CN208392655U - 360度立体旋转双机械臂式3d打印机 - Google Patents

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卢炳回
梁维刚
覃思
曾天军
赵林松
李家德
李夏妃
唐盛来
神显豪
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Abstract

一种360度立体旋转双机械臂式3D打印机,涉及一种3D打印机,包括打印平台系统、机械臂系统、打印喷头、控制系统;机械臂系统包括机械臂整体底盘、两个多自由度机械臂系统,多自由度机械臂系统为至少6自由度机械臂系统,打印喷头有两套且均为旋转式打印喷头;机械臂整体底盘可360度旋转安装在打印平台系统外;两个多自由度机械臂系统的底端分别可360度旋转安装在机械臂整体底盘上,两个多自由度机械臂系统的顶端分别与打印喷头连接,打印喷头、多自由度机械臂系统的输入端分别与控制系统连接。本实用新型可实现无支撑结构的高精度3D打印效果,具有打印效率高、灵活性好、可保证产品质量、智能化程度高等特点,易于推广使用。

Description

360度立体旋转双机械臂式3D打印机
技术领域
本实用新型涉及一种3D打印机,特别是360度立体旋转双机械臂式3D打印机。
背景技术
3D打印是目前全球性重点研发的技术领域之一。我国3D打印行业起步比较晚,现在进入迅速发展阶段,因此3D打印技术以市场广、前景非常广泛。根据对目前国际上3D打印技术研发领域最新动态的跟踪、调研、分析与总结,发现主要的研究集中在打印成本的降低,打印精度的提高,打印出产品的强度、刚度的增强,打印时间的缩短四个方面。
3D打印技术是将材料通过逐点到逐层堆迭的方式将产品制造出来。相对于传统的减材制造来说,具有生产周期短、生产工序少和生产自动化等特点。从低碳制造方面来看,3D制造技术中产品需要多少材料就直接打印多少材料,资源利用率高,节能环保,因此具有很好的应用前景,是当前国际上的研究热点。3D打印采用逐层推积的方式,当打印模型尺寸较大时,成型时间可长达几十个小时。
专利授权公告号为CN104097326B的实用新型专利公开了一种纤维增强复合材料多自由度3D打印机,采用6自由度工作平台实现三维自由空间的3D打印,可以实现材料以任意角度和任意运动轨迹进行沉积实现3D打印制造,其上可以安装经特殊设计的3D打印头,能够进行高强度短纤维增强复合材料的3D打印,也可以安装能够进行连续树脂基长纤维拼接和编织的3D打印头,从而制造出连续纤维增强的复合材料结构体,同时,可以精确地控制3D打印工艺,实现纤维增强复合材料零件中长纤维取向的可控制造,获得特定力学性能的复合材料零件,与传统工艺相比,又能够大大地减少制造成本和时间,提高了生产效率和经济性。但是该多自由度3D打印机打印具有悬空的复杂模型还是需要打印支撑,这样影响打印速度、生产效率、耗材多。
专利公开号为CN106827500A的实用新型专利公开了一种头盖骨替代物多自由度3D打印方法,其包括:对头盖骨进行三维成像,得到头盖骨的几何尺寸原始数据;建立头盖骨的三维模型;将三维模型按照头盖骨形状进行分层,转化为截面数据;选择打印材料;设置打印参数;进行多自由度3D打印。打印时沿经线和纬线方向交替打印 ,每一层都按照头盖骨的轮廓方向进行打印。本实用新型采用多自由度机械手装置,可以实现任意角度和任意运动轨迹的3D打印,提高头盖骨替代物的力学性能。本实用新型可以精确控制打印过程中每一层
的形状和打印方向,提高打印精度,实现具有特定力学性能的头盖骨替代物的快速制造。
虽然提高打印精度,但是打印速度降低,也无法解决无法支撑打印。
专利授权公告号为CN105599298B的实用新型专利公开了一种面向多自由度3D打印机器人的3D打印头机构控制系统及该系统的控制方法, 本实用新型控制系统包括多自由度机器人
