CN110102764B - 一种基于电磁悬浮的打印机支架及3d生物打印机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及3D生物打印机技术领域，具体为一种基于电磁悬浮的打印机支架及3D生物打印机；具体包括一级悬浮支架和二级悬浮支架，所述一级悬浮支架和二级悬浮支架分别采用五个自由度操作，上下共形成十个自由度方向形成控制力，将相互垂直的两个自由度方向作为进给方向；其余八个自由度方向作为角度变化方向；采用磁悬浮代替传统机械结构，能够消除由于机械运动与摩擦带来的误差，提高了打印运动与控制的精度，更适合于3D生物打印这样精密的任务；同时减少了结构损耗，不需要频繁的进行机械结构的维护与修整，提高了3D生物打印机整体寿命。
Description
技术领域
本发明涉及3D生物打印机技术领域，尤其涉及一种3D生物打印机的运动支架结构，具体为一种基于电磁悬浮的打印机支架及3D生物打印机。
背景技术
被誉为“第三次工业革命的重要标志之一”的3D打印，正在迅速发展成为生物医学工程中的一项热门研究技术，其相关研究已在国内外掀起新一轮研究热潮。目前3D生物打印运动平台主要还是使用传统的机械方式，即刚性接触支承和“旋转电机+滚珠丝杠”驱动定位。这种方式受摩擦、磨损、驱动件的质量惯性和连接件之间的间隙等影响会降低设备的定位精度和响应频率，此外，在要求实现多自由度运动控制的场合，如果采用导轨和轴承作为支承部件，***的机械结构则会随自由度的增加变得十分复杂，并且刚度不容易提高。
磁悬浮技术是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。目前的悬浮技术主要包括磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、电悬浮、粒子束悬浮等，其中磁悬浮技术比较成熟。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。
目前磁悬浮技术多应用在悬浮列车上，专利号CN 104635761 B空间碎片磁悬浮方法、磁悬浮装置及控制***是一种三自由度运动控制***，专利号 CN 108829270 A 一种五自由度三维立体空间定向磁力悬浮鼠标及方法，采用五个自由度的操作设计：所述底座所处的两个自由度，所述伸缩杆运动所处的一个自由度，所述角度旋转传感器的两个自由度。专利号 CN 109322973 A 一种五自由度磁悬浮飞轮 五自由度磁悬浮飞轮中的径向磁轴承控制飞轮转子的两个径向平动，轴向磁轴承控制飞轮转子的轴向平动与两个径向偏转运动。以上现有的技术中还未有对3D生物打印机与磁悬浮相结合的研究；对于3D生物打印机，由于其精细的动作，对角度和方向的要求更为严格。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术所存在的问题，提高3D生物打印机的精度等各项指标，将磁悬浮技术应用于3D生物打印支架上，使3D生物打印机稳定悬浮，并实现多角度悬浮运动，提出了一种基于电磁悬浮的打印机支架及3D生物打印机。
本发明是通过如下技术方案实现的。
一种基于电磁悬浮的打印机支架，包括一级悬浮支架和二级悬浮支架，所述一级悬浮支架和二级悬浮支架分别采用五个自由度操作，上下共形成十个自由度方向形成控制力，将相互垂直的两个自由度方向作为进给方向；其余八个自由度方向作为角度变化方向。
所述一级悬浮支架包括一级悬浮轨道和一级悬浮体；所述二级悬浮支架包括二级悬浮轨道和二级悬浮体，所述一级悬浮轨道和二级悬浮轨道为倒立凹型，在所述一级悬浮轨道和二级悬浮轨道的倒立凹型内侧分别固定有磁式直线电机定子，所述的一级悬浮体和二级悬浮体同为上凹型结构，所述的一级悬浮轨道设置在一级悬浮体的上凹型结构内，所述的二级悬浮轨道设置在二级悬浮体的上凹型结构内，所述的一级悬浮体和二级悬浮体上凹型结构内部都固定有磁式直线电机动子和电磁铁；所述二级悬浮轨道固定在一级悬浮体下方构成一个整体，所述二级悬浮轨道与一级悬浮轨道相垂直设置，所述的一级悬浮轨道和二级悬浮轨道两侧分别布设有电磁线圈，用于在Z轴方向施加控制力。
进一步优化结构，所述的磁式直线电机动子固定在上凹型结构内部的下侧且设置在磁式直线电机定子之间。
进一步优化结构，所述电磁铁为多组，均匀分布设置在所述上凹型结构内侧。
更进一步的，所述一级悬浮体的上凹型结构内均匀分布有八组电磁铁，所述二级悬浮体的上凹型结构内均匀分布有四组电磁铁。
一种具有基于电磁悬浮支架的3D生物打印机，包括3D生物打印机本体，所述的3D生物打印机本体上设置有打印喷头，其特征在于，所述打印喷头固定在所述二级悬浮体上。
一种具有基于电磁悬浮支架的3D生物打印机，所述的一级悬浮轨道固定在一稳定结构上。
悬浮体内壁的电磁铁在电流驱动下产生磁力，位于悬浮导轨上侧布设的线圈产生与之相反的磁力，对两个悬浮体上的八个自由度（每级4个自由度）方向施加控制力实现稳定悬浮，保留剩余的自由度方向为进给方向，通过直线电机进行驱动，实现平面磁悬浮运动。然后再通过Z方向上磁力大小的控制，实现Z方向上运动，从而实现空间上的运动。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。
1、采用磁悬浮代替传统机械结构，能够消除由于机械运动与摩擦带来的误差，提高了打印运动与控制的精度，更适合于3D生物打印这样精密的任务。
