CN107718550B - 柔索驱动3d打印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔索驱动3D打印机，包括立式支架，立式支架内设有末端执行器，立式支架竖直框边上分别滑动安装有升降滑块，立式支架底部四个拐角位置分别转动安装有滑轮组件，升降滑块连接的稳定柔索向下绕过滑轮组件后再倾斜向上连接在末端执行器，立式支架顶部框内设有可二维移动的移动件，立式支架顶部框的前、后侧框边上分别设有卷筒伺服电机，卷筒伺服电机卷筒上的吊挂柔索分别水平延伸至移动件穿过吊孔后再竖直向下连接在末端执行器。本发明利用柔索并联机构控制打印机喷头运动的3d打印机，兼容了传统刚性控制喷头运动3d打印机高效率、高精度的优点，弥补了传统3d打印机缺乏的柔性、空间有限、难以拆装和运输的缺陷。

Description

柔索驱动3D打印机

技术领域

本发明涉及3D打印机领域，具体是一种柔索驱动3D打印机。

背景技术

柔索并联机构是指采用柔索代替传统连杆作为牵引元件的并联机器人，而柔索并联机器人的关节驱动机构是机器人的重要部件之一。对一个驱动机构来讲，关心的是输出功率大小和作业适应性程度。对于前者，希望机构输出功率越大越好，而对于后者，希望作业适应性的程度越高越好。通常，机器人***中分别有普通常速电动机和伺服电动机两种电动机单独驱动。普通常速电动机功率高，但作业在线适应性差(即离线设置好它的转速后，无法在线调整)，而伺服电动机具有很好的在线适应性，但单位价格的输出功率较低(即相同功率情况下，伺服电动机的价格比普通常速电动机高的多)。近年来，随着柔索并联机器人在工程领域的应用不断扩大，这也对柔索并联机器人提出了更高的要求，不仅要求高精度、高效率、大负载地运转，而且要求具有更大的柔性输出，能迅速、方便地改变输出运动规律。然而，由于受到伺服电动机功率和扭矩的限制，目前还没有直接利用伺服电动机驱动大跨度、高负载的柔索并联机器人。

三维打印（3D printing），即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。对于一台3d打印机来讲，很重要的一点便是控制喷头运动的驱动机构。希望稳定性、精度、效率越高越好，成本、复杂性越低越好。近些年来，随着3d打印机不断地发展，也对其提出了更高的要求，不仅要求稳定性好、精度高，而且要求成本低、便拆装和运输以及要拥有更大的工作空间。然而目前还没有人想到将柔索并联机构和3d打印机结合在一起设计出一款通过柔索并联机构控制的3D打印机。

发明内容 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单，能够完成高精度、高稳定性、大空间打印，实现低成本代替传统高成本刚性3d打印机的一种基于柔索并联机构的3D打印机。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

柔索驱动3D打印机，其特征在于：包括矩形框架结构的立式支架，立式支架的底部框内设有用于支撑3D打印产品的热床，立式支架内位于热床上方设有末端执行器，末端执行器下端安装挤出头，该挤出头通入打印耗材，立式支架每个竖直框边上分别沿竖直方向滑动安装有升降滑块，立式支架底部四个拐角位置分别转动安装有滑轮组件，每个升降滑块分别连接有稳定柔索，每个稳定柔索分别向下绕过位置对应的滑轮组件后，再倾斜向上伸入立式支架内并连接在末端执行器下端边缘，由升降滑块通过稳定柔索带动末端执行器及挤出头整体移动；

所述立式支架顶部框内设有可在水平面内二维移动的移动件，该移动件悬于末端执行器上方，移动件的前、后侧分别设有多个吊孔，立式支架顶部框的前、后侧框边上分别设有多个卷筒伺服电机，且前、后侧卷筒伺服电机两两对称，每个卷筒伺服电机的卷筒上分别缠绕有吊挂柔索，吊挂柔索分别水平延伸至移动件并一一对应穿过移动件的吊孔后，再分别竖直向下连接在末端执行器上端，由吊挂柔索通过移动件吊挂末端执行器，以使多个稳定柔索分别处于张紧状态。