中央控制器和3D打印头控制系统两部分。前者根据作业任务,主要完成多自由度3D打印机器人的笛卡儿空间运动轨迹规划,并同步完成对3D打印头状态监控和送丝机构的运动规划;后者由控制处理模块、电源隔离变换模块、隔离差分信号变换模块、数字信号隔离模块、步进电机驱动模块、加热模块和温度采集模块构成,其根据前者下传的控制指令,完成3D打印头的出丝控制。有效提高3D打印头机构控制系统的抗干扰能力。解决了当前3D打印机控制器与多自由度机器人控制系统的整合难度大和集成度低的问题,但是无法解决多个多自由度无碰撞运动控制的问题。
专利授权号为CN206030554U的专利公开了一种多自由度3D打印机器人,专利公开号为CN106217888A的实用新型专利公开了多自由度3D打印机器人,打印头通过串联机构安装于动平台,三组结构相同的并联机构的一端分别对应连接一组直线传动机构、另一端分别与动平台转动连接,三组并联机构分别对应连接的直线传动机构为X向直线传动机构、Y向直线传动机构和Z向直线传动机构,X向直线传动机构、Y向直线传动机构和Z向直线传动机构能够带动动平台实现X向、Y向和Z向平移,串联机构能够带动打印头实现绕Z轴向的旋转、绕X轴向的旋转其能解决采用现有单向3D打印机打印或修补实体存在的表面打印质量不稳定、修补效果差、实体的力学性能具有方向性的问题,打印头能够根据实体造型进行五个自由度方向的调整以有效避免干扰,提高修补效果。但是其无法实现多组多自由度同时进行打印;采用步进电机无法实现完全反馈控制,导致打印机精度差;同时结构复杂。
专利授权公告为CN205573038U的实用新型专利公开了多自由度3D打印机器人,包括机架,所述机架通过支撑杆与机架上盖连接,所述机架上盖为六边形,机架上盖的6个顶点处分别设有虎克铰链,每个虎克铰链对应1个伸缩机构,伸缩机构的一端与虎克铰链连接,伸缩机构的另一端通过球铰链与效应器连接;所述效应器为六边形,球铰链分别位于效应器的六个顶点处;所述效应器下方设有热熔腔,热熔腔下设有打印头;所述机架上设有打印热床。虽然其可实现打印头在空间内作六自由度运动,增加打印灵活性,提高打印效率,但是采用铰链结构相连接和六边形悬挂式并联臂,铰链结构连接存在间隙,六边形悬挂式并联臂容易摆动引起误差,导致控制不是非常精准,打印机质量较差。
专利授权号为CN205905431U的专利公开了一种机械臂式3D打印机,专利公开号为CN105965897A的实用新型专利公开了一种机械臂式3D打印机, 包括机械传动部分、零件工作台部分、可摆动喷头部分、滑动机构和底座。机械传动部分包括主动臂、从动臂、连杆机构、旋转关节、曲柄、电机A、皮带A、电机B、皮带B和执行末端座。零件工作台部分包括工作台、连接座和电机E。可摆动喷头部分包括舵机和喷头。本实用新型的3D打印机在打印包含悬空部位的零件时,所采用的可摆动喷头部分可根据悬空部位的特征自动调节喷头的摆动角度,实现无需支撑结构的高精度3D打印效果,具有无需支撑结构、伸缩灵活性强、打印精度高、产品体积小、打印效率高的优点。但是其零件打印工作台采用电机带动实现工作台的旋转运动,当打印大件物体并且具有大于等于90度的悬空部件时,工作台需要旋转的角度也是大于等于90度,并且要求旋转的速度快,由于工作台旋转幅度大、速度快的原因,造成旋转工作台上的大件物体震动比较大,影响打印精度,甚至容易脱落。
目前市场上主流的3D打印机有喷墨式、熔融沉积式、激光烧洁式等成型制造方式。其中,以熔融推积制造成型的方式应用最为广泛。但是,这种成型方式无法打印出一些带有悬空部位的零件,因而需要人为地在零件的悬空部位下方添加支撑结构,否则打印材料将悬在空中而无法推积。因此,采用熔融沉积制造成型方式的3D打印机,普遍存在以下不足之处:
1)打印过程中需要添加支撑结构,导致打印出来的产品精度较差;
