CN215849667U - 一种4d打印用精密三维直驱气浮式运动平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及运动平台技术领域，尤其涉及一种适用于4D打印用精密三维直驱气浮式运动平台，该运动平台包括：底座、支架、气浮式运动H型组件、Z轴组件和控制器；支架设置在底座的上端面上，气浮式运动H型组件设置在支架下端的底座上，Z轴组件设置在所述支架的中心位置的侧壁上，且位于所述气浮式运动H型组件上方，通过气浮轴承与气浮导轨使它们之间实现无接触的相对运动。所述Z轴部分采用两个高精度气缸平衡重力及摩擦力，使Z轴电机在无负载的情况下运动。本实用新型机构精巧，可以极大地提高运动平台的定位精度与稳定性。本实用新型为4D打印通用型平台，可根据不同的材料更换定制的4D打印喷头与对应的打印平台。

Description

一种4D打印用精密三维直驱气浮式运动平台

技术领域

本实用新型涉及运动平台技术领域，尤其涉及一种适用于4D打印用精密三维直驱气浮式运动平台。

背景技术

精密运动平台是一种能够实现精密定位和精确运动的载物平台，广泛的应用与光刻机、高精度坐标测量仪、高精度数控机床等精密机械设备中。随着半导体技术、生物工程等新兴科技领域的发展，需要加工和检测的对象的特征尺寸逐步从毫米级发展到微米级、亚微米级，目前已经达到纳米级的水平。随着特征尺寸的不断缩减，对精密运动平台的精度、分辨率等方面提出了更严格的要求。同时为了提高效率和降低成本，需要加工和检测对象的尺寸又不断增加，这又对精密运动平台提出了大行程、高速度、高加速度、高稳定性等方面的要求。高精度和大行程以及其他各种性能要求的日益增长，对精密运动平台的设计与制造提出了更多的挑战。

所谓的4D打印，准确地说是指使用能够自动变形的活性材料打印而成的产品，其一般具有“自组装，自修复，自折叠”的功能。因为这几个功能，使用4D打印技术制造的产品摆脱了传统刚性结构的限制，更加具有灵活性。如在软体机器人领域，使用4D打印技术，以活性材料为骨架的软体机械臂可以更加灵活、更加精确地在狭小空间内完成任务；在航空航天领域中，形状聚合物和硬质基体材料结合的智能结构可以代替传统的机翼结构，成为可折叠固态飞行器的一部分。但目前国内已公开的专利中所设计的4D打印机均为采用传统的同步带传动或丝杠螺母传动，传统的传动结构运动平台定位精度因为摩擦阻尼的影响远不及直驱气浮式运动平台，针对4D 打印的精密三维直驱气浮式运动平台目前在国内尚属空白。

实用新型内容

本实用新型公开了一种4D打印用精密三维直驱气浮式运动平台，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任一问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种4D打印用精密三维直驱气浮式运动平台，所述运动平台包括：底座、支架、气浮式运动H型组件、Z轴组件和控制器；

其中，所述支架设置在所述底座的上端面上，所述气浮式运动H型组件设置在所述支架下端的底座上，所述Z轴组件设置在所述支架的中间位置的侧壁上，且位于所述气浮式运动H型组件上方；

