慢大力快小力并联结构三维打印机制造技术

慢大力快小力并联结构三维打印机包括：绕线器（图中圆点）、传递拉力的绳子（图中和圆点相连的线）和摇篮（图中灰色区域），还包括机架和打印头。本实用新型专利技术通过控制绳子的长度获得摇篮的不同空间位置和姿态，其特征在于，整体采用不对称的并联结构，绕线器都固定在机架上；提供绕线器动力的电机转速不全相同，扭矩也不全相同，转速快的扭矩小，转速慢的扭矩大。本实用新型专利技术的有益效果是：实现了一种电机和机械成本低，打印范围大，负载能力强，对全彩打印支持较好的三维打印机。

【技术实现步骤摘要】

本技术主要使用在三维打印领域，也可用于一般的数控机床制造领域。
技术介绍
目前三维打印机的机械结构大多是串联的，其次是对称并联的。图1为串联结构三维打印机的示意图。串联结构的三维打印机是目前使用最广泛的三维打印机。其原理是在X,Y,Z方向上，分别由独立的电机驱动，结构简单，方便研发。串联结构的三维打印机，有负载寄生问题。图中，x轴电机3成了z轴电机1和2的负载，被打印的物体7，成了y轴电机5的负载。当这种打印机的尺寸做大时，x轴滑轨8，也需要变长、变粗，但是x轴滑轨8是z轴电机1和2的负载。在电机功率一定的情况下，无法无限制的增加x轴的打印范围。因为类似的问题，整个设备都无法做大。当打印头4变重时，x轴滑轨8需要加粗，z轴电机1和2的负载也随之增加。所以这种打印机打印头的重量也是有限的。这种打印机需要滑轨滑块和丝杆，这些都会增加机械成本。而机械并不像电子产品一样，掉价较快。机械成本比重大严重阻碍了三维打印机的快速发展。这种结构的打印机支持全彩打印较为困难。对称的并联结构三维打印机的最大特点是：每个电机对应的机械装置都是一样的，整个设备也是对称的。这种三维打印机中，最典型的就是三角洲(Delta)三维打印机，如图2所示。其原理是：根据当前所求打印头的位置，算出每个支撑杆端点的高度，再根据支撑杆端点的高度，计算出步进电机的驱动数据。首先，三角洲三维打印机的负重性能较差，所以一般采用远端送丝。其次，对于尺寸较大的设备，杆需要做的很长，为了保证杆的支撑力，杆就要做得很粗；杆的自身重量因此增加，导致设备的机械效率将低。这样也限制了，三角洲三维打印机尺寸的增加。再次，三角洲三维打印机同样存在，机械成本比重大的问题。最后，三角洲三维打印机一般不支持全彩打印。
技术实现思路
本技术描述的三维打印机，所使用的电机成本低于普通三维打印机使用的电机，机械成本低，机械成本占整机成本的比例小；打印范围基本上没有限制；其负载能力强，自由度多，未来可发展成全彩三维打印机。一般来说，电机成本和其输出功率成正向变动关系。在保证性能的前提下，可以通过降低电机功率节约成本。在三维打印的过程中，打印头主要是在水平方向上移动，竖直方向上移动不是很频繁。据此本技术将负责打印头水平方向移动的电机和竖直方向移动的电机分开，这两类电机的位置不对称。因为功率是速度和力度的乘积，速度和力度有一个保持较小的值，电机功率就不需要很大。从而能够选择廉价的低功率电机，节约成本。负责打印头水平方向上移动的电机，转速快，扭矩小；负责打印头竖直方向上移动的电机，转速慢，扭矩大。因为负责打印头竖直方向上移动的电机扭矩大，所以打印机的负重性能好，为以后扩展全彩打印做好了准备。为了节约机械成本，本技术仅仅采用绳子传动拉力。绳子的拉力来自于由电机带动的绕线器。本技术，不需要滑轨滑块或者丝杆。去掉了几乎所有值钱的机械装置。机械成本比例很低。因为全套设备只有拉力拉动打印头，没有推力，所以要在两个相反方向上实现打印头的移动，必须用双份的电机。这就需要控制软件做的复杂。因为软件的无限可复制性，软件的复杂程度，并不会大幅增加设备成本。因为本技术的传动装置，只有拉绳，所以设备可以做的很大，打印范围甚至可以做到楼房的尺寸。本技术通过复杂算法，控制绳子的长度，使得打印头不但可以在xyz方向上的移动，还可以在xyz方向上的转动。这样就可以支持全彩三维打印：打印耗材喷嘴和三基色与黑色颜料喷嘴朝不同的方向，转动打印头，让当前处于工作状态的喷嘴竖直向下，且位置最低。利用转动，还可以实现6自由度机床减法加工。可见本技术是一种电机和机械成本低，打印范围大，负载能力强，对全彩打印支持较好的三维打印机。附图说明图1为串联结构的三维的打印机。其中1和2为两个Z轴电机，3为X轴电机，5为Y轴电机。4为打印头，8为X轴导轨。