2)打印过程中需要添加支撑结构,结束后需要人工处理,因此耗料多、自动化程度低、效率低;
3)打印机的喷头运动方向单一,挤出材料的端口与工作台平行,灵活性差;
4)市面上销售的大多数3D打印机为单喷头,打印的效率较低;
5)现有的3D打印机都是暴露在空气中打印,容易受到环境温度,环境粉尘的影响,使产品容易产生形变;
6)采用框架固定的龙门式结构,结构复杂,体积笨重。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是:提供一种360度立体旋转双机械臂式3D打印机,以解决现有3D打印机存在的打印悬空模型需要支撑、产品精度差、耗料多、自动化程度低、效率低、灵活性差的不足之处。
解决上述技术问题的技术方案是:一种360度立体旋转双机械臂式3D打印机,包括打印平台系统、机械臂系统、打印喷头、控制系统,所述的机械臂系统包括机械臂整体底盘、两个多自由度机械臂系统,所述的多自由度机械臂系统为至少6自由度机械臂系统,所述的打印喷头有两套,该打印喷头为旋转式打印喷头;机械臂整体底盘可360度旋转安装在打印平台系统外;两个多自由度机械臂系统的底端分别可360度旋转安装在机械臂整体底盘上,两个多自由度机械臂系统的顶端分别与打印喷头连接,打印喷头、多自由度机械臂系统的输入端分别与控制系统的输出端连接。
本实用新型的进一步技术方案是:所述的多自由度机械臂系统包括第一电机~第四电机以及依次铰接在一起的机械臂底座、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、末关节,所述的机械臂底座可360度旋转安装在机械臂整体底盘上,末关节与打印喷头连接;第一电机的输出端与第一机械臂连接,第二电机的输出端与第二机械臂连接,第三电机的输出端与第三机械臂连接,第四电机的输出端与末关节连接;第一电机、第二电机、第三电机、第四电机的输入端分别与控制系统的输出端连接。
本实用新型的再进一步技术方案是:所述的打印喷头包括喷头和舵机,喷头与舵机的输出端连接,舵机安装在多自由度机械臂系统的末关节上,并且舵机的输入端分别与控制系统连接。
本实用新型的再进一步技术方案是:该打印机还包括有真空机身环境系统,所述的真空机身环境系统包括真空泵、真空机身框架、传感器模块,所述的真空机身框架安装在打印平台系统、机械臂系统、打印喷头外,真空泵安装在真空机身框架上,传感器模块安装在真空机身框架内,传感器模块的输出端与控制系统的输入端连接,控制系统的输出端与真空泵的输入端连接。
本实用新型的再进一步技术方案是:所述的控制系统包括多自由度机械臂控制器、真空泵控制模块、喷头控制模块,多自由度机械臂控制器的输出端分别与第一电机、第二电机、第三电机、第四电机的输入端连接,真空泵控制模块的输入端与传感器模块的输出端连接,真空泵控制模块的输出端与真空泵的输入端连接;喷头控制模块的输出端分别与喷头、舵机的输入端连接。
本实用新型的再进一步技术方案是:所述的真空泵控制模块包括真空泵控制电路、继电器模块,真空泵控制电路的输入端与传感器模块的输出端连接,真空泵控制电路的输出端通过继电器模块与真空泵的输入端连接。
本实用新型的再进一步技术方案是:所述的打印平台系统包括板面光滑平整的打印平台。
由于采用上述结构和方法,本实用新型之360度立体旋转双机械臂式3D打印机与现有技术相比,具有以下有益效果:
1.可实现无支撑打印:
由于本实用新型包括打印平台系统、机械臂系统、打印喷头、控制系统,其中,机械臂系统包括机械臂整体底盘、两个多自由度机械臂系统,多自由度机械臂系统为至少6自由度机械臂系统,所述的打印喷头有两套,该打印喷头为旋转式打印喷头;机械臂整体底盘可360度旋转安装在打印平台系统外;两个多自由度机械臂系统的底端分别可360度旋转安装在机械臂整体底盘上,两个多自由度机械臂系统的顶端分别与打印喷头连接,打印喷头、多自由度机械臂系统的输入端分别与控制系统的输出端连接。本实用新型在打印过程中,打印包含悬空部位的零件时,可根据悬空部位的特征自动调节多自由度机械臂系统、旋转式打印喷头的角度,实现无支撑结构的高精度3D打印效果。