2、磁悬浮结构相比于传统机械结构，不需要依靠摩擦产生动力，减少了结构损耗，不需要频繁的进行机械结构的维护与修整，提高了3D生物打印机整体寿命。
附图说明
图1是本发明所述支架的结构示意图。
图2是图1的正视图。
图3是图1的左视图。
图4是磁式直线电机结构图。
图5是悬浮轨道上侧电磁线圈布设图。
图6是一级悬浮轨道结构示意图。
图7是一级悬浮体与二级悬浮轨道连接结构示意图。
图8是二级悬浮体结构示意图。
其中，1为一级悬浮轨道，5为二级悬浮轨道，6为二级悬浮体，7为一级悬浮体，8为磁式直线电机定子，9为磁式直线电机动子，10为电磁铁，11为电磁线圈。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
如图1，图2和图3所示，是一种基于电磁悬浮的3D生物打印机支架，由两级悬浮结构组成，包括一级悬浮支架和二级悬浮支架，所述一级悬浮支架和二级悬浮支架分别采用五个自由度操作，上下共形成十个自由度方向形成控制力，将相互垂直的两个自由度方向作为进给方向；其余八个自由度方向作为角度变化方向。
所述一级悬浮支架包括一级悬浮轨道1和一级悬浮体7；所述二级悬浮支架包括二级悬浮轨道5和二级悬浮体6，如图6所示，所述一级悬浮轨道1和二级悬浮轨道5为倒立凹型，在所述一级悬浮轨道1和二级悬浮轨道5的倒立凹型内侧分别固定有磁式直线电机定子8，所述的一级悬浮体7和二级悬浮体6同为上凹型结构，所述的一级悬浮轨道1设置在一级悬浮体7的上凹型结构内，所述的二级悬浮轨道5设置在二级悬浮体6的上凹型结构内，所述的一级悬浮体7和二级悬浮体6上凹型结构内部都固定有磁式直线电机动子9，并且磁式直线电机动子9固定在上凹型结构内部的下侧且设置在对应的磁式直线电机定子8之间；所述一级悬浮体7的上凹型结构内均匀分布有八组电磁铁10，用于在Z方向和Y方向产生斥力与引力，稳定悬浮二级悬浮轨道5与一级悬浮体7，两者在磁式直线电机定子8和磁式直线电机动子9共同形成的磁式直线电机（如图4所示）的带动下在X方向上作直线运动。如图8为二级悬浮体6，所述二级悬浮体6的上凹型结构内均匀分布有四组电磁铁10，用于在Z方向和X方向产生引力与斥力，稳定悬浮二级悬浮体6。如图5所示，所述的一级悬浮轨道1和二级悬浮轨道5两侧分别布设有电磁线圈11，用于在Z轴方向施加控制力。如图7所示，所述二级悬浮轨道5固定在一级悬浮体7下方构成一个整体，所述二级悬浮轨道5与一级悬浮轨道1相垂直设置。
一种具有上述的基于电磁悬浮支架的3D生物打印机，包括3D生物打印机本体， 3D生物打印机本体上设置有打印喷头，所述打印喷头固定在所述二级悬浮体6上。对一级悬浮轨道固定1进行固定，以保证整个支架的稳定性。在通上电之后，上下两级悬浮体内部的电磁铁和导轨上侧的电磁线圈均产生磁力，在电路控制下，使得两级悬浮体稳定悬浮。待整体结构稳定之后，每一级悬浮体在磁式直线电机的驱动下沿着导轨作运动，完成XOY平面上的运动。通过调节位于悬浮轨道上侧线圈和悬浮体Z方向几组电磁铁的磁力大小，可以控制悬浮体在Z方向的运动，完成打印机喷头空间上的打印运动。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (6)
1.一种基于电磁悬浮的打印机支架，其特征在于，包括一级悬浮支架和二级悬浮支架，所述一级悬浮支架和二级悬浮支架分别采用五个自由度操作，上下共形成十个自由度方向形成控制力，将相互垂直的两个自由度方向作为进给方向；其余八个自由度方向作为角度变化方向；
所述一级悬浮支架包括一级悬浮轨道和一级悬浮体；所述二级悬浮支架包括二级悬浮轨道和二级悬浮体，所述一级悬浮轨道和二级悬浮轨道为倒立凹型，在所述一级悬浮轨道和二级悬浮轨道的倒立凹型内侧分别固定有磁式直线电机定子，所述的一级悬浮体和二级悬浮体同为上凹型结构，所述的一级悬浮轨道设置在一级悬浮体的上凹型结构内，所述的二级悬浮轨道设置在二级悬浮体的上凹型结构内，所述的一级悬浮体和二级悬浮体上凹型结构内部都固定有磁式直线电机动子和电磁铁；所述的一级悬浮轨道和二级悬浮轨道两侧分别布设有电磁线圈，用于在Z轴方向施加控制力；所述二级悬浮轨道固定在一级悬浮体下方构成一个整体，所述二级悬浮轨道与一级悬浮轨道相垂直设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁悬浮的打印机支架，其特征在于，所述的磁式直线电机动子固定在上凹型结构内部的下侧且设置在磁式直线电机定子之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁悬浮的打印机支架，其特征在于，所述电磁铁为多组，均匀分布设置在所述上凹型结构内侧。
4.根据权利要求3所述的一种基于电磁悬浮的打印机支架，其特征在于，所述一级悬浮体的上凹型结构内均匀分布有八组电磁铁，所述二级悬浮体的上凹型结构内均匀分布有四组电磁铁。
5.具有如权利要求1所述的一种基于电磁悬浮的打印机支架的3D生物打印机，包括3D生物打印机本体，所述的3D生物打印机本体上设置有打印喷头，其特征在于，所述打印喷头固定在所述二级悬浮体上。
6.根据权利要求5所述的3D生物打印机，其特征在于，所述的一级悬浮轨道固定在一稳定结构上。
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