CN105666888A - 一种基于fdm技术的数控成型设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FDM技术的数控成型设备，其包括X-Y-Z轴向平移组件、A-B-C轴向旋转组件和电控组件；所述X-Y-Z轴向平移组件包括底座、框架、材料挤出机、X向线性导轨、Y向线性导轨、Z轴升降台和Z轴螺杆步进电机；所述A-B-C轴向旋转组件包括A轴电机座、A轴步进电机、B轴电机转座、B轴步进电机、C轴电机支架、C轴步进电机和工作底盘；上述的A轴电机座固定在Y向线性导轨的滑块上，A轴步进电机安装在A轴电机座上，驱动B轴电机转座绕A轴转动；B轴步进电机安装在B轴电机转座上，驱动C轴电机支架绕B轴转动；C轴步进电机安装在C轴电机支架上，驱动工作底盘绕C轴转动。
Description
技术领域
本发明属于工业制造技术领域，涉及一种基于熔融堆积(FDM)技术的数控成型设备，用于模具制造、非标准件生产、复杂构造体加工等相关工业制造领域。
背景技术
FDM技术，即熔融层积技术，FusedDepositionModeling的简称，又可以称为熔融堆积技术，是快速成型技术的一种。这种技术的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，使用线材供料。
FDM技术现主要用于3D打印机等制造设备上，基于FDM的3D打印机的工艺原理主要利用细丝状原材料以及可熔的支撑材料从位于材料舱室的自动加载器向上传送到挤压头。在挤压头部，材料加热到半液态，经过两个挤压喷头嘴的挤压，挤出半流动的材料，在成形基底上沉积成非常精确的薄层。打印头在坐标轴X、Y方向移动，沉积基底沿着Z轴下降，成形好的原型及其支撑材料从下向上层层沉积。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构－“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。
这种技术不用激光，使用、维护简单，成本低。用ABS制造的原型因具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该技术有可能直接制造功能性零件。由于这种技术具有一些显著优点，该技术发展极为迅速，目前FDM***在全球已安装快速成形***中的份额大约为30％。
FDM增材制造技术优势主要在于:(1)、没有易损件，维护简单，运行成本和维护成本低。(2)、塑料丝材，容易清洁，更换，保存：与其他使用粉末和液态材料的技术相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。(3)、后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑，原型即可使用。而现在应用较多的SLA，SLS，3DP等技术均存在清理残余液体和粉末的步骤，并且需要进行后固化处理，需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染，二是增加了几个小时的时间。(4)、成型速度较快：FDM技术可通过减小原型密实程度的方法提高成型速度。通过试验，具有某些结构特点的模型，最高成型速度已经可以达到60立方厘米/小时。通过软件优化及技术进步，预计可以达到200立方厘米/小时的高速度。(5)、材料性能好，一直是FDM技术的主要优点：其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一，近年来又发展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，强度已经接近或超过普通注塑零件，可在某些特定场合(试用，维修，暂时替换等)下直接使用。在塑料零件领域，FDM技术是一种非常适宜的快速制造方式。