所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：立式支架每个竖直框边上还分别设有驱动对应升降滑块升降的升降滑块驱动机构，该升降滑块驱动机构由竖直安装在立式支架竖直框边上的同步带，以及驱动同步带运动的伺服驱动电机构成，升降滑块与同步带的带面固定连接，由伺服驱动电机通过同步带驱动升降滑块沿竖直框边滑动。

所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：立式支架底部四个拐角位置分别连接有下角件，每个下角件分别包括滑轮基座，所述滑轮组件由两组滑轮构成，两组滑轮分别转动安装在每个滑轮基座中，每个升降滑块分别连接有两股稳定柔索，每个升降滑块的两股稳定柔索分别向下一一对应绕过位置对应的下角件中两组滑轮后，再分别倾斜向上伸入立式支架内并连接在末端执行器下端边缘。

所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：卷筒伺服电机的卷筒向移动件延伸的吊挂柔索中分别接入有拉力传感器。

所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：立式支架顶部框上设有带动移动件在水平面内二维移动的二维移动机构，其中二维移动中沿左右方向即X向，沿前后方向即Y向，该二维移动机构包括分别转动安装在立式支架顶部框左、右侧框边上的Y向丝杠，左、右侧Y向丝杠的中心轴分别沿Y向，每个Y向丝杠一端由Y向丝杠支撑架支撑，每个Y向丝杠另一端由Y向伺服电机支撑并与Y向伺服电机的输出轴共中心轴传动连接，每个Y向丝杠上分别螺纹装配有螺母滑块构成丝杠螺母副，两螺母滑块相互对称，两螺母滑块顶部之间转动连接有X向丝杠，X向丝杠的中心轴沿X向，X向丝杠一端由X向丝杠支撑架支撑，X向丝杠另一端由X向伺服电机支撑并与X向伺服电机的输出轴共中心轴传动连接，所述移动件通过螺纹通孔螺纹装配在X向丝杠上，由移动件和X向丝杠形成丝杠螺母副。

所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：两螺母滑块之间还连接有沿X向的光杆，所述移动件通过光孔滑动装配在光杆上。

所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：所述末端执行器为一个筒体结构，筒体上端筒口边沿设有多个上吊耳，由上吊耳一一对应连接吊挂柔索，筒体下端边沿设有多个下吊耳，由下吊耳一一对应连接稳定柔索，所述挤出头安装在末端执行器下端中心位置，外部耗材轮上的耗材连续通入挤出头内，每个耗材轮分别由耗材轮基座支撑。

所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：还包括上位机、控制板，上位机通过数据线与控制板连接，控制板通过导线分别与卷筒伺服电机、伺服驱动电机、X向伺服电机、Y向伺服电机、拉力传感器连接。

本发明利用柔索并联机构控制打印机喷头运动的3d打印机，兼容了传统刚性控制喷头运动3d打印机的高效率、高精度的优点，弥补了传统3d打印机缺乏的柔性、空间有限、成本高、难以拆装和运输的缺陷。具有传统3d打印机的高效率、高精度及柔索并联机构的低成本、大空间、柔性可调、便于拆装和运输的优点。将柔索并联机构引入3d打印机，能够满足打印的要求，其结构简单、工作空间大、易拆装、可重组、模块化程度高、负载能力强、运动速度快、价格低廉，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的柔索并联机构控制的3D打印机的轴测图。

