一种3d打印系统结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种3D打印系统结构，包括一个可升降的打印平台、用于支撑打印平台双丝杆双光轴Z轴驱动机构、位于打印平台上的X、Y轴传动机构、以及一个固定式载物台。打印平台上设有X、Y轴驱动电机，两电机分别通过驱动轴两端的同步带连接到一对从动轴承，X、Y方向的双滑动轴上均安装有滑动座，两对滑动座分别由X、Y横梁连接，两横梁分别穿过3D打印机头；双丝杆双光轴驱动机构的驱动电机和双丝杆之间由同步带连接，驱动电机位置可以任意调整。本发明X、Y轴传动机构的滑动轴和驱动轴各自独立工作，减少了运动调制，双丝杆双光轴驱动机构具有很好的稳定性，使打印平台受力均衡，各方向的驱动均更加平稳，提高了3D打印的精度。
【专利说明】一种3D打印系统结构
【技术领域】
[0001]本发明属于3D打印【技术领域】，特别涉及一种3D打印系统结构。
【背景技术】
[0002]现有的小型3D打印机中，多采用同时提供转动和滑动的复合轴装置来驱动3D打印机头在X、Y方向的运动。由于同一轴同时做滑动轴和转动轴，该装置工作时会受多种干扰因素影响，从而影响加工精度。当3D打印机头进行较长时间工作时，所述缺点将更突出，大大降低了加工件的品质或合格率。
[0003]同时，现有的小型3D打印机中还多采用L型单边悬挂的方式提供Z轴运动，该装置仅采用一根垂直的丝杆驱动载物台在Z轴方向运动。由于采用单边悬挂，该装置工作时不容易稳定、承重条件下容易变形，从而影响加工精度。载物台尺寸做得过大时，所述缺点将更突出，因此在原理上限制了加工件的尺寸大小。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决现有技术中的问题，设计了一种运行更加平稳的3D打印系统结构。该结构的Χ、r轴传动机构设有相互独立的驱动轴和滑动轴，互不干扰，减少了运动调制，保持3D打印机头的平稳运行，设计的双丝杆双光轴驱动机构具有很好的稳定性，使打印平台受力均衡，Z轴方向的运动更加平稳，提高了 3D打印的加工精度。
[0005]本发明的技术方案为:一种3D打印系统结构，包括一个可升降的打印平台、用于支撑打印平台的双丝杆双光轴Z轴驱动机构、以及位于打印平台上的Χ、y轴传动机构，所述的打印平台上设有X轴驱动电机和Y轴驱动电机，两电机分别通过驱动轴两端的皮带连接到一对从动轴承，X和Y方向的双滑动轴上各有一对滑动座，两对滑动座分别由X横梁和Y横梁连接，两横梁分别穿过3D打印机头；所述的双丝杆双光轴Z轴驱动机构的驱动电机和双丝杆之间由同步带连接，驱动电机位置可以任意调整。本装置工作时，X轴驱动电机转动X驱动轴，经双皮带同步驱动X方向的双滑动轴上的一对滑动座，X横梁运动，Y轴驱动电机转动Y驱动轴，经双皮带同步驱动Y方向的双滑动轴上的一对滑动座，Y横梁运动，由此实现3D打印机头在X和Y方向上的运动；双丝杆双光轴Z轴驱动机构的驱动电机转动，经同步带驱动两丝杆同步转动，丝杆带动螺母座，驱动打印平台在Z轴方向作运动，同时双光轴起到平衡的作用，确保打印平台在运动中垂直于Z轴。
[0006]其中，所述的双丝杆双光轴Z轴驱动机构设有双丝杆，两丝杆垂直设置在机身框架内的一组对角位置上，在另外一组对角位置上，设有一对垂直的光轴，两丝杆上有相适配的螺母座，两光轴上有相适配的滑动座，两螺母座和两滑动座，通过打印平台连接成一个整体。
[0007]其中，所述的X、Y轴传动机构，其中的驱动轴和滑动轴各自独立工作。
[0008]其中，所述的打印平台上相对于X、Y轴驱动电机的对侧设有平衡配重，保证在静态时，平台的重心与平台的中心位置重合，以消除扭转力矩，增加平台稳定性。[0009]其中，所述的打印平台上有足够的面积可以按需要加载光轴、导轨，以及伺服用光栅等部件，实现全闭环控制，进一步提高传动精度和防止丢步。
[0010]其中，所述的双丝杆双光轴Z轴驱动机构使用的同步带外侧面，设有两个张紧力调节装置轮，对同步带进行张紧力调节和转向，结构中的驱动电机位置可以根据需要任意调整。
[0011]其中，所述的双丝杆双光轴Z轴驱动机构中的丝杆螺母座安装有L型支撑架，增加了结构刚性。
[0012]其中，所述的打印平台可以自由升降，其上方有较大空间，打印机的顶部可以加盖，起到防尘、保温、降噪的作用。