现有FDM技术3D打印机在成型过程中仍存在以下缺点：底板相对挤出喷口均具有三个自由度，即可沿X/Y/Z三个方向移动，每层均为二维图形，延Z轴向上逐层堆叠形成三维构件。成型底面的选择对切片方式和成型过程存在很大影响，构件的探出部分、中空壳体、孔洞等结构往往需添加支撑才可进行打印过程，且在加工过程中容易发生变形。制造出的构件在力学性能上呈现各向异性，构件的层间抗剪切、拉伸的能力很弱，这也制约了现有FDM技术3D打印机对复杂受力构件的加工成型。
在使用现有FDM成型设备进行构件加工时，为避免或优化这些问题，往往需要在构件设计时避免某些复杂形状的出现，成型工艺的单一也因此限制制约了利用增材制造进行零件加工的设计方法的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，公开了一种基于FDM技术的数控成型设备，本发明从机械结构设计到FDM成型加工的过程进行优化，减少FDM技术工艺要求，提供一种工艺性好、适合工业原型制造、以熔融堆积为核心技术的数控成型设备。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于FDM技术的数控成型设备，包括X-Y-Z轴向平移组件、A-B-C轴向旋转组件和电控组件；所述X-Y-Z轴向平移组件包括底座、框架、材料挤出机、X向线性导轨、Y向线性导轨、Z轴升降台和Z轴螺杆步进电机；所述A-B-C轴向旋转组件包括A轴电机座、A轴步进电机、B轴电机转座、B轴步进电机、C轴电机支架、C轴步进电机和工作底盘；
上述的A轴电机座固定在Y向线性导轨的滑块上，A轴步进电机安装在A轴电机座上，驱动B轴电机转座绕A轴转动；B轴步进电机安装在B轴电机转座上，驱动C轴电机支架绕B轴转动；C轴步进电机安装在C轴电机支架上，驱动工作底盘绕C轴转动。
本发明的优选实施方式和进一步的改进点如下：
(1)上述的底座和框架固定在一起，底座上安装有Z轴螺杆步进电机和Y向线性导轨，Z轴螺杆步进电机驱动Z轴升降台上下运动，X向线性导轨安装在Z轴升降台上，材料挤出机固定在X向线性导轨的滑块上。
(2)所述电控组件包括电源、主板、X轴限位开关、Y轴限位开关、Z轴限位开关、A轴限位开关、B轴限位开关、LCD显示屏、挤出机加热器和散热风扇；
上述电控组件中的电源、主板、LCD显示屏均固定在底座上，挤出机加热器、散热风扇安装在材料挤出机上，X向限位开关安装在X向线性导轨右端，Y向限位开关安装在Y向线性导轨后端，Z向限位开关安装在Z轴螺杆步进电机驱动的Z轴螺杆的下端，A轴限位开关安装在A轴电机座上，B轴限位开关安装在B轴电机转座上；
上述电源为主板供电，主板连接X轴限位开关、Y轴限位开关、Z轴限位开关、A轴限位开关、B轴限位开关、LCD显示屏、挤出机加热器和散热风扇；
上述主板向X向线性导轨、Y向线性导轨、Z轴螺杆步进电机、A轴步进电机、B轴步进电机、C轴步进电机供电并发送控制信号，通过向挤出机加热器、散热风扇发送控制信号对材料挤出机温度进行调节。
(3)所述X向线性导轨、Y向线性导轨和Z轴螺杆步进电机使材料挤出机相对工作底盘延X、Y、Z三方向平移；所述A轴步进电机驱动B轴、C轴整体在水平面内绕A轴转动，所述B轴步进电机驱动C轴在垂直于B轴的竖直平面内转动，C轴步进电机驱动工作底盘绕C轴转动；
所述A轴和Z轴平行；所述B轴和Y轴平行。
进一步的是：所述Z轴螺杆步进电机驱动沿Z轴方向设置的Z轴螺杆转动；所述Z轴螺杆上通过螺母啮合组装所述Z轴升降台；所述Z轴升降台为两个，对称的设置在X向线性导轨的两侧，其中一个Z轴升降台与所述Z轴螺杆啮合，另一个Z轴升降台滑动组装在与Z轴螺杆平行的导轨上。
进一步的是：所述材料挤出机向X轴正向移动、Y轴线性导轨的滑块向Y轴正向移动至最大处时触发X轴限位开关和Y轴限位开关并停止移动；
所述Z轴升降台向下移动至材料挤出机喷口与B轴位于同一水平面时触发Z轴限位开关并停止移动；
所述C轴绕B轴旋转至水平位置时触发B轴限位开关，此时B轴位置设置为0°；所述A轴限位开关对应的触发器安装在C轴电机支架上，B轴位于0°位置时，触发器随B轴电机转座绕A轴逆时针旋转，触发A限位开关后停止，此时A轴设置为0°。
