CN207267352U - 一种采用双极坐标的3d打印机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用双极坐标的3D打印机，包括底座、挤出机、打印喷头，安装在所述底座上的竖向移动装置和打印台，所述底座上设置有旋转装置，所述旋转装置与所述打印台驱动连接，还包括水平移动装置，所述水平移动装置整体可沿所述竖向移动装置上下移动，所述水平移动装置上还设置有可水平移动的水平滑块，所述打印喷头与所述水平滑块通过摇臂连接，所述水平滑块上安装有偏转电机，所述摇臂一端连接所述偏转电机的输出轴、一端连接所述打印喷头。本实用新型利用三个部件同时运动，加快打印速度，由于打印喷头在打印台上投影的运动路径始终呈弧形，因此打印出的作品的弧形外缘更为连贯、效果好。

Description

一种采用双极坐标的3D打印机

技术领域

本实用新型涉及3D打印机领域，具体的说，是一种采用双极坐标的3D打印机。

背景技术

3D打印技术是一种累积制造技术，它以一种数字模型文件为基础，以液体或粉末状的熔融物质为打印材料，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，利用一层层的粘合材料叠加来制造三维的物体，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，3D打印技术拥有着诸多优点，如：可以节省材料、不用剔除边角料、材料利用率高，能打印出组装好的产品，通过摒弃传统生产线而降低了生产成本，甚至还能挑战大规模生产方式；还可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，能直接制造零件或模具，并做到很高的精度和复杂程度，且能在数小时内成形，让设计和开发实现了从平面图到实体的飞跃，从而有效地缩短产品研发周期。目前，3D打印技术可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用 3D打印机技术，使得3D打印机技术有着广阔的前景。

常见的3D打印机一般是采用平面直角坐标系（x，y）定位打印点，打印喷头在x向和y向上移动，这种直角定位方式和移动方式的3D打印机往往占用体积大，空间功能利用小，因此移动速度较慢，并且打印出的作品外缘弧度有时不连贯，效果不好。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种采用双极坐标的3D打印机，用于解决现有技术中打印喷头移动速度慢、作品外缘效果不好的问题。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种采用双极坐标的3D打印机，包括底座、挤出机、打印喷头，安装在所述底座上的竖向移动装置和打印台，所述底座上设置有旋转装置，所述旋转装置与所述打印台驱动连接，还包括水平移动装置，所述水平移动装置整体可沿所述竖向移动装置上下移动，所述水平移动装置上还设置有可水平移动的水平滑块，所述打印喷头与所述水平滑块通过摇臂连接，所述水平滑块上安装有偏转电机，所述摇臂一端连接所述偏转电机的输出轴、一端连接所述打印喷头；可旋转的所述打印台与所述水平滑块构成以竖向移动装置在水平面上的投影点为原点的一级极坐标系，所述水平滑块和可偏转的打印喷头构成以水平滑块的水平面上的投影点为原点的二级极坐标系。

打印时，所述水平滑块在所述打印台上方移动，所述打印台转动，同时所述打印喷头偏转，区别于直角坐标系方式定位和直线移动方式打印的普通3D打印机，本实用新型利用三个部件同时运动，加快打印速度，由于打印喷头在打印台上投影的运动路径始终呈弧形，因此打印出的作品的弧形外缘更为连贯、效果好。

由于一般的模型采用直角坐标定位（x,y,z），以竖向移动装置和水平移动装置的交点在水平面上的投影为原点，做投影于水平面上的虚拟直角坐标系，采用二元方程组将直角坐标转化为极坐标中的角度和距离来控制所述水平滑块移动、打印台旋转、打印喷头偏转，转化方程组如下：

X=(a*cosA)*(b*cosB)

Y=a*sinA+b*sinB

其中，a为水平滑块与竖向移动装置之间的距离，b为摇臂的长度，A是水平移动装置相对于旋转台转动的角度，B是摇臂的偏转角度；坐标z无需计算，即水平移动装置在竖向移动装置上的高度。

