一种可重构索驱动型3D打印机

摘要

本发明公开了一种可重构索驱动型3D打印机，包括动平台，动平台上设有挤出装置，挤出装置连接打印喷头，动平台通过柔索B连接索驱动装置，索驱动装置安装在塔架上，塔架底部设有可移动塔座。本发明解决了现有3D打印机存在的占地面积大、打印空间小的问题。

权利要求

1.一种可重构索驱动型3D打印机，其特征在于：包括动平台，动平台上设有挤出装置，挤出装置连接打印喷头，动平台通过柔索B连接索驱动装置，索驱动装置安装在塔架上，塔架底部设有可移动塔座；

所述动平台分别通过两根柔索B连接索驱动装置；

所述索驱动装置包括底板，底板的上端设有滑轮支座B，滑轮支座B上设有滑轮B，滑轮B与柔索A的一端连接；底板的一侧面上还设有伺服电机B，伺服电机B的主轴上连接有齿轮E，齿轮E与齿轮D啮合，齿轮D安装在蜗杆上；

底板上设有相互平行的支撑板A和支撑板B，支撑板A和支撑板B均与底板的板面垂直，支撑板A和支撑板B之间通过四根平行设置的支撑杆A连接，两根支撑杆B分别依次穿过支撑板A和支撑板B后，两根支撑杆B的两端分别通过支座固定在底板上；

支撑板A上设有齿轮箱，齿轮箱内分别设有依次啮合的齿轮A、齿轮B及齿轮C，齿轮A套接在卷筒轴A的一端，卷筒轴A的另一端套接有卷筒B；

齿轮C套接在卷筒轴B的一端，卷筒轴B的另一端套接有卷筒C；

齿轮B套接在传动轴的一端，传动轴的另一端安装有蜗轮，蜗轮与蜗杆配合；

卷筒轴A、卷筒轴B与传动轴之间相互平行设置且均依次从支撑板A和支撑板B之间穿过；

底板上还设有横梁，横梁与传动轴垂直设置，横梁的两端分别安装有导向滑轮A和导向滑轮B；

卷筒B和卷筒C分别各连接一根柔索B的一端，两根柔索B的另一端连接在动平台上，且两根柔索B分别从导向滑轮A和导向滑轮B2上绕过，卷筒B与导向滑轮A对应同一根柔索B，卷筒C与导向滑轮B对应同一根柔索B；

所述塔架由若干个自下而上依次连接的塔节搭建而成，塔架的顶部设有承重台，承重台设置在位于塔架顶部的塔节上部，承重台的两端分别对称安装有滑轮支座A，每个滑轮支座A上安装有滑轮A，两个滑轮A之间通过柔索A连接，柔索A的一端连接在索驱动装置上；

塔架还包括伺服电机A，伺服电机A设置在位于塔架底部的塔节一侧，伺服电机A与减速箱连接，减速箱的输出轴连接有卷筒A，卷筒A与柔索A的另一端连接；

所述塔节包括立方体状的框架形基体，基体一侧面的相对两端分别设有直线导轨，塔架上的各塔节上的直线导轨依次拼接构成两条“直线型”导轨，两条所述“直线型”导轨上分别配合设有直线滑块，直线滑块与所述索驱动装置连接；

基体的上端面上设有塔节凸出部，基体的下端面设有塔节凹陷部，基体的左右两端的上下两侧还分别设有耳状凸起；相邻两个基体进行连接时，将上一个基体底部的塔节凹陷部对应卡在下一个基体顶部的塔节凸出部，塔节凸出部与塔节凹陷部的形状相适应，且相邻两个基体固定时，通过将螺栓穿在相邻两个基体上的耳状凸起内，对相邻两个基体进行固定。