进一步的是：所述X向线性导轨、Y向线性导轨和Z轴螺杆上均设置有光栅尺；所述A轴、B轴和C轴上设置有角度编码器；所述光栅尺和所述角度编码器与所述主板连接。
更进一步的是：所述主板为MCU。
进一步的是：所述X向线性导轨和Y向线性导轨包含沿着X轴和Y轴方向设置的丝杠，所述丝杠上啮合组装滑块；所述丝杠分别通过步进电机驱动。
本发明有益效果是：
本发明在保留FDM技术优点的同时，结合成熟的数控加工编程模式，增加三个转动自由度，将挤出机相对工作底板可以进行6自由度的空间运动。材料可以延不同方向沉积，这突破了常规增材制造的技术盲点，拓展了FDM技术的潜力，本发明在成型加工过程中的优势包括：
1.无需添加支撑结构即可完成悬臂、中空壳体、孔洞等结构的成型制造；
2.可精密完成旋转体制造过程，同时保证其细部结构的严格对称，易于实现旋转体零件的平衡性；
3.结构填充路径多样，避免层间应力缺陷造成的零件强度下降现象；
4.可实现对现有机构、零件的包覆式加工；
5.允许进行拥有复杂结构，或者需要达到复杂力学性能的构件的加工成型。
附图说明
图1为本发明的一种具体实施方式的主视方向的结构示意图；
图2为本发明的一种具体实施方式的侧视方向的结构示意图；
图3为本发明的A-B-C轴向旋转组件的一种具体实施方式的主视方向的结构示意图；
图4为本发明的A-B-C轴向旋转组件的一种具体实施方式的侧视方向的结构示意图；
图5为本发明的A-B-C轴向旋转组件的工作底盘的一种工作状态的结构示意图；
图6为本发明的一种具体实施方式的主视方向的结构示意图，其示出了工作底盘和材料挤出机的运动范围；
图7为本发明的一种具体实施方式的侧视方向的结构示意图，其示出了工作底盘和材料挤出机的运动范围；
图8为本发明的一种具体实施方式的俯视方向的结构示意图，其示出了工作底盘和材料挤出机的运动范围。
附图标记说明：
1：底座，2：框架，3：材料挤出机，4：X向线性导轨，5：Y向线性导轨，6：Z轴升降台，7：Z轴螺杆步进电机，8：A轴电机座，9：A轴步进电机，10：A轴，11：B轴电机转座，12：C轴电机支架，13：B轴，14：B轴步进电机，15：C轴，16：C轴步进电机，17：工作底盘，18：电源，19：主板，20：X轴限位开关，21：Y轴限位开关，22：Z轴限位开关，23：A轴限位开关，24：B轴限位开关，25：LCD显示屏，26：挤出机加热器，27：散热风扇。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图所示，其示出了本发明的具体实施方式，如图所示，本发明公开的一种基于FDM技术的数控成型设备，整体包括X-Y-Z轴向平移组件、A-B-C轴向旋转组件和电控组件；所述X-Y-Z轴向平移组件包括底座1、框架2、材料挤出机3、X向线性导轨4、Y向线性导轨5、Z轴升降台6和Z轴螺杆步进电机7；所述A-B-C轴向旋转组件包括A轴电机座8、A轴步进电机9、B轴电机转座11、B轴步进电机14、C轴电机支架12、C轴步进电机16和工作底盘17；所述电控组件包括电源18、主板19、X轴限位开关20、Y轴限位开关21、Z轴限位开关22、A轴限位开关23、B轴限位开关24、LCD显示屏25、挤出机加热器26和散热风扇27；
如图所示，上述的底座1和框架2固定在一起，底座1上安装有Z轴螺杆步进电机7和Y向线性导轨5，Z轴螺杆步进电机7驱动Z轴升降台6上下运动，X向线性导轨4安装在Z轴升降台6上，材料挤出机3固定在X向线性导轨4的滑块上；
如图所示，上述的A轴电机座8固定在Y向线性导轨5的滑块上，A轴步进电机9安装在A轴电机座8上，驱动B轴电机转座11绕A轴10转动；B轴步进电机14安装在B轴电机转座11上，驱动C轴电机支架12绕B轴13转动；C轴步进电机16安装在C轴电机支架12上，驱动工作底盘17绕C轴15转动；
如图所示，上述电控组件中的电源18、主板19、LCD显示屏25均固定在底座1上，挤出机加热器26、散热风扇27安装在材料挤出机3上，X向限位开关20安装在X向线性导轨4右端，Y向限位开关21安装在Y向线性导轨5后端，Z向限位开关22安装在Z轴螺杆步进电机驱动的Z轴螺杆的下端，A轴限位开关安装在A轴电机座8上，B轴限位开关安装在B轴电机转座11上；