图2为本发明的柔索并联机构控制的3D打印机的整体主视图。

图3为本发明的3D打印机的滑轮架及滑轮的轴测图。

图4为本发明的柔索并联机构控制的3D打印机的俯视图。

图5为本发明的3D打印机执行器的主视图。

图6为本发明控制过程流程框图。

具体实施方式

如图1-图5所示，柔索驱动3D打印机，包括矩形框架结构的立式支架13，立式支架13的底部框内设有用于支撑3D打印产品14的热床15，立式支架13内位于热床14上方设有末端执行器12，末端执行器12下端安装挤出头29，该挤出头29通入打印耗材20，立式支架13每个竖直框边上分别沿竖直方向滑动安装有升降滑块3，立式支架13底部四个拐角位置分别转动安装有滑轮组件，每个升降滑块3分别连接有稳定柔索2，每个稳定柔索2分别向下绕过位置对应的滑轮组件后，再倾斜向上伸入立式支架13内并连接在末端执行器12下端边缘，由升降滑块3通过稳定柔索2带动末端执行器12及挤出头29整体移动；

立式支架13顶部框内设有可在水平面内二维移动的移动件30，该移动件30悬于末端执行器12上方，移动件30的前、后侧分别设有多个吊孔，立式支架13顶部框的前、后侧框边上分别设有多个卷筒伺服电机5，且前、后侧卷筒伺服电机两两对称，每个卷筒伺服电5机的卷筒上分别缠绕有吊挂柔索31，吊挂柔索31分别水平延伸至移动件并一一对应穿过移动件30的吊孔后，再分别竖直向下连接在末端执行器12上端，由吊挂柔索31通过移动件30吊挂末端执行器12，以使多个稳定柔索2分别处于张紧状态。

立式支架13每个竖直框边上还分别设有驱动对应升降滑块3升降的升降滑块驱动机构，该升降滑块驱动机构由竖直安装在立式支架竖直框边上的同步带11，以及驱动同步带11运动的伺服驱动电机7构成，伺服驱动电机7由角接头26固定在立式支架竖直框边上，升降滑块13与同步带11的带面固定连接，由伺服驱动电机7通过同步带11驱动升降滑块13沿竖直框边滑动。

如图1、图3所示，立式支架13底部四个拐角位置分别连接有下角件1，每个下角件1分别包括滑轮基座24，滑轮组件由两组滑轮23构成，两组滑轮23分别转动安装在每个滑轮基座24中，每个升降滑块3分别连接有两股稳定柔索2，每个升降滑块3的两股稳定柔索2分别向下一一对应绕过位置对应的下角件1中两组滑轮23后，再分别倾斜向上伸入立式支架13内并连接在末端执行器12下端边缘。

卷筒伺服电机5的卷筒向移动件30延伸的吊挂柔索31中分别接入有拉力传感器6。

如图1、图4所示，立式支架13顶部框上设有带动移动件30在水平面内二维移动的二维移动机构，其中二维移动中沿左右方向即X向，沿前后方向即Y向，该二维移动机构包括分别转动安装在立式支架13顶部框左、右侧框边上的Y向丝杠8，左、右侧Y向丝杠8的中心轴分别沿Y向，每个Y向丝杠8一端由Y向丝杠支撑架10支撑，每个Y向丝杠8另一端由Y向伺服电机4支撑并与Y向伺服电机4的输出轴共中心轴传动连接，每个Y向丝杠8上分别螺纹装配有螺母滑块32构成丝杠螺母副，两螺母滑块32相互对称，两螺母滑块32顶部之间转动连接有X向丝杠33，X向丝杠33的中心轴沿X向，X向丝杠33一端由X向丝杠支撑架支撑，X向丝杠33另一端由X向伺服电机9支撑并与X向伺服电机9的输出轴共中心轴传动连接，移动件30通过螺纹通孔螺纹装配在X向丝杠33上，由移动件30和X向丝杠33形成丝杠螺母副。

两螺母滑块32之间还连接有沿X向的光杆25，移动件30通过光孔滑动装配在光杆25上。

如图1、图2、图5所示，末端执行器12为一个筒体结构，筒体上端筒口边沿设有多个上吊耳27，由上吊耳27一一对应连接吊挂柔索31，筒体下端边沿设有多个下吊耳28，由下吊耳28一一对应连接稳定柔索2，挤出头29安装在末端执行器12下端中心位置，外部耗材轮21上的耗材20连续通入挤出头29内，每个耗材轮21分别由耗材轮基座22支撑。