所述控制器分别与所述气浮式运动H型组件和Z轴组件控制连接。

进一步，所述底座包括基座、基座导轨和限位装置；

其中，2个所述基座导轨对称设置在所述基座的上端面的前后位置上，且2个所述基座导轨的两端的端部均设有所述限位装置。

进一步，所述限位装置为液压阻尼器，所述基座为大理石基座。

进一步，所述气浮式运动H型组件包括X轴组件和Y轴组件；

其中，所述X轴组件包括2个X轴电机、左X轴单元和右X轴单元；

其中，所述左X轴单元和右X轴单元分别设置在2个所述基座导轨上，所述Y 轴组件设置在左X轴单元和右X轴单元之间，并分别于左X轴单元和右X轴单元固接；

2个所述X轴电机均设置在所述底部平台上与所述左X轴单元和右X轴单元驱动连接，驱动所述左X轴单元、右X轴单元和Y轴组件沿着所述基座导轨移动。

进一步，所述左X轴单元和右X轴单元均包括第一扁平圆气浮轴承和第一粘连式气浮轴承；

其中，2个所述第一扁平圆气浮轴承分别对称设置在2个所述导轨的内侧；

2个所述第一粘连式气浮轴承分别对称设置在2个所述导轨的顶部，且所述第一扁平圆气浮轴承与第一粘连式气浮轴承之间通过连接件连接。

进一步，所述Y轴组件包括Y轴电机、Y轴横梁、Y轴底座、Y轴导轨、第二扁平圆气浮轴承和第二粘连式气浮轴承；

其中，所述Y轴横梁设置在所述左X轴单元和右X轴单元之间，并与所述左X 轴单元和右X轴单元固接；

2个Y轴导轨对称设置在所述Y轴横梁的两端，一组所述第二扁平圆气浮轴承分别对称设置在2个Y轴导轨的内侧；

2个所述第二粘连式气浮轴承分别对称设置在2个Y轴导轨的顶部，且所述第二扁平圆气浮轴承与第二粘连式气浮轴承之间通过连接件连接，所述Y轴底座底部与2 个所述第二粘连式气浮轴承顶部连接，所述Y轴电机固定在所述Y轴底座上，且所述Y轴电机的输出端与所述第二扁平圆气浮轴承和第二粘连式气浮轴承驱动连接。

进一步，所述Y轴底座上设有负压通孔，且所述负压通孔的个数为多个。

进一步，所述Z轴组件包括Z轴电机、2个交叉滚子导轨、Z轴运动底座、Z轴固定座、2个气缸和光栅尺；

其中，所述Z轴电机包括Z轴电机初级和Z轴电机次级；

所述Z轴固定座固定在所述基座横梁的中心位置，2个所述气缸对称的固定在所述Z轴固定座的两侧，所述Z轴运动底座通过连接件与所述2个气缸的活动杆连接，所述Z轴电机初级设置在所述Z轴运动底座上，所述Z轴电机次级设置在所述Z轴固定座上，所述2个交叉滚子导轨对称地安装于Z轴运动底座与Z轴固定座的连接处。

进一步，所述气缸为单杆双作用气缸；所述Z轴电机为直线电机。

进一步，所述控制器为单片机，所述单片机上搭载自动控制运动套件。

本实用新型的有益效果是：由于采用上述技术方案，本实用新型的X轴向采用双驱同步控制，Y轴向采用单驱控制。H型结构形式使载台的重量直接由整个大理石底座承载，在X-Y的两维加工范围内，载台的支撑方式始终没有改变，载台的重心也没有发生改变，极大增加整个平台的稳定性；而传统十字叠加平台，载台在全幅面加工时，载台重心是随时变化的，稳定性不够。

2.X轴、Y轴采用气浮导轨与气浮轴承，可以在物体不接触的情况下完成相对运动，极大的减小了由摩擦产生的阻尼对运动平台定位精度的影响。

3.Z轴由高精度气缸平衡运动部分的重力及运动产生的摩擦力，使Z轴电机在零负载的情况下运动，极大的提高了定位精度。

附图说明

图1为本实用新型一种4D打印用精密三维直驱气浮式运动平台的结构示意图。

图2为本实用新型的气浮式运动H型组件的结构示意图。

图3为X轴组件剖切示意图。

图4为Y轴组件剖切示意图。

图5为Z轴组件正视示意图。

图6为Z轴组件俯视示意图。

图中：

1.底座、1-1.基座、1-2.基座导轨、1-3.限位装置、2.支架、3.气浮式运动H 型组件、3-1.X轴组件、3-11.X轴电机、3-12.左X轴单元、3-13.右X轴单元、3-121. 第一扁平圆气浮轴承、3-122.第一粘连式气浮轴承、3-2.Y轴组件、3-21.Y轴电机、 3-22.Y轴横梁、3-23.Y轴底座、3-24.Y轴导轨、3-25.第二扁平圆气浮轴承、3-26. 第二粘连式气浮轴承、3-27.负压通孔、4.Z轴组件、4-1.Z轴电机初级、4-2.Z轴电机次级、4-3.交叉滚子导轨、4-4.Z轴运动底座、4-5.Z轴固定座、4-6.气缸、4-7. 光栅尺、5.控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1所示，本实用新型一种4D打印用精密三维直驱气浮式运动平台，所述运动平台包括：底座1、支架2、气浮式运动H型组件3、Z轴组件4和控制器5；

其中，所述支架2设置在所述底座1的上端面上，所述气浮式运动H型组件3 设置在所述支架2下端的底座1上，所述Z轴组件4设置在所述支架2的中心位置的侧壁上，且位于所述气浮式运动H型组件3上方；

