[发明专利]一种四自由度3D打印机机械系统及方法

说明书

本发明公开了一种四自由度3D打印机机械系统及方法，包括基座、若干滚珠丝杠、解耦并联机构、辅助限制机构、旋转平台、负载支撑和控制器；解耦并联机构包括连接于滚珠丝杠上的三自由度单元和旋转自由度单元，三自由度单元连接旋转自由度单元，通过控制器实现执行机构解耦并联机构的四个自由度，控制器同时控制步进电机带动旋转平台沿基座的旋转，打印机加热模块通过喷嘴在旋转平台上进行全方位打印。本发明改善了打印机的性能，提高了打印机的稳定性、效率和精度。

技术领域

本发明涉及3D打印机机械系统，特别是一种四自由度3D打印机机械系统及方法。

背景技术

3D打印技术作为具有代表性的前沿技术之一，受到了很多国家的高度关注，在建筑、医疗器械、生物打印工业制造等方面的潜在价值逐渐被发掘出来，3D打印技术为目前的制造业掀起了一场新的革命。

目前市场上3D打印机外形大多是龙门式机构和较为流行的箱体结构，这两种打印机的结构都具有各自的优点，都使用串联机构作为其执行机构，但会给打印机带来打印精度差、速度低等问题，给3D打印机的推广带来了一定的困难。

龙门式机构例如Prusa i3和箱体结构的打印机：

Prusai3打印机最突出的特点是其简约的框架结构，整体占地面积小，主体为一个矩形龙门架负责打印机喷头进行z轴和y轴方向的移动，另一部分打印平台负责x轴方向的移动。但是这种结构在打印过程中模型会比较容易脱落，而且会影响打印速度。

箱体结构打印机：打印机喷头通过靠步进电机和同步带控制x轴和y轴方向上的运动，z轴上的移动是通过丝杠带动打印平台来实现的。因为打印机喷头可以能够xy轴方向移动，使空间上得到了最大的应用，大型工业级打印机会选择这种结构，打印喷头采用十字交叉的光杆或者直线滑块的固定方式使打印更加稳定，也间接提升了打印的精度与速度。但是这种结构较为复杂，不易装配，而且零件精度要求很高，整机的成本较高。

3D打印机最重要的部分是其执行机构，执行机构的变化会大大改善打印机的性能，因此设计一种新型解耦并联机构作为其执行机构的四自由度3D打印机，从而提高其稳定性、效率和精度。

发明内容

本发明提供一种四自由度3D打印机机械系统，包括解耦并联机构执行机构单元，其中有delta机构和曲柄摇杆机构共同完成执行机构的四自由度，旋转平台单元，通过这两部分的配合，共同实现四自由度3D打印机的全方位打印，提高其稳定性、效率和精度。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供了一种四自由度3D打印机机械系统，包括基座、若干滚珠丝杠、解耦并联机构、辅助限制机构、旋转平台、负载支撑和控制器；解耦并联机构包括连接于滚珠丝杠上的三自由度单元和旋转自由度单元，三自由度单元连接旋转自由度单元，旋转自由度单元上设有动平台、打印机加热模块和喷嘴；通过控制器控制三自由度单元配合辅助限制机构沿滚珠丝杠上下移动，三自由度单元带动旋转自由度单元沿X、Y、Z轴做三自由度移动、打印机加热模块和喷嘴沿动平台做一个转动自由度移动，从而实现执行机构解耦并联机构的四个自由度；同时控制器动控制旋转平台沿基座旋转移动，打印机加热模块通过喷嘴在旋转平台上进行打印。

作为优选，所述基座包括基座上底板和基座下底板，若干滚珠丝杠支撑于基座上底板和基座下底板之间，基座下底板底部设第一步进电机，第一步进电机通过联轴器连接滚珠丝杠。

作为优选，所述三自由度单元包括沿滚珠丝杠上下啮合的连接输入滑块、连接输入滑块上铰接的一对对称的第一旋转臂，第一旋转臂上连接连接杆，一对连接杆通过第一旋转臂连接第二旋转臂铰接动平台。

作为优选，所述辅助限制机构包括固定旋转支撑、固定旋转铝块和固定旋转滑轮；固定旋转支撑连接于基座上，并对称设于滚珠丝杠两侧；固定旋转支撑上设有固定旋转滑轮，固定旋转滑轮通过固定旋转铝块与连接输入滑块连接。