如图所示，上述电源18为主板19供电，主板19连接X轴限位开关20、Y轴限位开关21、Z轴限位开关22、A轴限位开关23、B轴限位开关24、LCD显示屏25、挤出机加热器26和散热风扇27；
如图所示，上述主板16向X向线性导轨4、Y向线性导轨5、Z轴螺杆步进电机7、A轴步进电机9、B轴步进电机11、C轴步进电机13供电并发送控制信号，通过向挤出机加热器23、散热风扇24发送控制信号对材料挤出机3温度进行调节。
本发明在保留FDM技术优点的同时，结合成熟的数控加工编程模式，增加三个转动自由度(A轴、B轴和C轴)，将挤出机相对工作底盘可以进行六自由度的空间运动。成型材料可以延不同方向沉积，如此便突破了常规增材制造的技术盲点，拓展了FDM技术的潜力，本发明在成型加工过程中的优势包括但不限于：
1.无需添加支撑结构即可完成悬臂、中空壳体、孔洞等结构的成型制造；
2.可精密完成旋转体制造过程，同时保证其细部结构的严格对称，易于实现旋转体零件的平衡性；
3.结构填充路径多样，避免层间应力缺陷造成的零件强度下降现象；
4.可实现对现有机构、零件的包覆式加工；
5.允许进行拥有复杂结构，或者需要达到复杂力学性能的构件的加工成型。
本发明中，X、Y线性导轨和Z步进电机可使挤出机相对工作底盘延X、Y、Z三方向平移；A轴步进电机可驱动B轴、C轴整体在水平面内绕A轴转动，B轴步进电机可驱动C轴在垂直于B轴的竖直平面内转动，C轴步进电机可驱动工作底盘绕C轴转动，三个步进电机综合作用，可使挤出机相对工作底盘绕X、Y、Z三轴转动。
本发明中，X/Y/Z/A/B/C各线性导轨和步进电机协同作用，可使挤出机相对工作底盘具有六个自由度；当挤出机向X轴正向移动、Y轴线性导轨滑块向Y轴正向移动至最大处时触发X/Y限位开关并停止移动，X/Y向设置为坐标最大处；
Z轴升降台向下移动至挤出机喷口与B轴位于同一水平面时触发Z限位开关并停止移动，Z向设置为坐标最小处；
当C轴绕B轴旋转至水平位置时触发B轴限位开关，B轴位置设置为0°；A轴限位开关对应的触发器安装在C轴电机支架上，B轴置零后，触发器随B轴电机转座绕A轴逆时针旋转，触发A限位开关后停止，A轴设置为0°。
X/Y/Z三方向行程等于对应线性导轨或步进电机行程；A/C轴仅在设备开始工作前设置零位置，开始工作后无行程限制；B轴置零后，工作行程为90°～180°。
本发明在工作过程中，挤出机挤出半液态材料沉积在底板上，工作底盘按设定轨迹与挤出机进行相对运动，在沉积过程中可同时改变沉积方向，完成对拥有复杂结构，或者需要达到复杂力学性能的构件的加工成型。
本发明在工作工程中，接通电源后，并将本设备与电脑相连，开始进行X/Y/Z/A/B/C各线性导轨和步进电机的定位过程。之后，设备对挤出机进行加热，使材料达到熔融状态，主板在接收到由电脑发送的按照需求进行编写的G代码之后，由挤出机将熔融态材料挤出，X/Y/Z/A/B/C各线性导轨和步进电机按G代码设定轨迹移动，熔融态材料分层堆积在工作底盘上，进行零件的成型过程。
另外，在本发明的一些优选实施例中，如图所示，所述Z轴螺杆步进电机驱动沿Z轴方向设置的Z轴螺杆转动；所述Z轴螺杆上通过螺母啮合组装所述Z轴升降台；所述Z轴升降台为两个，对称的设置在X向线性导轨的两侧，其中一个Z轴升降台与所述Z轴螺杆啮合，另一个Z轴升降台滑动组装在与Z轴螺杆平行的导轨上。Z轴方向的升降采用两端同时支撑升降，使得整个升降过程非常平稳精准。
在本发明的一些优选实施例中，如图所示，所述X向线性导轨、Y向线性导轨和Z轴螺杆上均设置有光栅尺；所述A轴、B轴和C轴上设置有角度编码器；所述光栅尺和所述角度编码器与所述主板连接。本实施例公开的结构能够使得六个自由度的运动过程具备闭环控制的效果。
在本发明的一些优选实施例中，如图所示，所述主板为MCU。
在本发明的一些优选实施例中，如图所示，所述X向线性导轨和Y向线性导轨包含沿着X轴和Y轴方向设置的丝杠，所述丝杠上啮合组装滑块；所述丝杠分别通过步进电机驱动。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (9)
