一种基于行星轮系3d打印机驱动机构及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于行星轮系3D打印机驱动机构，包括外齿圈、与所述外齿圈同心设置的太阳轮，呈180°夹角的对称啮合设置在外齿圈与太阳轮之间的两个行星轮、连接两个行星轮的行星架，每个行星轮均通过连接轴与同步带轮同轴连接，两个同步带轮之间连接有同步带，打印机挤出装置支撑杆与行星架固连，连接轴通过轴承装在行星架上，打印机挤出装置安装在同步带的一侧，并由该侧同步带带动，同时与所述打印机挤出装置支撑杆滑动配合。本发明还公开了一种基于行星轮系3D打印机驱动方法。本发明大大提高了电机利用率，减轻了电机负担，提升打印头移动速度，且整个打印机的打印精度由精度最高的那个电机所决定，使得打印精度有提升空间。
【专利说明】
-种基于行星轮系3D打印机驱动机构及方法
技术领域
[0001] 本发明设及3D打印领域，尤其设及一种基于行星轮系3D打印机驱动机构及方法。
【背景技术】
[0002] 传统XY式打印机在做单轴运动时，只有一个电机工作，电机的利用率低，打印头移 动速度慢，同时，打印头的移动精度受每个电机的精度影响，打印精度有待提高。
【发明内容】
[0003] 针对上述技术问题，本发明提供了一种基于行星轮系3的T印机驱动机构及方法。
[0004] 本发明是通过如下技术方案来实现的：
[0005] -种基于行星轮系3D打印机驱动机构，包括外齿圈、与所述外齿圈同屯、设置的太 阳轮，呈180°夹角的对称晒合设置在外齿圈与太阳轮之间的两个行星轮、连接两个行星轮 的行星架，每个行星轮均通过连接轴与同步带轮同轴连接，两个同步带轮之间连接有同步 带，打印机挤出装置支撑杆打印机挤出装置支撑杆与行星架固连，连接轴通过轴承装在行 星架上，打印机挤出装置安装在同步带的一侧，并由该侧同步带带动，同时与所述打印机挤 出装置支撑杆滑动配合，跟随同步带的移动而做平移运动。
[0006] 进一步地，每个行星轮的圆屯、与所连接的同步带轮的圆屯、位于同一竖直线上，同 时，两个同步带轮位于同于水平高度上。
[0007] -种采用所述驱动机构的3D打印机驱动方法，包括步骤：
[0008] 1)用极坐标(r，0)表示打印机挤出装置在平面中所在位置；
[0009] 2)通过设定外齿圈的角速度《。、行星轮的自转角速度《自、行星架的角速度《公、 太阳轮的角速度《3中的任两个为已知参量确定另两个的角速度；
[0010] 3)根据行星架的角速度《公和行星轮的角速度《自求得微小时间At内行星轮的径 向位移A 1和行星轮公转行星轮公转的角位移A 0，实现坐标的位移。
[0011] 4)打印机挤出装置角速度、位移由行星架的角速度《公直接决定，径向运动速度、 位移由行星轮的角速度《自直接决定。
[0012] 进一步地，所述步骤2)具体包括：
[001引21)由行星轮系传动关系得出变量外齿圈的角速度W。、行星轮的自转角速度W自、 行星架的角速度《公、太阳轮的角速度《3之间的关系式：
[0014] RcXwc = I?bXwg-(Ra+Rb)Xw% (1)
[001 引 RaXwa = I?bXwg+(Ra+Rb)Xw% (2)
[0016] 其中，Ra为太阳轮半径，肺为行星架半径，Rc为外齿圈半径；
[0017] 22)当设定四个变量中的任意两个为已知主动量时，上述两式即为二元一次方程 组，可解出剩余两从动量的表达式，例如当外齿圈的角速度《。、太阳轮的角速度《3为主动 量时，可解得：
[001引①行星架5)的角速度《公的表达式：
[0019]
，
[0020] ②行星轮(9)的自转角速度CO自的表达式
[0021]
[0022] 当设定其他两变量为主动量时的情况依此类推。
[0023] 进一步地，所述步骤3)具体包括：
[0024] 31)将所述行星轮的自转角速度《自表达式两边乘W At和化，得到微小时间At内 行星轮的径向位移A 1:
[0025]
[0026] 32)外齿圈的角速度表达式两边同时乘W At,得到微小时间At内行星轮公转的 角位移A 0 :
[0027]