7为被打印的物体。图2为三角洲(Delta)三维打印机。其中，斜线为杆，传递机械力。箭头旁边为杆的末端。竖直线为杆的末端的移动范围。三条斜线的交点即为安装打印头的位置。图3为本技术所述的三维打印机的机械结构示意图。图中1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15和16为绕线器，和绕线器相连的直线都代表传递拉力的绳子。绕线器1、2、3和4的电机的扭矩最大；5、6、7、8、9、10、11和12居中；13、14、15和16最小。17为摇篮，18（斜线阴影）为当前高度下，摇篮的水平活动范围。图4为利用摄像头和标定板实现“Home”功能的示意图。图中1为彩色编码标定板，2为摇篮，3位摄像头。具体实施方式下面结合附图对本技术的技术方案进行描述，很显然，附图所描述的仅仅是本技术的一部分而不是全部实施例。如图3所示，本技术包括：绕线器（图中圆点）、传递拉力的绳子（图中和圆点相连的线）和摇篮（图中灰色区域），还包括机架和打印头。摇篮水平移动时，为了减少上层电机的转动，上层电机位于较高的位置（图中深黑色的点），本技术中，摇篮在其移动范围的中心位置时，距离最上层电机大约1.5米，而摇篮的水平移动范围只有240毫米；这样，摇篮快速水平移动时，上层电机转的很慢。通过减速箱，上层绕线器可以在电机功率不变的前提下，输出较大的拉力，从而获得较大的载重能力。本技术使用的电机仅仅3W，载重3公斤以上。当然，本技术描述的三维打印机，在竖直方向上移动时，速度较慢。摇篮水平移动时，为了增加其移动速度，中间层的绕线器（图中黑色的点）有较高的转速。就好像生活中的摇篮或者秋千一样，本技术中的“摇篮”水平移动阻力很小。所以这一层的电机输出力矩并不大。驱动软件设计时，需要考虑到加速度。比如，摇篮走出一个线段时，在线段的两个端点附近，其移动速度较慢，在线段的中间附近，其移动速度较快。再比如，摇篮平动地走出一个圆圈时，需要根据绳子提供的最大向心力，算出最大的转动角速度。这一层绕线器的高度，位于打印高度范围的中心附近。驱动软件设计时，还需要考虑角加速度，比如摇篮绕Z轴旋转一个角度时，开始旋转较慢，然后旋转角速度逐渐增加，到旋转快结束时，角速度逐渐降低到零。下层电机因为摇篮自身的重量的帮助，可以采用扭矩更小的电机。为了保证相对较大的打印范围，这层绕线器对应的绳子，从上往下看，是向外斜的，这就导致了其速度要求更高。通过复杂的算法，控制绳子的长度，来实现摇篮X、Y、Z方向上的移动和绕X、Y、Z轴的转动。优选地，本实例中使用示意图中的拓扑，但是拓扑结构也可以改动，只要是拉力较大的电机速度较慢，速度较快的电机，拉力较小即可。优选地，本实例用了16个电机，在打印机尺寸和打印范围的矛盾中找到了一种平衡。也可以用其他数量的电机，电机越多打印范围越接近于打印机尺寸；电机越少，打印范围越比打印机尺寸小。优选地，本实例采用不同减速比的电机。实际上，也可以使用同一种减速比的电机。这种情况下，虽然不能节约设备制造成本；但是转动较慢的电机消耗的电能较少，从而节省打印时耗电。优选地，本实例的摇篮有6个自由度，不过可以简化成更少的自由度，比如摇篮只能移动不能转动，此时只有3个自由度。三维打印机所谓的Home是指，打印机刚刚上电后，获得上次断电时打印头的位置。对于串联结构的打印机，H本文档来自技高网...

【技术保护点】
慢大力快小力并联结构三维打印机，包括绕线器、传递拉力的绳子和摇篮，还包括机架和打印头，其特征在于，整体采用不对称的并联结构。

【技术特征摘要】
1.慢大力快小力并联结构三维打印机，包括绕线器、传递拉力的绳子和摇篮，还包括机架和打印头，其特征在于，整体采用不对称的并联结构。2.根据权利要求1所述的慢大力快小力并联结构三维打印机，其特征在于，所有绕线器的位置固定。3.根据权利要求1所述的慢大力快小力并联结构三维打印机，其特征在于，提供绕线器动力的电机转速不全相同，扭矩也不全相同，转速快的扭矩小，转速慢的扭矩大。4.根据权利要求3所述的慢大力快小力并联结构三维打印机，其特征在于，负重电机转速慢，扭矩大。5.根据权利要求3所述的慢大力快小力并联结构三维打印机，其特征在于，负责水平移动的电机，转速快，扭矩小。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：常兆芹，
类型：新型
国别省市：北京;11