2. 产品精度高:
由于本实用新型可实现无支撑结构的高精度3D打印效果,无需要在零件的悬空部位下方添加支撑结构,使打印出来的产品精度得到提高。各个自由度之间都采用伺服电机进行反馈控制,加上优化算法,使其定位精度高。打印平台稳定,打印过程中物件不会有震动,提高打印精度。
3.打印效率高:
由于本实用新型包括打印平台系统、机械臂系统、打印喷头、控制系统,其中,机械臂系统包括机械臂整体底盘、两个多自由度机械臂系统,多自由度机械臂系统为至少6自由度机械臂系统,而且打印喷头有两套。因此,本实用新型可实现两个完全自动至少6自由度机械臂同时打印,其打印效率较高。此外,由于本实用新型的打印喷头为旋转式打印喷头,打印包含悬空部位的零件时,实现无支撑结构的高精度3D打印效果,从而可进一步提高打印效率。
4.可靠性高:
本实用新型的机械臂系统虽然采用了两个多自由度机械臂系统,其中多自由度机械臂系统为至少6自由度机械臂系统,但是本实用新型可保证两个多自由度机械臂系统之间不会相互干涉,这是因为本实用新型通过将模型分解成机械臂的动作指令,使其不撞模型,不互相撞臂,从而可以精准控制喷头在立体空间中任意运动。因此,本实用新型的可靠性较高。
5. 灵活性好:
由于本实用新型的打印喷头有两套,该打印喷头为旋转式打印喷头,打印机的喷头运动方向为任意方向,其灵活性较好。
6. 可保证产品质量:
由于本实用新型还包括有真空机身环境系统,该真空机身环境系统包括真空泵、真空机身框架、传感器模块,真空机身框架安装在打印平台系统、机械臂系统、打印喷头外,真空泵安装在真空机身框架上,传感器模块安装在真空机身框架内,传感器模块的输出端与控制系统的输入端连接,控制系统的输出端与真空泵的输入端连接。通过控制系统控制真空泵工作,通过传感器模块反馈信号,使真空机身环境系统达到真空状态。在真空环境中打印机的产品不受到环境温度,环境粉尘的影响,因此可避免产品产生形变,保证了产品质量。
7.智能化程度高:
由于本实用新型可实现多个机械臂同时运行打印,还可实现喷头自动旋转,其智能化程度高,减少劳动力。
8.节约人力资源、节能省耗:
由于本实用新型可实现喷头自动旋转,实现无支撑结构的高精度3D打印,和市面上普通打印,该打印后不需要人工去除支撑的操作,节省打印支撑部分的材料,节约了人力资源。
9.结构简单,成本低:
本实用新型的结构采用比较简单,生产成本较低,易于推广使用。
下面,结合附图和实施例对本实用新型之360度立体旋转双机械臂式3D打印机的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1:实施例一所述本实用新型之360度立体旋转双机械臂式3D打印机的结构示意图,
图2:本实用新型之360度立体旋转双机械臂式3D打印机打印有对称悬空部位模型的结构示意图,
图3:本实用新型之360度立体旋转双机械臂式3D打印机打印有非对称悬空模型的结构示意图,
图中的各标号说明如下:
1-打印平台系统,
2-机械臂系统,
21-机械臂整体底盘,
22-多自由度机械臂系统,
2201-机械臂底座,2202-第一电机,2203-第一机械臂,
2204-第二电机, 2205-第二机械臂,2206-第三电机,
2207-第三机械臂,2208-第四电机, 2209-末关节,
3-打印喷头,
31-喷头,32-舵机,
4-真空机身环境系统,
41-真空泵,42-真空机身框架,43-传感器模块,
5-控制系统,
51-多自由度机械臂控制器,
52-真空泵控制模块, 521-真空泵控制电路,522-继电器模块, 53-喷头控制模块,
6-打印模型。