[0028] 33)根据微小时间A t内行星轮的径向位移A 1和微小时间A t内行星轮公转的角 位移A 0作为位移量实现坐标的位移。
[0029] 进一步地，设定外齿圈的角速度《。为主动量是指用电机驱动外齿圈转动；
[0030] 设定行星轮的角速度cog为主动量是指用电机驱动行星轮转动；
[0031 ]设定行星架的角速度〇公为主动量是指用电机驱动行星架转动；
[0032] 设定太阳轮的角速度《3为主动量是指用电机驱动太阳轮转动。
[0033] 相比现有技术，本发明主要有W下优点：
[0034] 1、相比传统XY式打印机在做单轴运动时，只有一个电机工作，行星轮式打印机无 论是再做行星轮的旋转还是同步带轮的旋转时，都可W两个电机同时工作，大大提高了电 机的利用率，提升打印头移动速度，且整个打印机的打印精度由精度最高的那个电机所决 定，使得打印精度有提升空间。
[0035] 2、W ?3、为主动量时，可W根据电机的性能适配相应齿轮系的尺寸（Ra，肺， Rc)，W达到理想的工作状态。
[0036] 3、W ?自、《公为主动量时，可W略去外齿圈和太阳轮(行星轮也不需要用齿轮，没 有齿轮传动、配合机构），大大简化机构，使生产和加工的难度大大降低。
[0037] 4、行星齿轮结构3D打印机，利用行星齿轮机构多输入、多自由度的机械结构特性， 实现3D打印机打印头在打印平面内快速、高效的移动。
【附图说明】
[0038] 图1为本发明实施例的结构原理图。
[0039] 图2为本发明实施例的行星轮与同步带轮的装配示意图。
[0040] 图3为发明实施例的行星轮的径向位移示意图。
[0041 ]图4为发明实施例的打印机挤出装置安装示意图。
[0042] 图中所示为：1-第一行星轮;2-太阳轮;3-第二行星轮;4-外齿圈；5-行星架;6-打 印机挤出装置支撑杆;7-同步带轮;8-连接轴;9-行星轮;10-第一同步带轮；11-第二同步带 轮;12-打印机挤出装置;13-同步带。
【具体实施方式】
[0043] 下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一 寶述，但本发明的实施方式并不因此限定于W下实施例。
[0044] 如图1至图4所示，一种基于行星轮系3D打印机驱动机构，包括外齿圈4、与所述外 齿圈4同屯、设置的太阳轮2,呈180°夹角的对称晒合设置在外齿圈4与太阳轮2之间的两个行 星轮9、连接设置在两个行星轮9之间的行星架5,两个行星轮9分别为第一行星轮1和第二行 星轮3,每个行星轮9均通过连接轴8与同步带轮7同轴连接，两个同步带轮7分别为第一同步 带轮10和第二同步带轮11，第一同步带轮10和第二同步带轮11之间连接有同步带13,两个 连接轴8之间设置有打印装置支撑杆6,打印机挤出装置12安装在同步带13的一侧，同时与 所述打印机装置支撑杆6滑动配合，跟随同步带13的移动而做径向运动。
[0045] 每个行星轮9的圆屯、与所连接的同步带轮7的圆屯、位于同一竖直线上，同时，两个 同步带轮7位于同于水平高度上。
[0046] -种采用所述驱动机构的3D打印机驱动方法，包括步骤：
[0047] 1)用极坐标(r，0)表示打印机挤出装置12在平面中所在位置；
[0048] 2)通过设定外齿圈（4)的角速度行星轮9的自转角速度《自、行星架5的角速度 ?公、太阳轮(2)的角速度《3中的任两个为已知参量确定另两个的角速度；
[0049] 3)根据行星架的角速度《公和行星轮的角速度《自求得微小时间At内行星轮的径 向位移A 1和行星轮公转行星轮公转的角位移A 0，实现坐标的位移。
[0050] 4)打印机挤出装置角速度、位移由行星架的角速度《公直接决定，径向运动速度、 位移由行星轮的角速度《自直接决定。
[0051] 进一步地，21)由行星轮系传动关系得出变量外齿圈4的角速度《。、行星轮9的自 转角速度《自、行星架5的角速度《公、太阳轮2的角速度《a)之间的关系式：
[0化2] RcXwc =化 Xw自-(Ra+Rb) Xw公(1)
[0化；3] RaXWa =化 Xw自+(Ra+Rb) Xw公(2)