优选的，所述竖向移动装置包括安装在所述底座上的升降丝杆和升降电机，所述升降丝杆与所述升降电机驱动连接。

优选的，所述竖向移动装置还包括固定在所述底座上的竖直光轴，所述水平移动装置包括升降滑座和水平光轴，所述升降滑座滑动安装在所述竖直光轴和所述升降丝杆上，所述升降滑座与所述升降丝杆螺纹配合；所述水平滑块滑动安装在所述水平光轴上，所述水平光轴一端安装在所述升降滑座上、另一端固定有水平光轴稳定座，所述升降滑座上还安装有水平电机，所述水平电机与所述水平滑块通过皮带驱动连接。

优选的，所述旋转装置包括安装在底座上的旋转电机，所述底座上还设置有竖直的转轴，所述打印台固定安装在所述转轴的上端，所述旋转电机 与所述转轴驱动连接。

优选的，所述升降滑座与所述竖直光轴之间设置有直线轴承。

优选的，所述竖向移动装置顶部固定有挤出机安装座，所述挤出机安装座上安装有挤出机，所述挤出机与所述打印喷头之间连接有耗材导管。

优选的，所述打印喷头外部安装有散热风扇。

优选的，所述底座上还安装有用于降压整流供电的整流器。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

区别于直角坐标系方式定位和打印喷头直线移动方式打印的普通3D打印机，本实用新型利用水平滑块、打印台、打印喷头三个部件同时运动，加快打印速度，由于打印喷头在打印台上投影的运动路径始终呈弧形，因此打印出的作品的弧形外缘更为连贯、效果好。

附图说明

图1为本实用新型结构原理图；

图2为图1中打印台、水平滑块放大图；

图3为实施例1中打印前模拟状态图；

图4为实施例1中打印时模拟状态图；

其中1-底座；2-旋转电机；3-偏转电机；4-打印台；5-升降电机；6-水平电机；7-单片机；8-整流器；9-升降滑座；10-打印喷头；11-散热风扇；12-升降丝杆；13-挤出机安装座；14-挤出机；15-耗材导管；16-摇臂；17-水平滑块；18-水平光轴；19-水平光轴稳定座；20-竖直光轴；21-直线轴承。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；也可以是直接相连，也可以是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实用新型中的具体含义。

值得说明的是，所述单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/3D转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。将单片机连接微型伺服电机（以下实施例中所述的旋转电机2、偏转电机3、升降电机5、水平电机6均属于微信伺服电机），并控制其运行，对于本领域技术人员而言，其具体连接方式有多种且均属于现有；进一步的，本实用新型要求保护和突出的是整体构造及物理结构，上述控制原理及系统并非本实用新型区别于现有技术的发明点，本领域技术人员应当理解，故在此不再详述。本实施例中所使用的单片机型号为MSP430F149，本领域技术人员应当理解，本实施例中可适用的单片机型号为多种，包括但不仅限于MSP430F149单片机。

实施例1：

结合附图1和2所示，一种采用双极坐标的3D打印机，包括底座1、挤出机14、打印喷头10，安装在所述底座1上的竖向移动装置和打印台4，所述底座1上设置有旋转装置，所述旋转装置与所述打印台4驱动连接，还包括水平移动装置，所述水平移动装置整体可沿所述竖向移动装置上下移动，所述水平移动装置上还设置有可水平移动的水平滑块17，所述打印喷头10与所述水平滑块17通过摇臂16连接，所述水平滑块17上安装有偏转电机3，所述摇臂16一端连接所述偏转电机3的输出轴、一端连接所述打印喷头10；可旋转的所述打印台4与所述水平滑块17构成以竖向移动装置在水平面上的投影点为原点的一级极坐标系，所述水平滑块17和可偏转的打印喷头10构成以水平滑块17的水平面上的投影点为原点的二级极坐标系。