1.一种基于FDM技术的数控成型设备，其特征在于：包括X-Y-Z轴向平移组件、A-B-C轴向旋转组件和电控组件；所述X-Y-Z轴向平移组件包括底座、框架、材料挤出机、X向线性导轨、Y向线性导轨、Z轴升降台和Z轴螺杆步进电机；所述A-B-C轴向旋转组件包括A轴电机座、A轴步进电机、B轴电机转座、B轴步进电机、C轴电机支架、C轴步进电机和工作底盘；
上述的A轴电机座固定在Y向线性导轨的滑块上，A轴步进电机安装在A轴电机座上，驱动B轴电机转座绕A轴转动；B轴步进电机安装在B轴电机转座上，驱动C轴电机支架绕B轴转动；C轴步进电机安装在C轴电机支架上，驱动工作底盘绕C轴转动。
2.如权利要求1所述的一种基于FDM技术的数控成型设备，其特征在于：上述的底座和框架固定在一起，底座上安装有Z轴螺杆步进电机和Y向线性导轨，Z轴螺杆步进电机驱动Z轴升降台上下运动，X向线性导轨安装在Z轴升降台上，材料挤出机固定在X向线性导轨的滑块上。
3.如权利要求2所述的一种基于FDM技术的数控成型设备，其特征在于：
所述电控组件包括电源、主板、X轴限位开关、Y轴限位开关、Z轴限位开关、A轴限位开关、B轴限位开关、LCD显示屏、挤出机加热器和散热风扇；
上述电控组件中的电源、主板、LCD显示屏均固定在底座上，挤出机加热器、散热风扇安装在材料挤出机上，X向限位开关安装在X向线性导轨右端，Y向限位开关安装在Y向线性导轨后端，Z向限位开关安装在Z轴螺杆步进电机驱动的Z轴螺杆的下端，A轴限位开关安装在A轴电机座上，B轴限位开关安装在B轴电机转座上；
上述电源为主板供电，主板连接X轴限位开关、Y轴限位开关、Z轴限位开关、A轴限位开关、B轴限位开关、LCD显示屏、挤出机加热器和散热风扇；
上述主板向X向线性导轨、Y向线性导轨、Z轴螺杆步进电机、A轴步进电机、B轴步进电机、C轴步进电机供电并发送控制信号，通过向挤出机加热器、散热风扇发送控制信号对材料挤出机温度进行调节。
4.如权利要求3所述的一种基于FDM技术的数控成型设备，其特征在于：所述X向线性导轨、Y向线性导轨和Z轴螺杆步进电机使材料挤出机相对工作底盘延X、Y、Z三方向平移；所述A轴步进电机驱动B轴、C轴整体在水平面内绕A轴转动，所述B轴步进电机驱动C轴在垂直于B轴的竖直平面内转动，C轴步进电机驱动工作底盘绕C轴转动；
所述A轴和Z轴平行；所述B轴和Y轴平行。
5.如权利要求4所述的一种基于FDM技术的数控成型设备，其特征在于：所述Z轴螺杆步进电机驱动沿Z轴方向设置的Z轴螺杆转动；所述Z轴螺杆上通过螺母啮合组装所述Z轴升降台；所述Z轴升降台为两个，对称的设置在X向线性导轨的两侧，其中一个Z轴升降台与所述Z轴螺杆啮合，另一个Z轴升降台滑动组装在与Z轴螺杆平行的导轨上。
6.如权利要求3所述的一种基于FDM技术的数控成型设备，其特征在于：所述材料挤出机向X轴正向移动、Y轴线性导轨的滑块向Y轴正向移动至最大处时触发X轴限位开关和Y轴限位开关并停止移动；
所述Z轴升降台向下移动至材料挤出机喷口与B轴位于同一水平面时触发Z轴限位开关并停止移动；
所述C轴绕B轴旋转至水平位置时触发B轴限位开关，此时B轴位置设置为0°；所述A轴限位开关对应的触发器安装在C轴电机支架上，B轴位于0°位置时，触发器随B轴电机转座绕A轴逆时针旋转，触发A限位开关后停止，此时A轴设置为0°。
7.如权利要求3所述的一种基于FDM技术的数控成型设备，其特征在于：所述X向线性导轨、Y向线性导轨和Z轴螺杆上均设置有光栅尺；所述A轴、B轴和C轴上设置有角度编码器；所述光栅尺和所述角度编码器与所述主板连接。
8.如权利要求7所述的一种基于FDM技术的数控成型设备，其特征在于：所述主板为MCU。
9.如权利要求3所述的一种基于FDM技术的数控成型设备，其特征在于：所述X向线性导轨和Y向线性导轨包含沿着X轴和Y轴方向设置的丝杠，所述丝杠上啮合组装滑块；所述丝杠分别通过步进电机驱动。
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