[0054] 其中，Ra为太阳轮半径，Rb为行星架半径，Rc为外齿圈半径;22)当设定四个变量中 的任意两个为已知主动量时，上述两式即为二元一次方程组，可解出剩余两从动量的表达 式，例如，当外齿圈4的角速度《。、太阳轮2的角速度《 a为主动量时，可解得：
[0055] ①行星架5)的角速度《公的表达式：
[0056]
， （3)
[0057] ②行星轮(9)的自转角速度《自的表达式
[005引
（4)
[0059]当设定其他两变量为主动量时的情况依此类推。
[0060] 进一步地，所述步骤3)具体包括：
[0061] 31)将所述行星轮的角速度表达式两边乘W A t和化，得到微小时间A t内行星轮 的径向位移A 1:
[0062]
城
[0063] 32)外齿圈的角速度表达式两边同时乘W At,得到微小时间At内行星轮公转的 角位移A 0 :
化）
[0064]
[0065] 33)根据微小时间A t内行星轮的径向位移A 1和微小时间A t内
[0066] 行星轮公转的角位移A 0作为位移量实现坐标的位移，所W得
[0067] Ax=AlXcosA 白
[006引 Ay=AlXsinA 白。（7)
[0069] 进一步地，设定外齿圈4的角速度为主动量是指用电机驱动外齿圈转动；
[0070] 设定行星轮9的角速度cog为主动量是指用电机驱动行星轮转动；
[0071 ]设定行星架5的角速度《公为主动量是指用电机驱动行星架转动；
[0072] 设定太阳轮2的角速度《3为主动量是指用电机驱动太阳轮转动。
[0073] 为了使打印机挤出装置12能够到达平面内的任意一点，应提供两个相互独立的自 由度，即提供《3、自、《公四个参量中任意两个作为主动量。用极坐标来表示平面上的 点，本实施例通过行星轮的转动和同步带轮的转动来改变极坐标系中的0和r，W实现打印 头位置的移动。
[0074] 下面从，《3、《。作为主动量打印头从点(^)，0〇)运动的到片1，01)的一种运动方式 为例，说明打印机的运动方式：
[007引 （:r0,90)一(n)，9i)，运动时r日保持不变，即两行星轮只公转不自转，W自=0。
[0076] 此时，《3、应满足RaX ?a = RcX ?c，一定时间后，挤出装置跟随行星轮由00转 至白1:
[0077] (r〇，0i)一(ri，0i)，运动时01保持不变，即两行星轮只自转，不公转，W公二0。
[007引此时，W 3、W C应細足Ra X 0 a = -Rc X 0c, -定时间后，打印头由TO平移至。
[0079] 由上述过程可知，可通过改变主动量之间的关系，来得到所需要的运动状态，实际 实施中，只需改变两个电机之间的转速之比，来得到所需要的运动方式。
[0080] 行星轮1与行星轮2相隔180°放置并通过行星架相连接，再与外齿圈和太阳轮相晒 合。通过驱动外齿圈（或行星轮或行星架)转动可W使得行星架转动到任意角度。运动过程 中俩行星轮因规格完全相同且有行星架约束，相对位置始终保持不变。
[0081] 各主动量可用方案包括：
[00剧 1、03、作为主动量，W自、《公作为从动量；
[008：3] 2、〇自、〇公作为主动量，W 3、"C作为从动量；
[0084] 3、〇 3、《公作为主动量，《自、作为从动量；
[00化]4、〇自、作为主动量，〇3、《公作为从动量；
[0086] 各参量作为主动量时的对应实施方法：《a用电机驱动太阳轮转动；《。用电机驱动 外齿圈转动；《自用电机驱动行星轮转动；《公用电机驱动行星架转动。
[0087] 在另一个实施例中，用电机驱动太阳轮2和外齿圈4转动（W ? 3、《。为主动量)的方 案：
[0088] 利用电机带动太阳轮2的主轴转动，W及电机带动垂直轴斜齿轮转动再传动给外 齿圈4使其转动，实现行星齿轮机构的二自由度输入。行星轮9的输出为，行星架5连接两个 行星轮5使其公转，并且两个行星轮5自转从而带动同轴的同步带轮7,同步带轮7带动同步 带使打印机挤出装置12在打印装置支撑杆上移动，实现打印机挤出装置12在平面内的自由 移动，运个方案中需要加工并驱动尺寸较大的外齿圈。
[0089] 在另一个实施例中，用电机驱动太阳轮2和行星架5转动自、《公为主动量）的 方案：