具体实施方式
实施例一
一种360度立体旋转双机械臂式3D打印机,包括打印平台系统1、机械臂系统2、打印喷头3、真空机身环境系统4、控制系统5,其中:
所述的打印平台系统1包括打印平台,该打印平台采用板面光滑平整的平板,以保证受热均匀;
所述的机械臂系统2包括机械臂整体底盘21、两个多自由度机械臂系统22,所述的多自由度机械臂系统22为6自由度机械臂系统,所述的打印喷头3有两套,该打印喷头3为旋转式打印喷头;机械臂整体底盘21安装在打印平台系统1外,且机械臂整体底盘21的底部通过整体底盘转轴与旋转电机一的输出端连接,实现机械臂整体底盘的360度旋转;两个多自由度机械臂系统22的底端分别可360度旋转地安装在机械臂整体底盘21上,两个多自由度机械臂系统22的顶端分别与打印喷头3连接,打印喷头3、多自由度机械臂系统22的输入端分别与控制系统5的输出端连接。
所述的多自由度机械臂系统22包括第一电机~第四电机以及依次铰接在一起的机械臂底座2201、第一机械臂2203、第二机械臂2205、第三机械臂2207、末关节2209,所述的机械臂底座2201安装在机械臂整体底盘21上,且机械臂底座2201通过底座转轴与旋转电机二的输出端连接,实现机械臂底座2201的360度旋转,末关节2209与打印喷头3连接;第一电机2202的输出端与第一机械臂2203连接,第二电机2204的输出端与第二机械臂2205连接,第三电机2206的输出端与第三机械臂2207连接,第四电机2208的输出端与末关节2209连接;第一电机2202、第二电机2204、第三电机2206、第四电机2208以及旋转电机一、旋转电机二的输入端分别与控制系统5的输出端连接。打印时,第一电机2202驱动整个机械臂旋转运动;第二电机2204驱动第二机械臂2205伸缩运动;第三电机2206驱动第三机械臂2207作伸缩运动;第四电机2208驱动末关节2209作伸缩运动;
所述的打印喷头3包括喷头31和舵机32,喷头31与舵机32的输出端连接,舵机32分别安装在多自由度机械臂系统的末关节2209上,并且舵机32的输入端分别与控制系统5连接。
所述的真空机身环境系统4包括真空泵41、真空机身框架42、传感器模块43,所述的真空机身框架42安装在打印平台系统1、机械臂系统2、打印喷头3外,真空泵41安装在真空机身框架42上,传感器模块43安装在真空机身框架42内,传感器模块43的输出端与控制系统5的输入端连接,控制系统5的输出端与真空泵41的输入端连接。
所述的控制系统5包括多自由度机械臂控制器51、真空泵控制模块52、喷头控制模块53,其中:
所述的多自由度机械臂控制器51的输出端分别与第一电机、第二电机、第三电机、第四电机的输入端连接,
所述的真空泵控制模块52包括真空泵控制电路521、继电器模块522,真空泵控制电路521的输入端与传感器模块43的输出端连接,真空泵控制电路521的输出端通过继电器模块522与真空泵41的输入端连接。通过真空泵控制电路521、继电器模块522来控制真空泵工作,通过传感器模块反馈信号,使真空机身环境系统达到真空状态。
本实用新型在打印过程中,打印包含悬空部位的零件时,可根据悬空部位的特征自动调节多自由度机械臂系统、旋转式打印喷头的角度,实现无支撑结构的高精度3D打印效果,图2中所示的是本实用新型打印有对称悬空部位模型的结构示意图,图3中所示的是本实用新型打印有非对称悬空模型的结构示意图。
作为本实施例一的一种变换,所述的多自由度机械臂系统22还可以为7、8、9等多个自由度的多自由度机械臂系统。

Claims (7)