还包括上位机19、控制板17，上位机19通过数据线18与控制板17连接，控制板17通过导线16分别与卷筒伺服电机5、伺服驱动电机7、X向伺服电机9、Y向伺服电机4、拉力传感器6连接。

本发明中，四组升降滑块3布置于立式框架13的竖直框边上，且四组升降滑块3呈十字形对称，滑轮23置于滑轮基座24上，滑轮基座通过螺钉固定在立式支架13底部拐角处，同时起支撑作用。升降滑块3套在立式支架13的竖直框边上，与同步带11和稳定柔索2相连，通过同步带11带动升降滑块3上下移动，同步带11同时与伺服驱动电机7相连。立式支架13的四组竖直框边通过八组水平杆固定成立方体结构。上面左右两杆各安装Y向丝杠螺母副，Y向丝杠螺母副中丝杠8转动由伺服电机4带动，其中一螺母滑块32固结一伺服电机9，连接一X向丝杠33，两个Y向、一个X向丝杠螺母副成工字形布置。卷筒伺服电机5、移动件30通过六根装有拉力传感器6的吊挂柔索31与3D打印机的末端执行器12相连，提供向上的张紧力。

如图6所示，柔索驱动3D打印机***控制方法，包括以下步骤：

（1）进行***的初始化，检测各个模块之间网络通讯状态是否良好，人工输入末端执行器的初始位置坐标；

（2）利用电脑进行三维建模，电脑软件对模型分层切片，获得控制指令并转化成G代码；

（3）开启各个传感器单元，检测安装在六根吊挂柔索上的拉力传感器，输入和反馈各类信号的实时状态，生成能实际运行的现场轨迹路线；

（4）柔索驱动3D打印机运动时，安装六根吊挂柔索上的拉力传感器，将测得的对应数据传送到控制板的反馈输入端，控制板实时处理测量数据并通过通讯模块把测量数据发送给电脑；

（5）电脑对接收到的信号进行分析处理，完成柔索驱动3D打印机的力学计算，控制***解算，获得控制指令，控制指令通过通信接口传送给控制板；

（6）控制板对接受的各类控制指令进行综合分析，计算出控制信号，分别将信号发送给柔索驱动3D打印机的控制电路中的柔索牵引机构控制电路、柔索稳定机构控制电路和喷头挤出装置控制电路，完成实时控制柔索驱动3D打印机进行柔索的收索与放索协调动作，进而实现3D打印机执行器空间三维平动自由度的高精度运动；

（7）安装在六根吊挂柔索上的拉力传感器，将进一步的检测柔索应力状态并及时传送到控制板的反馈输入端，控制板实时处理测量数据并通过通信装置把测量数据发送给电脑。

（8）***将按照以上步骤进行工作，直至打印工作完成。

工作原理：伺服驱动电机7作为升降滑块3的动力源，伺服电机4作为Y向丝杠螺母副的动力源。伺服驱动电机7通过皮带轮与同步带11相连，其转动带动皮带轮的转动，使同步带11带动升降滑块3上下滑动。升降滑块3通过稳定柔索2带动末端执行器12及挤出头29整体移动。伺服电机4通过连接头带动Y向丝杠8转动，使螺母滑块32、伺服电机9沿Y向丝杠8移动，两伺服电机4始终同步运动。伺服电机9通过连接头带动X向丝杠33转动，使移动件30沿X向丝杠33移动，移动件30通过装有拉力传感器6的吊挂柔索31与末端执行器12相连，提供向上的张紧力，使得下端八根柔索始终张紧。同时通过控制伺服电机4和9的转动进而控制螺母滑块的移动位置使其始终位于末端执行器12正上方。整个柔索并联机构控制的末端执行器具有空间三维平动自由度，通过四组升降滑块3、柔索和丝杠螺母副带动装有拉力传感器的柔索牵引末端执行器运动。

Claims (6)

