[發(fā)明專利]一種四自由度3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)及方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110343622.4
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN112959658A
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳神麗;馬雪龍;馬欣;劉凌;梁小明;姚梓萌
• 申請（專利權(quán)）人: 西安文理學(xué)院
• 主分類號: B29C64/20
• 分類號: B29C64/20;B29C64/227;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

本發(fā)明公開了一種四自由度3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)及方法，包括基座、若干滾珠絲杠、解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)、輔助限制機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)平臺、負(fù)載支撐和控制器；解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括連接于滾珠絲杠上的三自由度單元和旋轉(zhuǎn)自由度單元，三自由度單元連接旋轉(zhuǎn)自由度單元，通過控制器實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個自由度，控制器同時控制步進(jìn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)平臺沿基座的旋轉(zhuǎn)，打印機(jī)加熱模塊通過噴嘴在旋轉(zhuǎn)平臺上進(jìn)行全方位打印。本發(fā)明改善了打印機(jī)的性能，提高了打印機(jī)的穩(wěn)定性、效率和精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)，特別是一種四自由度3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

3D打印技術(shù)作為具有代表性的前沿技術(shù)之一，受到了很多國家的高度關(guān)注，在建筑、醫(yī)療器械、生物打印工業(yè)制造等方面的潛在價值逐漸被發(fā)掘出來，3D打印技術(shù)為目前的制造業(yè)掀起了一場新的革命。

目前市場上3D打印機(jī)外形大多是龍門式機(jī)構(gòu)和較為流行的箱體結(jié)構(gòu)，這兩種打印機(jī)的結(jié)構(gòu)都具有各自的優(yōu)點，都使用串聯(lián)機(jī)構(gòu)作為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但會給打印機(jī)帶來打印精度差、速度低等問題，給3D打印機(jī)的推廣帶來了一定的困難。

龍門式機(jī)構(gòu)例如Prusa i3和箱體結(jié)構(gòu)的打印機(jī)：

Prusai3打印機(jī)最突出的特點是其簡約的框架結(jié)構(gòu)，整體占地面積小，主體為一個矩形龍門架負(fù)責(zé)打印機(jī)噴頭進(jìn)行z軸和y軸方向的移動，另一部分打印平臺負(fù)責(zé)x軸方向的移動。但是這種結(jié)構(gòu)在打印過程中模型會比較容易脫落，而且會影響打印速度。

箱體結(jié)構(gòu)打印機(jī)：打印機(jī)噴頭通過靠步進(jìn)電機(jī)和同步帶控制x軸和y軸方向上的運動，z軸上的移動是通過絲杠帶動打印平臺來實現(xiàn)的。因為打印機(jī)噴頭可以能夠xy軸方向移動，使空間上得到了最大的應(yīng)用，大型工業(yè)級打印機(jī)會選擇這種結(jié)構(gòu)，打印噴頭采用十字交叉的光桿或者直線滑塊的固定方式使打印更加穩(wěn)定，也間接提升了打印的精度與速度。但是這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易裝配，而且零件精度要求很高，整機(jī)的成本較高。

3D打印機(jī)最重要的部分是其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變化會大大改善打印機(jī)的性能，因此設(shè)計一種新型解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的四自由度3D打印機(jī)，從而提高其穩(wěn)定性、效率和精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種四自由度3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)，包括解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元，其中有delta機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)共同完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的四自由度，旋轉(zhuǎn)平臺單元，通過這兩部分的配合，共同實現(xiàn)四自由度3D打印機(jī)的全方位打印，提高其穩(wěn)定性、效率和精度。

本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。

本發(fā)明提供了一種四自由度3D打印機(jī)機(jī)械系統(tǒng)，包括基座、若干滾珠絲杠、解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)、輔助限制機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)平臺、負(fù)載支撐和控制器；解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括連接于滾珠絲杠上的三自由度單元和旋轉(zhuǎn)自由度單元，三自由度單元連接旋轉(zhuǎn)自由度單元，旋轉(zhuǎn)自由度單元上設(shè)有動平臺、打印機(jī)加熱模塊和噴嘴；通過控制器控制三自由度單元配合輔助限制機(jī)構(gòu)沿滾珠絲杠上下移動，三自由度單元帶動旋轉(zhuǎn)自由度單元沿X、Y、Z軸做三自由度移動、打印機(jī)加熱模塊和噴嘴沿動平臺做一個轉(zhuǎn)動自由度移動，從而實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個自由度；同時控制器動控制旋轉(zhuǎn)平臺沿基座旋轉(zhuǎn)移動，打印機(jī)加熱模塊通過噴嘴在旋轉(zhuǎn)平臺上進(jìn)行打印。

作為優(yōu)選，所述基座包括基座上底板和基座下底板，若干滾珠絲杠支撐于基座上底板和基座下底板之間，基座下底板底部設(shè)第一步進(jìn)電機(jī)，第一步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器連接滾珠絲杠。

作為優(yōu)選，所述三自由度單元包括沿滾珠絲杠上下嚙合的連接輸入滑塊、連接輸入滑塊上鉸接的一對對稱的第一旋轉(zhuǎn)臂，第一旋轉(zhuǎn)臂上連接連接桿，一對連接桿通過第一旋轉(zhuǎn)臂連接第二旋轉(zhuǎn)臂鉸接動平臺。

作為優(yōu)選，所述輔助限制機(jī)構(gòu)包括固定旋轉(zhuǎn)支撐、固定旋轉(zhuǎn)鋁塊和固定旋轉(zhuǎn)滑輪；固定旋轉(zhuǎn)支撐連接于基座上，并對稱設(shè)于滾珠絲杠兩側(cè)；固定旋轉(zhuǎn)支撐上設(shè)有固定旋轉(zhuǎn)滑輪，固定旋轉(zhuǎn)滑輪通過固定旋轉(zhuǎn)鋁塊與連接輸入滑塊連接。