实施原理：

所述打印喷头10在偏转电机3、摇臂16驱动下，以水平滑块17为圆心在所述打印台4上方偏转，所述水平滑块17可在所述水平移动装置上做水平运动，所述水平移动装置可在竖向移动装置上做竖直运动，所述打印台4可在旋转装置作用下做旋转运动。所述竖向移动装置、水平移动装置、旋转装置在现有技术中有多种，只要可实现上述运动功能即可，本实用新型保护的是其整体结构和连接，在本实施例中不对元器件的具体结构做限制。

由于一般的模型采用直角坐标定位（x,y,z），以竖向移动装置和水平移动装置的交点在水平面上的投影为原点，做投影于水平面上的虚拟直角坐标系，采用二元方程组将直角坐标转化为极坐标中的角度和距离来控制所述水平滑块17移动、打印台4旋转、打印喷头10偏转，如附图3所示，以过打印台4的圆心做平行于所述水平移动装置的直线，以该直线为Y轴，过竖向移动装置与水平移动装置的交点做Y轴的垂线为X轴，将虚拟的X-Y轴直角坐标系的位置相对于打印台固定，打印喷头与设计点重合后，所述水平移动装置、水平滑块17、打印喷头10相对于坐标系移动的位置如附图4，根据如下转化方程组求解方程组得到所需要的移动距离：

X=(a*cosA)*(b*cosB)

Y=a*sinA+b*sinB

其中，a为水平滑块与竖向移动装置之间的距离，b为摇臂16的长度，A是水平移动装置相对于旋转台转动的角度，B是摇臂的偏转角度；坐标z无需计算，即水平移动装置在竖向移动装置上的高度。

需要说明的是，双极坐标与直角坐标系的逻辑运算和坐标变换属于现有技术，本领域技术人员应当悉知，在此不做进一步详述。

打印时，所述水平滑块17在所述打印台4上方移动，所述打印台4转动，同时所述打印喷头10偏转，区别于直角坐标系方式定位和直线移动方式打印的普通3D打印机，本实用新型利用三个部件同时运动，加快打印速度，由于打印喷头10在打印台4上投影的运动路径始终呈弧形，因此打印出的作品的弧形外缘更为连贯、效果好。

实施例2：

在实施例1的基础上，如附图1和2所示，进一步地，所述竖向移动装置包括安装在所述底座1上的升降丝杆12和升降电机5，所述升降丝杆12与所述升降电机5驱动连接。所述竖向移动装置还包括固定在所述底座1上的竖直光轴20，所述水平移动装置包括升降滑座9和水平光轴18，所述升降滑座9滑动安装在所述竖直光轴20和所述升降丝杆12上，所述升降滑座9与所述升降丝杆12螺纹配合；所述水平滑块17滑动安装在所述水平光轴18上，所述水平光轴18一端安装在所述升降滑座9上、另一端固定有水平光轴稳定座19，所述升降滑座9上还安装有水平电机6，所述水平电机6与所述水平滑块17通过皮带驱动连接。所述旋转装置包括安装在底座1上的旋转电机2，所述底座1上还设置有竖直的转轴，所述打印台4固定安装在所述转轴的上端，所述旋转电机2 与所述转轴驱动连接。

本实用新型还设置有单片机7，所述单片机7与旋转电机2、偏转电机3、升降电机5连接，单片机7通过预设的方程组和设计点的坐标，计算出所需的a、b、A、B，通过控制上述电机旋转，驱动所述水平滑块17移动、打印台4旋转、打印喷头10偏转，到达设计点的位置，并升降所述水平移动装置。