[0090] 利用一个电机带动太阳轮2的主轴转动，另一个电机带动连接两个行星轮9的连杆 W带动两个对称的行星轮9做公转运动，实现行星轮9机构的二自由度输入，行星轮9的输出 与上一方案相同。
[0091] 除了本实施例提及的方式外，本发明还可采用行星架5和行星轮9输入、行星架5和 外齿圈4输入等方式。运些变换方式均在本发明的保护范围内。
[0092] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于行星轮系3D打印机驱动机构，其特征在于:包括外齿圈（4)、与所述外齿圈 (4)同心设置的太阳轮(2)，呈180°夹角的对称啮合设置在外齿圈（4)与太阳轮(2)之间的两 个行星轮(9)、连接两个行星轮(9)的行星架(5)，每个行星轮(9)均通过连接轴(8)与同步带 轮(7)同轴连接，两个同步带轮之间连接有同步带（13)，打印机挤出装置支撑杆(6)水平穿 过两个连接轴(8)，（打印机挤出装置支撑杆(6)与行星架(5)固连，连接轴(8)通过轴承装在 行星架(5)上，打印机挤出装置（12)安装在同步带（13)的一侧，并由该侧同步带（13)带动， 同时与所述打印机挤出装置支撑杆(6)滑动配合，跟随同步带（13)的移动而做平移运动。2. 根据权利要求1所述的基于行星轮系3D打印机驱动机构，其特征在于：每个行星轮 (9)的圆心与所连接的同步带轮(7)的圆心位于同一竖直线上，同时，两个同步带轮(7)位于 同于水平高度上。3. -种采用所述驱动机构的3D打印机驱动方法，其特征在于，包括步骤： 1) 用极坐标(r，0)表示打印机挤出装置(12)在平面中所在位置； 2) 通过设定外齿圈（4)的角速度co。、行星轮(9)的自转角速度co自、行星架(5)的角速度 ?公、太阳轮(2)的角速度〇^中的任两个为已知参量确定另两个的角速度； 3) 根据行星架的角速度co公和行星轮的角速度co自求得微小时间At内行星轮的径向位 移A 1和行星轮公转行星轮公转的角位移A 0，实现坐标的位移； 4) 打印机挤出装置角速度、位移由行星架的角速度co公直接决定，径向运动速度、位移 由行星轮的角速度《自直接决定。4. 根据权利要求3所述的3D打印机驱动方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括： 21) 由行星轮系传动关系得出变量外齿圈（4)的角速度co。、行星轮(9)的自转角速度 ?自、行星架(5)的角速度《公、太阳轮(2)的角速度《 3)之间的关系式： Rc X wc = Rb X w自-(Ra+Rb) X w公 Ra X Wa = Rb X W自+ ( Ra+Rb ) X W公 其中，Ra为太阳轮半径，Rb为行星架半径，Rc为外齿圈半径； 22) 当设定四个变量中的任意两个为已知主动量时，上述两式即为二元一次方程组，可 解出剩余两从动量的表达式。5. 根据权利要求4所述的3D打印机驱动方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括： 31) 将所述行星轮的自转角速度co自表达式两边乘以A t和Rb，得到微小时间A t内行星 轮的径向位移A 1:32) 外齿圈(4)的角速度表达式两边同时乘以A t，得到微小时间A t内行星轮公转的角 位移A 0 :33) 根据微小时间A t内行星轮的径向位移A 1和微小时间A t内行星轮(9)公转的角位 移A 0作为位移量实现坐标的位移。6. 根据权利要求4所述的3D打印机驱动方法，其特征在于： 设定外齿圈(4)的角速度co。为主动量是指用电机驱动外齿圈转动； 设定行星轮(9)的角速度co自为主动量是指用电机驱动行星轮转动； 设定行星架(5)的角速度co公为主动量是指用电机驱动行星架转动； 设定太阳轮(2)的角速度co a为主动量是指用电机驱动太阳轮转动。
【文档编号】F16H37/02GK106051102SQ201610614769
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】徐开明, 陈松茂, 吴桐, 毛广扬
【申请人】华南理工大学