说明书

一种可重构索驱动型3D打印机

技术领域

[0001] 本发明属于3D打印设备技术领域，涉及一种可重构索驱动型3D打印机。

背景技术

[0002] 3D打印属于新一代绿色高端制造业，与智能机器人、人工智能并称为实现数字化制造的三大关键技术，这项技术及其产业发展是全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮的重要基础。3D打印建筑是一种全新的建筑方式，其打印材料选择建筑废料、工业废渣等，通过一系列技术加工，粉碎磨细，加纤维、水泥及有机粘合剂等，做成“油墨”，从而应用于3D打印机上，同时让新建建筑不会产出新的建筑垃圾，大大减轻了建筑废料造成的环境压力，城市空气质量也会得到改善。目前市场上主流的3D打印机存在体积大、打印空间有限的问题，限制了3D打印机在建筑行业的应用和推广。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种可重构索驱动型3D打印机，解决了现有3D打印机存在的占地面积大、打印空间小的问题。

[0004] 本发明所采用的技术方案是，一种可重构索驱动型3D打印机，包括动平台，动平台上设有挤出装置，挤出装置连接打印喷头，动平台通过柔索B连接索驱动装置，索驱动装置安装在塔架上，塔架底部设有可移动塔座。

[0005] 本发明的特点还在于，

[0006] 动平台分别通过两根柔索B连接索驱动装置。

[0007] 索驱动装置包括底板，底板的上端设有滑轮支座B，滑轮支座B上设有滑轮B，滑轮B与柔索A的一端连接；底板的一侧面上还设有伺服电机B，伺服电机B的主轴上连接有齿轮E，齿轮E与齿轮D啮合，齿轮D安装在蜗杆上；

[0008] 底板上设有相互平行的支撑板A和支撑板B，支撑板A和支撑板B均与底板的板面垂直，支撑板A和支撑板B之间通过四根平行设置的支撑杆A连接，两根支撑杆B分别依次穿过支撑板A和支撑板B后，两根支撑杆B的两端分别通过支座固定在底板上；

[0009] 支撑板A上设有齿轮箱，齿轮箱内分别设有依次啮合的齿轮A、齿轮B及齿轮C，齿轮A套接在卷筒轴A的一端，卷筒轴A的另一端套接有卷筒B；

[0010] 齿轮C套接在卷筒轴B的一端，卷筒轴B的另一端套接有卷筒C；

[0011] 齿轮B套接在传动轴的一端，传动轴的另一端安装有蜗轮，蜗轮与蜗杆配合；

[0012] 卷筒轴A、卷筒轴B与传动轴之间相互平行设置且均依次从支撑板A和支撑板B之间穿过；

[0013] 底板上还设有横梁，横梁与传动轴垂直设置，横梁的两端分别安装有导向滑轮A和导向滑轮B；

[0014] 卷筒B和卷筒C分别各连接一根柔索B的一端，两根柔索B的另一端连接在动平台上，且两根柔索B分别从导向滑轮A和导向滑轮B上绕过，卷筒B与导向滑轮A对应同一根柔索B，卷筒C与导向滑轮B对应同一根柔索B。

[0015] 塔架由若干个自下而上依次连接的塔节搭建而成，塔架的顶部设有承重台，承重台设置在位于塔架顶部的塔节上部，承重台的两端分别对称安装有滑轮支座A，每个滑轮支座A上安装有滑轮A，两个滑轮A之间通过柔索A连接，柔索A的一端连接在索驱动装置上；

[0016] 塔架还包括伺服电机A，伺服电机A设置在位于塔架底部的塔节一侧，伺服电机A与减速箱连接，减速箱的输出轴连接有卷筒A，卷筒A与柔索A的另一端连接。

[0017] 塔节包括立方体状的框架形基体，基体一侧面的相对两端分别设有直线导轨，塔架上的各塔节上的直线导轨依次拼接构成两条“直线型”导轨，两条所述“直线型”导轨上分别配合设有直线滑块，直线滑块与所述索驱动装置连接；

[0018] 基体的上端面上设有塔节凸出部，基体的下端面设有塔节凹陷部，基体的左右两端的上下两侧还分别设有耳状凸起；相邻两个基体进行连接时，将上一个基体底部的塔节凹陷部对应卡在下一个基体顶部的塔节凸出部，塔节凸出部与塔节凹陷部的形状相适应，且相邻两个基体固定时，通过将螺栓穿在相邻两个基体上的耳状凸起内，对相邻两个基体进行固定。