1.柔索驱动3D打印机，其特征在于：包括矩形框架结构的立式支架，立式支架的底部框内设有用于支撑3D打印产品的热床，立式支架内位于热床上方设有末端执行器，末端执行器下端安装挤出头，该挤出头通入打印耗材，立式支架每个竖直框边上分别沿竖直方向滑动安装有升降滑块，立式支架底部四个拐角位置分别转动安装有滑轮组件，每个升降滑块分别连接有稳定柔索，每个稳定柔索分别向下绕过位置对应的滑轮组件后，再倾斜向上伸入立式支架内并连接在末端执行器下端边缘，由升降滑块通过稳定柔索带动末端执行器及挤出头整体移动；

所述立式支架顶部框内设有可在水平面内二维移动的移动件，该移动件悬于末端执行器上方，移动件的前、后侧分别设有多个吊孔，立式支架顶部框的前、后侧框边上分别设有多个卷筒伺服电机，且前、后侧卷筒伺服电机两两对称，每个卷筒伺服电机的卷筒上分别缠绕有吊挂柔索，吊挂柔索分别水平延伸至移动件并一一对应穿过移动件的吊孔后，再分别竖直向下连接在末端执行器上端，由吊挂柔索通过移动件吊挂末端执行器，以使多个稳定柔索分别处于张紧状态；

立式支架每个竖直框边上还分别设有驱动对应升降滑块升降的升降滑块驱动机构，该升降滑块驱动机构由竖直安装在立式支架竖直框边上的同步带，以及驱动同步带运动的伺服驱动电机构成，升降滑块与同步带的带面固定连接，由伺服驱动电机通过同步带驱动升降滑块沿竖直框边滑动；

立式支架底部四个拐角位置分别连接有下角件，每个下角件分别包括滑轮基座，所述滑轮组件由两组滑轮构成，两组滑轮分别转动安装在每个滑轮基座中，每个升降滑块分别连接有两股稳定柔索，每个升降滑块的两股稳定柔索分别向下一一对应绕过位置对应的下角件中两组滑轮后，再分别倾斜向上伸入立式支架内并连接在末端执行器下端边缘。

2.根据权利要求1所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：卷筒伺服电机的卷筒向移动件延伸的吊挂柔索中分别接入有拉力传感器。

3.根据权利要求1所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：立式支架顶部框上设有带动移动件在水平面内二维移动的二维移动机构，其中二维移动中沿左右方向即X向，沿前后方向即Y向，该二维移动机构包括分别转动安装在立式支架顶部框左、右侧框边上的Y向丝杠，左、右侧Y向丝杠的中心轴分别沿Y向，每个Y向丝杠一端由Y向丝杠支撑架支撑，每个Y向丝杠另一端由Y向伺服电机支撑并与Y向伺服电机的输出轴共中心轴传动连接，每个Y向丝杠上分别螺纹装配有螺母滑块构成丝杠螺母副，两螺母滑块相互对称，两螺母滑块顶部之间转动连接有X向丝杠，X向丝杠的中心轴沿X向，X向丝杠一端由X向丝杠支撑架支撑，X向丝杠另一端由X向伺服电机支撑并与X向伺服电机的输出轴共中心轴传动连接，所述移动件通过螺纹通孔螺纹装配在X向丝杠上，由移动件和X向丝杠形成丝杠螺母副。

4.根据权利要求3所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：两螺母滑块之间还连接有沿X向的光杆，所述移动件通过光孔滑动装配在光杆上。

5.根据权利要求1所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：所述末端执行器为一个筒体结构，筒体上端筒口边沿设有多个上吊耳，由上吊耳一一对应连接吊挂柔索，筒体下端边沿设有多个下吊耳，由下吊耳一一对应连接稳定柔索，所述挤出头安装在末端执行器下端中心位置，外部耗材轮上的耗材连续通入挤出头内，每个耗材轮分别由耗材轮基座支撑。

6.根据权利要求1或3所述的柔索驱动3D打印机，其特征在于：还包括上位机、控制板，上位机通过数据线与控制板连接，控制板通过导线分别与卷筒伺服电机、伺服驱动电机、X向伺服电机、Y向伺服电机、拉力传感器连接。

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