所述控制器5分别与所述气浮式运动H型组件3和Z轴组件4控制连接。

所述平台1包括基座1-1、基座导轨1-2和限位装置1-3；

其中，2个所述基座导轨1-2对称设置在所述基座1-1的上端面的前后位置上，且2个所述基座导轨1-2的两端的端部均设有所述限位装置1-3。

所述限位装置1-3为液压阻尼器，所述基座1-1为大理石基座。

所述气浮式运动H型组件3包括X轴组件3-1和Y轴组件3-2；

其中，所述X轴组件3-1包括2个X轴电机3-11、左X轴单元3-12和右X轴单元3-13；

其中，所述左X轴单元3-12和右X轴单元3-13分别设置在2个所述基座导轨 1-2上，所述Y轴组件4设置在左X轴单元3-12和右X轴单元3-13之间，并分别于左X轴单元3-12和右X轴单元3-13固接(如图2所示)。

2个所述X轴电机3-11均设置在所述基座1-1上，并与所述左X轴单元3-12和右X轴单元3-13驱动连接，驱动所述左X轴单元3-12、右X轴单元3-13带动Y轴组件4沿着所述基座导轨1-2移动。

所述左X轴单元3-12和右X轴单元3-13均包括第一扁平圆气浮轴承3-121和第一粘连式气浮轴承3-122；

其中，2个所述第一扁平圆气浮轴承3-121分别对称设置在2个所述基座导轨 1-2的内侧；

2个所述第一粘连式气浮轴承3-122分别对称设置在2个所述基座导轨1-2的顶部，且所述第一扁平圆气浮轴承3-121与第一粘连式气浮轴承3-122之间通过连接件连接。

所述Y轴组件3-2包括Y轴电机3-21、Y轴横梁3-22、Y轴底座3-23、Y轴导轨3-24、第二扁平圆气浮轴承3-25和第二粘连式气浮轴承3-26；

其中，所述Y轴横梁3-22设置在所述左X轴单元3-12和右X轴单元3-13之间，

2个Y轴导轨4-4对称设置在所述Y轴横梁3-22的两端，2个所述第二扁平圆气浮轴承3-25对称设置在2个Y轴导轨3-24的外侧；

2个所述第二粘连式气浮轴承3-26对称设置在2个Y轴导轨3-24的顶部，且2 个所述第二扁平圆气浮轴承3-25与第二粘连式气浮轴承3-26之间通过连接件连接，所述Y轴底座3-23底部与2个所述第二粘连式气浮轴承3-26顶部连接，所述Y轴电机3-21固定在所述Y轴底座3-23上，且所述Y轴电机3-21的输出端与所述第二扁平圆气浮轴承3-25和第二粘连式气浮轴承3-26驱动连接。

所述Y轴底座3-23上设有负压通孔3-27，且所述负压3-27通孔的个数为多个， (如图3所示)。

所述X轴电机和Y轴电机均可为直线电机。

所述Z轴组件4包括Z轴电机、2个交叉滚子导轨4-3、Z轴运动底座4-4、Z轴固定座4-5、2个气缸4-6和光栅尺4-7；

其中，所述Z轴电机包括Z轴电机初级4-1和Z轴电机次级4-2；

所述Z轴固定座4-5固定在所述支架2的中心位置的侧壁上，2个所述气缸4-6 对称的固定在所述Z轴固定座4-5的两侧，所述Z轴运动底座4-4通过连接件与所述2个气缸4-6的活动杆连接，所述Z轴电机初级4-1设置在所述Z轴运动底座4-4 上，所述Z轴电机次级4-2设置在所述Z轴固定座4-5上，所述2个交叉滚子导轨 4-3对称地安装于Z轴运动底座4-4与Z轴固定座4-5的连接处；

所述光栅尺4-7设置在所述Z轴固定座4-5的下端。

所述气缸4-6为单杆双作用气缸；所述Z轴电机为直线电机，(如图4和图5所示)。

所述控制器5为单片机，所述单片机上搭载自动控制(Automation1)运动套件

使用时，根据使用者的需求将打印喷头安装于Z轴组件4上，将打印平台安装于Y轴组件3-2上，安装完成后的进行调平；通过控制器5对X轴组件3-1、Y轴组件3-2和Z轴组件4进行零点的标定；将需要打印模型的G代码导入到控制器5中，在行进过程中重复的路径自动地进行优化迭代，按照顺序驱动X轴组件3-1、Y轴组件3-2和Z轴组件4的电机进行运动，基于一个轴的运动情况，通过控制器5自动对另一个轴的运动增加不同的前馈调节，实现跨轴前馈功能，从而减少其它运动轴的加速度等运动在该轴上引起的位置误差，最终实现多轴联动的精准控制，并提高平台的精度与稳定性。