[0019] 本发明的有益效果是,本装置中采用了索驱动装置与可重构的塔架结构，借助多根并联柔索进行力的传递，并在垂直方向采用索传动，实现打印喷头的位姿的控制，即通过多根柔索的收放和传动协调控制打印喷头实现任意空间轨迹的移动以实现3D打印功能。与普通并联臂3D打印机相比较，具有可重构性、柔性大、工作区间大、惯量小、体积小、响应快、高速性能好等特点。

附图说明

[0020] 图1是本发明一种可重构索驱动型3D打印机的结构示意图；

[0021] 图2是本发明一种可重构索驱动型3D打印机中塔架的结构示意图；

[0022] 图3是本发明一种可重构索驱动型3D打印机中索驱动装置的结构示意图；

[0023] 图4是本发明一种可重构索驱动型3D打印机中塔节的俯视立体图；

[0024] 图5是本发明一种可重构索驱动型3D打印机中塔节的仰视立体图；

[0025] 图6是本发明一种可重构索驱动型3D打印机可移动塔座的结构示意图。

[0026] 图中，1.塔架，1-1.滑轮支座A，1-2.承重台，1-3.卷筒A，1-4.伺服电机A，1-5.减速箱，1-6.滑轮A，1-7.柔索A；

[0027] 2.索驱动装置，2-1.滑轮B，2-2.滑轮支座B，2-3.卷筒B，2-4.底板，2-5.导向滑轮A，2-6.卷筒轴A，2-7.齿轮A，2-8.传动轴，2-9.齿轮B，2-10.轴承座，2-11.卷筒轴B，2-12.齿轮C，2-13.齿轮箱体，2-14.支撑板A，2-15.导向滑轮B，2-16.横梁，2-17.支撑板B，2-18.支撑杆A，2-19.卷筒C，2-20.支撑杆B，2-21.支座，2-22.半壳体A，2-23.蜗轮，2-24.蜗杆，2-25.齿轮D，2-26.半壳体B，2-27.齿轮E，2-28.伺服电机B；

[0028] 3.塔节，3-1.基体，3-2.直线导轨，3-3.塔节凹陷部，3-4.耳状凸起，3-5.塔节凸出部；

[0029] 4.可移动塔座，4-1.塔座体，4-2.手轮，4-3.螺杆，4-4.支撑钢脚，4-5.万向轮，4-6.导向筒；

[0030] 5.柔索B，6.打印喷头，7.动平台，8.挤出装置。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0032] 本发明一种可重构索驱动型3D打印机，结构如图1所示，包括动平台7，动平台7上设有挤出装置8，挤出装置8连接打印喷头6，动平台7分别连接四个索驱动装置2，且动平台7与每个索驱动装置2之间通过两根柔索B5连接，每个索驱动装置2安装在塔架1上，塔架1底部设有可移动塔座4。

[0033] 如图2所示，塔架1由若干个自下而上依次连接的塔节3搭建而成，可根据工件的大小适当调整塔节3的数目，从而实现可重构性。

[0034] 塔架1包括承重台1-2，承重台1-2设置在位于塔架1顶部的塔节3上部，承重台1-2的两端分别对称安装有滑轮支座A1-1，每个滑轮支座A1-1上安装有滑轮A1-6，两个滑轮A1-6之间通过柔索A1-7连接，柔索A1-7的一端连接在索驱动装置2上；

[0035] 塔架1还包括伺服电机A1-4，伺服电机A1-4设置在位于塔架1底部的塔节3一侧，伺服电机A1-4与减速箱1-5连接，减速箱1-5的输出轴连接有卷筒A1-3，卷筒A1-3与柔索A1-7的另一端连接。