1.一种360度立体旋转双机械臂式3D打印机,包括打印平台系统(1)、机械臂系统(2)、打印喷头(3)、控制系统(5),其特征在于:所述的机械臂系统(2)包括机械臂整体底盘(21)、两个多自由度机械臂系统(22),所述的多自由度机械臂系统(22)为至少6自由度机械臂系统,所述的打印喷头(3)有两套,该打印喷头(3)为旋转式打印喷头;机械臂整体底盘(21)可360度旋转安装在打印平台系统(1)外;两个多自由度机械臂系统(22)的底端分别可360度旋转安装在机械臂整体底盘(21)上,两个多自由度机械臂系统(22)的顶端分别与打印喷头(3)连接,打印喷头(3)、多自由度机械臂系统(22)的输入端分别与控制系统(5)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的360度立体旋转双机械臂式3D打印机,其特征在于:所述的多自由度机械臂系统(22)包括第一电机~第四电机以及依次铰接在一起的机械臂底座(2201)、第一机械臂(2203)、第二机械臂(2205)、第三机械臂(2207)、末关节(2209),所述的机械臂底座(2201)可360度旋转安装在机械臂整体底盘(21)上,末关节(2209)与打印喷头(3)连接;第一电机(2202)的输出端与第一机械臂(2203)连接,第二电机(2204)的输出端与第二机械臂(2205)连接,第三电机(2206)的输出端与第三机械臂(2207)连接,第四电机(2208)的输出端与末关节(2209)连接;第一电机(2202)、第二电机(2204)、第三电机(2206)、第四电机(2208)的输入端分别与控制系统(5)的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的360度立体旋转双机械臂式3D打印机,其特征在于:所述的打印喷头(3)包括喷头(31)和舵机(32),喷头(31)与舵机(32)的输出端连接,舵机(32)安装在多自由度机械臂系统的末关节(2209)上,并且舵机(32)的输入端分别与控制系统(5)连接。
4.根据权利要求3所述的360度立体旋转双机械臂式3D打印机,其特征在于:该打印机还包括有真空机身环境系统(4),所述的真空机身环境系统(4)包括真空泵(41)、真空机身框架(42)、传感器模块(43),所述的真空机身框架(42)安装在打印平台系统(1)、机械臂系统(2)、打印喷头(3)外,真空泵(41)安装在真空机身框架(42)上,传感器模块(43)安装在真空机身框架(42)内,传感器模块(43)的输出端与控制系统(5)的输入端连接,控制系统(5)的输出端与真空泵(41)的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的360度立体旋转双机械臂式3D打印机,其特征在于:所述的控制系统(5)包括多自由度机械臂控制器(51)、真空泵控制模块(52)、喷头控制模块(53),多自由度机械臂控制器(51)的输出端分别与第一电机、第二电机、第三电机、第四电机的输入端连接,真空泵控制模块(52)的输入端与传感器模块(43)的输出端连接,真空泵控制模块(52)的输出端与真空泵(41)的输入端连接;喷头控制模块(53)的输出端分别与喷头(31)、舵机(32)的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的360度立体旋转双机械臂式3D打印机,其特征在于:所述的真空泵控制模块(52)包括真空泵控制电路(521)、继电器模块(522),真空泵控制电路(521)的输入端与传感器模块(43)的输出端连接,真空泵控制电路(521)的输出端通过继电器模块(522)与真空泵(41)的输入端连接。
7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的360度立体旋转双机械臂式3D打印机,其特征在于:所述的打印平台系统(1)包括板面光滑平整的打印平台。
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