以上对本申请实施例所提供的一种4D打印用精密三维直驱气浮式运动平台，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种4D打印用精密三维直驱气浮式运动平台，其特征在于，所述运动平台包括：底座、支架、气浮式运动H型组件、Z轴组件和控制器；

其中，所述支架设置在所述底座的上端面上，所述气浮式运动H型组件设置在所述支架下端的平台上，所述Z轴组件设置在所述支架的中心位置的侧壁上，且位于所述气浮式运动H型组件上方；

所述控制器分别与所述气浮式运动H型组件和Z轴组件连接。

2.根据权利要求1所述的运动平台，其特征在于，所述底座包括基座、基座导轨和限位装置；

其中，2个所述基座导轨对称设置在所述基座的上端面的前后位置上，且2个所述基座导轨的两端的端部均设有所述限位装置。

3.根据权利要求2所述的运动平台，其特征在于，所述限位装置为液压阻尼器，所述基座为大理石基座。

4.根据权利要求2所述的运动平台，其特征在于，所述气浮式运动H型组件包括X轴组件和Y轴组件；

其中，所述X轴组件包括2个X轴电机、左X轴单元和右X轴单元；

其中，所述左X轴单元和右X轴单元分别设置在2个所述基座导轨上，所述Y轴组件设置在左X轴单元和右X轴单元之间，并分别与左X轴单元和右X轴单元固接；

2个所述X轴电机均设置在所述基座上，并与所述左X轴单元和右X轴单元驱动连接，驱动所述左X轴单元、右X轴单元带动Y轴组件沿着所述基座导轨移动；

2个所述X轴电机均与所述控制器连接。

5.根据权利要求4所述的运动平台，其特征在于，所述左X轴单元和右X轴单元均包括第一扁平圆气浮轴承和第一粘连式气浮轴承；

其中，2个所述第一扁平圆气浮轴承分别对称设置在2个所述基座导轨的内侧；

2个所述第一粘连式气浮轴承分别对称设置在2个所述基座导轨的顶部，且所述第一扁平圆气浮轴承与第一粘连式气浮轴承之间通过连接件连接。

6.根据权利要求4所述的运动平台，其特征在于，所述Y轴组件包括Y轴电机、Y轴横梁、Y轴底座、Y轴导轨、第二扁平圆气浮轴承和第二粘连式气浮轴承；

其中，所述Y轴横梁设置在所述左X轴单元和右X轴单元之间；

2个Y轴导轨对称设置在所述Y轴横梁的两端，2个所述第二扁平圆气浮轴承对称设置在2个Y轴导轨的外侧；

2个所述第二粘连式气浮轴承对称设置在2个Y轴导轨的顶部，且2个所述第二扁平圆气浮轴承与第二粘连式气浮轴承之间通过连接件连接，所述Y轴底座底部与2个所述第二粘连式气浮轴承顶部连接，所述Y轴电机固定在所述Y轴底座上，且所述Y轴电机的输出端与所述第二扁平圆气浮轴承和第二粘连式气浮轴承驱动连接；

所述Y轴电机与所述控制器连接。

7.根据权利要求6所述的运动平台，其特征在于，所述Y轴底座上设有负压通孔，且所述负压通孔的个数为多个。

8.根据权利要求2所述的运动平台，其特征在于，所述Z轴组件包括Z轴电机、2个交叉滚子导轨、Z轴运动底座、Z轴固定座、2个气缸和光栅尺；

其中，所述Z轴电机包括Z轴电机初级和Z轴电机次级；

所述Z轴固定座固定在所述支架的中心位置的侧壁上，2个所述气缸对称的固定在所述Z轴固定座的两侧，所述Z轴运动底座通过连接件与所述2个气缸的活动杆连接，所述Z轴电机初级设置在所述Z轴运动底座上，所述Z轴电机次级设置在所述Z轴固定座上，所述2个交叉滚子导轨对称地安装于Z轴运动底座与Z轴固定座的连接处；

所述光栅尺设置在所述Z轴固定座的下端；

所述Z轴电机、光栅尺和2个气缸均与所述控制器连接。

9.根据权利要求8所述的运动平台，其特征在于，所述气缸为单杆双作用气缸；所述Z轴电机为直线电机，所述光栅尺为雷尼绍光栅尺。

10.根据权利要求1所述的运动平台，其特征在于，所述控制器为单片机，所述单片机上搭载自动控制运动套件。

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