[0036] 如图3所示，索驱动装置2包括底板2-4，底板2-4的上端设有滑轮支座B2-2，滑轮支座B2-2上设有滑轮B2-1，滑轮B2-1与柔索A1-7的一端连接；底板2-4的一侧面上还设有伺服电机B2-28，伺服电机B2-28的主轴上连接有齿轮E2-27，齿轮E 2-27与齿轮D 2-25啮合，齿轮D 2-25安装在蜗杆2-24上；

[0037] 底板2-4上设有相互平行的支撑板A2-14和支撑板B2-17，支撑板A2-14和支撑板B2-17均与底板2-4的板面垂直，支撑板A2-14和支撑板B2-17之间通过四根平行设置的支撑杆A2-18连接，两根支撑杆B2-20分别依次穿过支撑板A2-14和支撑板B2-17后，两根支撑杆B2-20的两端分别通过四个支座2-21固定在底板2-4上；

[0038] 支撑板A2-14上设有齿轮箱2-13，齿轮箱2-13内分别设有依次啮合的齿轮A2-7、齿轮B2-9及齿轮C2-12，齿轮A2-7套接在卷筒轴A2-6的一端，卷筒轴A2-6的另一端套接有卷筒B2-3；

[0039] 齿轮C2-12套接在卷筒轴B2-11的一端，卷筒轴B2-11的另一端套接有卷筒C2-19；

[0040] 齿轮B2-9套接在传动轴2-8的一端，传动轴2-8的另一端安装有蜗轮2-23，蜗轮2-23与蜗杆2-24配合；蜗轮2-23与蜗杆2-24被包裹在由半壳体A2-22和半壳体B2-26拼接组成的箱体内，且半壳体A2-22和半壳体B2-26通过螺栓固定在底板2-4内。

[0041] 卷筒轴A2-6、卷筒轴B2-11与传动轴2-8之间相互平行设置且均依次从支撑板A2-14和支撑板B2-17之间穿过，且卷筒轴A2-6、卷筒轴B2-11与传动轴2-8均通过轴承座2-10安装在支撑板A2-14和支撑板B2-17上；

[0042] 底板2-4上还设有横梁2-16，横梁2-16与传动轴2-8垂直设置，横梁2-16的两端分别安装有导向滑轮A2-5和导向滑轮B 2-15。

[0043] 卷筒B2-3和卷筒C2-19分别各连接一根柔索B5的一端，两根柔索B5的另一端连接在动平台7上，且两根柔索B5分别从导向滑轮A2-5和导向滑轮B2-15上绕过，卷筒B2-3与导向滑轮A2-5对应一根柔索B5，卷筒C2-19与导向滑轮B2-15对应一根柔索B5。

[0044] 如图4、5所示，塔节3包括立方体状的框架形基体3-1，基体3-1一侧面的相对两端分别设有直线导轨3-2，塔架1上的各塔节3上的直线导轨3-2依次拼接构成两条“直线型”导轨，两条“直线型”导轨上分别配合设有直线滑块3-6，直线滑块3-6与底板2-4的另一侧面连接；

[0045] 基体3-1的上端面上设有塔节凸出部3-5，基体3-1的下端面设有塔节凹陷部3-3，以方便塔节3定位安装，基体3-1的左右两端的上下两侧还分别设有耳状凸起3-4。相邻两个基体3-1进行连接时，将上一个基体3-1底部的塔节凹陷部3-3对应卡在下一个基体3-1顶部的塔节凸出部3-5，塔节凸出部3-5与塔节凹陷部3-3的形状相适应，且相邻两个基体3-1固定时，通过将螺栓穿在相邻两个基体3-1上的耳状凸起3-4内，对相邻两个基体3-1进行固定。

[0046] 如图6所示，可移动塔座4包括立方体状的塔座体4-1，塔座体4-1底部的前后两侧分别安装有万向轮4-5，塔座体4-1的四个顶角处分别设有导向筒4-6，导向筒4-6内壁设有内螺纹，且导向筒4-6内同轴设有螺杆4-3，螺杆4-3与导向筒4-6通过螺纹配合连接，螺杆4-3的上端安装有手轮4-2，螺杆4-3的下端安装有支撑钢脚4-4。

