两个第一托架(1)承载并可操作地连接到微处理器电子板，
其中所述两个电动第一小齿轮由两个第一电机(MY)驱动，
其中，所述第二水平导轨(4)将所述两个第一托架(1)相互连接，使得所述两个第一托架和所述第二水平导轨(4)一起在所述两个第一水平导轨(2)上限定了沿第一水平轴(Y)方向可移动的桥单元，所述两个第一托架(1)分别位于桥单元的相对端，
第二托架(3)，所述第二托架(3)沿所述第二水平轴(X)方向在所述第二水平导轨(4)上可移动，所述第二托架支撑所述3D打印机，使得由于所述桥单元相对于所述两个第一水平导轨(2)的运动以及由于所述第二托架(3)相对于所述第二水平导轨(4)的运动，所述3D打印机在所述第一水平轴(Y)的方向和所述第二水平轴(X)的方向上都可移动，
所述单个第二齿条(CX)连接到所述两个第一托架(1)，以便与所述两个第一托架(1)和所述第二水平导轨(4)一起沿着所述第一水平轴(Y)的方向相对于所述两个第一水平导轨(2)可移动，以及
电动单个第二小齿轮，所述电动单个第二小齿轮由所述第二托架(3)承载，其中所述第二托架(3)沿所述第二水平导轨(4)的运动由所述第二托架(3)承载的电动单个第二小齿轮驱动，所述单个第二小齿轮与所述单个第二齿条(CX)啮合，
其中，所述两个第一水平齿条(CY)、两个第一小齿轮、单个第二齿条(CX)和单个第二小齿轮都具有螺旋齿。
2.根据权利要求1所述的快速成型机，进一步包括第二电机，所述第二电机由所述第二托架承载，其中所述电动单个第二小齿轮由所述第二托架承载的第二电机驱动。
3.根据权利要求2所述的快速成型机，进一步包括由所述底盘承载的第三电机，其中所述电动滚珠丝杠由所述底盘承载的所述第三电机驱动。
4.根据权利要求1所述的快速成型机，进一步包括由所述底盘承载的第三电机，其中所述电动滚珠丝杠由所述底盘承载的所述第三电机驱动。
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