实施原理：

单片机7根据设计点的坐标计算水平滑块17的移动距离、打印台4的转动角度、打印喷头10的偏转角度，并向所述旋转电机2、偏转电机3、升降电机5发送工作指令。

所述升降电机5驱动所述升降丝杆12转动，所述升降滑座9沿所述升降丝杆12和竖直光轴20向上或向下移动；所述水平电机6转动，通过皮带驱动所述水平滑块17沿所述水平光轴18移动；所述旋转电机2驱动所述打印台4转动；所述偏转电机3通过摇臂16驱动所述打印喷头10偏转。

实施例3：

在实施例2的基础上，如附图1和2所示，进一步地，所述升降滑座9与所述竖直光轴20之间设置有直线轴承21，使得所述升降滑座9升降摩擦力减小，移动更为顺畅。

进一步地，所述竖向移动装置顶部固定有挤出机安装座13，所述挤出机安装座13上安装有挤出机14，所述挤出机14与所述打印喷头10之间连接有耗材导管15。

进一步地，所述打印喷头10外部安装有散热风扇11。

进一步地，所述底座1上还安装有用于降压整流供电的整流器8。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用双极坐标的3D打印机，包括底座（1）、挤出机（14）、打印喷头（10），安装在所述底座（1）上的竖向移动装置和打印台（4），其特征在于，所述底座（1）上设置有旋转装置，所述旋转装置与所述打印台（4）驱动连接，还包括水平移动装置，所述水平移动装置整体可沿所述竖向移动装置上下移动，所述水平移动装置上还设置有可水平移动的水平滑块（17），所述打印喷头（10）与所述水平滑块（17）通过摇臂（16）连接，所述水平滑块（17）上安装有偏转电机（3），所述摇臂（16）一端连接所述偏转电机（3）的输出轴、一端连接所述打印喷头（10）；可旋转的所述打印台（4）与所述水平滑块（17）构成以竖向移动装置在水平面上的投影点为原点的一级极坐标系，所述水平滑块（17）和打印喷头（10）构成以水平滑块（17）的水平面上的投影点为原点的二级极坐标系。

2.根据权利要求1所述的一种采用双极坐标的3D打印机，其特征在于，所述竖向移动装置包括安装在所述底座（1）上的升降丝杆（12）和升降电机（5），所述升降丝杆（12）与所述升降电机（5）驱动连接。

3.根据权利要求2所述的一种采用双极坐标的3D打印机，其特征在于，所述竖向移动装置还包括固定在所述底座（1）上的竖直光轴（20），所述水平移动装置包括升降滑座（9）和水平光轴（18），所述升降滑座（9）滑动安装在所述竖直光轴（20）和所述升降丝杆（12）上，所述升降滑座（9）与所述升降丝杆（12）螺纹配合；所述水平滑块（17）滑动安装在所述水平光轴（18）上，所述水平光轴（18）一端安装在所述升降滑座（9）上、另一端固定有水平光轴稳定座（19），所述升降滑座（9）上还安装有水平电机（6），所述水平电机（6）与所述水平滑块（17）通过皮带驱动连接。

4.根据权利要求3所述的一种采用双极坐标的3D打印机，其特征在于，所述旋转装置包括安装在底座（1）上的旋转电机（2），所述底座（1）上还设置有竖直的转轴，所述打印台（4）固定安装在所述转轴的上端，所述旋转电机（2） 与所述转轴驱动连接。

5.根据权利要求4所述的一种采用双极坐标的3D打印机，其特征在于，所述升降滑座（9）与所述竖直光轴（20）之间设置有直线轴承（21）。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种采用双极坐标的3D打印机，其特征在于，所述竖向移动装置顶部固定有挤出机安装座（13），所述挤出机安装座（13）上安装有挤出机（14），所述挤出机（14）与所述打印喷头（10）之间连接有耗材导管（15）。

7.根据权利要求6所述的一种采用双极坐标的3D打印机，其特征在于，所述打印喷头（10）外部安装有散热风扇（11）。

8.根据权利要求6所述的一种采用双极坐标的3D打印机，其特征在于，所述底座（1）上还安装有用于降压整流供电的整流器（8）。