[0047] 本发明一种可重构索驱动型3D打印机的工作原理为，安装在塔架1上的索驱动装置2运转时，带动八根柔索B5做收放运动，从而带动动平台7与安装在其上的打印喷头6和挤出装置8在水平面运动。伺服电机A 1-4经过减速箱1-5驱动卷筒A 1-3作旋转运动，带动柔索A 1-8作收放运动，柔索A 1-8带动索驱动装置2上下运动，此外，直线滑块3-6与直线导轨3-2配合，起导向作用。从而实现打印喷头6空间位置的调整。实现了3D打印功能。

[0048] 索驱动装置2的工作原理为：伺服电机B 2-28带动齿轮E 2-27转动，齿轮E 2-27与齿轮D 2-25啮合带动蜗杆2-24转动，蜗轮2-23与蜗杆2-24配合作旋转运动。蜗轮2-23经过传动轴2-8带动齿轮B 2-9旋转，齿轮B 2-9同时与齿轮A 2-7和齿轮C 2-12作啮合运动，带动卷筒轴A 2-6和卷筒轴B 2-11转动，从而驱使卷筒A 2-3和卷筒B 2-19旋转完成柔索B5的收放。

[0049] 当本发明中塔架1要移动作方位调整时，转动手轮4-2，使螺杆4-3带动支撑钢脚4-4上升，降低塔座体4-1的高度使万向轮4-5着地。然后就可以直接推动塔架2在平面内移动。
当塔架1移动到达指定位置时，转动手轮4-2，使螺杆4-3带动支撑钢脚4-4下降，抬升塔座体
4-1的高度直至万向轮4-5离地。至此，塔架2位置调整完毕。

[0050] 本发明一种可重构索驱动型3D打印机依据的科学原理为，本发明中提供的3D打印机，实质是索驱动并联机器人，即是遵循力矢量闭合的条件，本发明在平衡状态无动作时，柔索仍然会因为承担末端执行器自重而受到拉力的作用。在这种情况下，必需全面的考虑柔索的配置，合理的设计结构，才能使末端打印喷头有较好的运动情况。

[0051] 假设本发明中共有n个刚体(包括机架)，如果将这些刚体用m个运动副连接起来，且每个运动副具有fi个自由度的，计算本装置的自由度数为：

[0052]

[0053] 式中：D——机构的自由度数；

[0054] n——构件总数(包括机架)；

[0055] m——运动副数目；

[0056] fi——第i个运动副具有的相对自由度

[0057] 通过对空间自由度计算公式的解算可以基本确定，三自由度索驱动型3D打印机，如果采用刚性杆件来驱动的话，则至少需要3根杆，就可以使末端执行器具有空间三自由度。但是因为柔索只能承受被张紧的拉力，所以要有冗余驱动力才能达到力闭合的要求。为满足3D打印机的n个自由度运动要求，必须有n+1个驱动力，即需要n+1根柔索。如果以驱动柔索数量来分类，可将其分为三种：

[0058] A.完全位置约束型；

[0059] B.在考虑重力影响等其他条件下，柔索数少于标准值的非完全位置约束型；

[0060] C.柔索数多余标准值的过完全位置约束型。

[0061] 通过对本发明一种可重构索驱动型3D打印机空间自由度计算公式的解算可以确定，三自由度打印机，如果采用索驱动的话，则至少需要4根索，就可以使打印喷头6具有空间3自由度，本发明提供的一种可重构索驱动型3D打印机中打印喷头6的位姿是由柔索B5的约束以及动平台7的上下运动来控制的。柔索B5在驱动刚体时会表现出一定特殊性，要求执行器末端保持平动且不能带有相对转动，因此本发明提供的一种可重构索驱动型3D打印机由8根柔索B5和1个动平台7来实现位姿变化，可实现刚体在X、Y、Z三个方向上的运动通过以上的自由度和运动类型分析可以确定。