[0013]本发明的优点:
[0014]所述的X、Y轴传动机构中的驱动轴和滑动轴各自独立工作，减少了运动调制，保持打印机头的平稳运行，降低了系统的制造和检测难度。
[0015]所述的打印平台上相对于X、Y轴驱动电机的对侧设有平衡配重块，保证在静态时，平台重心处于平台的中心区域，以消除扭转力矩，增加平台稳定性。
[0016]所述的打印平台上有足够的面积可以按需要加载光轴、导轨，以及伺服用光栅等部件，实现全闭环控制，进一步提高传动精度和防止丢步。
[0017]所述的双丝杆双光轴Z轴驱动机构使用的同步带外侧面，设有两个张紧力调节装置轮，对同步带进行张紧力调节和转向，结构中的驱动电机位置可以根据需要任意调整。
[0018]所述的双丝杆双光轴Z轴驱动机构中的丝杆螺母座安装有L型支撑架，增加了结构刚性。
[0019]所述的打印平台可以自由升降，上方有较大空间，打印机的顶部可以加盖，起到防尘、保温、降噪的作用。
[0020]本发明将代替现有的采用复合轴装置来驱动3D打印机头和单边悬挂装置来驱动载物台Z轴运动的3D打印方案，通过将同一轴上的复合运动分解为2个轴独立运行的简单运动，来平稳推动3D打印机头在X、Y方向的运动，并用相互配合的双丝杆双光轴，来平面式推动打印平台在Z轴方向的运动。这样的方案大幅度的提高了打印结构的运动精度，从而提高了打印机的加工精度。在本发明的系统结构设计中，载物台采用了固定在基座上的安装方式，这种方式有利于保温、节能，避免载物台抖动导致的精度下降。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的3D打印系统整体结构示意图；
[0022]图2为本发明的X、Y轴传动机构的示意图；
[0023]图3为本发明的X、Y轴传动机构顶视图；
[0024]图4为本发明的双丝杆双光轴Z轴驱动机构的示意图；
[0025]其中:打印平台I，基座2，载物台3，X轴驱动电机201，Y轴驱动电机202，X驱动轴203，Y驱动轴204，第一皮带205，第二皮带206，第三皮带207，第四皮带208，第一从动轴承209，第二从动轴承210，第三从动轴承211，第四从动轴承212，第一滑动轴213，第二滑动轴214，第三滑动轴215，第四滑动轴216，第一滑动座217，第二滑动座218，第三滑动座219，第四滑动座220，X横梁221，Y横梁222，3D打印机头223，配重块224，第一 L型支撑架225，第二 L型支撑架226，第一丝杆301，第二丝杆302，驱动电机303，同步带304，第一张紧轮305，第二张紧轮306，第一光轴307，第二光轴308，第一螺母座309，第二螺母座310，第五滑动座311，第六滑动座312。
【具体实施方式】
[0026]以下说明本发明的实施例。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
[0027]如图1、图2、图3所示，为本发明的一种3D打印系统结构，由打印平台1、基座2、载物台3、以及位于打印平台I上的X、Y轴传动机构、连接打印平台I和基座2的Z轴驱动机构组成。Χ、Υ轴传动机构各自独立，不会在工作中相互干扰。X传动机构由X驱动轴203、第一滑动轴213、第二滑动轴214、第一从动轴承209、第二从动轴承210组成；Υ传动机构由Y驱动轴204、第三滑动轴215、第四滑动轴216、第三从动轴承211、第四从动轴承212组成。Z轴驱动机构采用双丝杆双光轴结构，用于支撑打印平台1，两丝杆和两光轴对角放置，丝杆和光轴的下端都安装在基座2上，载物台3也安装在基座2上。在打印平台I上相对于X、Y轴电机201、202的对侧位置，还安装有平衡配重块224，保证在静态时，平台重心处于平台的中心区域，以消除扭转力矩，增加平台稳定性。打印平台底部双丝杆的位置，分别还有第一 L型支撑架225和第二 L型支撑架226，起到增加结构刚性、提高运动稳定性的作用。
[0028]参考图2、图3所示，在打印平台I的一侧设有X轴驱动电机201和Y轴驱动电机202，X轴驱动电机201通过X驱动轴203两端的第一皮带205、第二皮带206连接到对面的第一从动轴承209、第二从动轴承210，X方向的第一滑动轴213上有第一滑动座217，第二滑动轴214上有第二滑动座218，两滑动座由X横梁221连接，第一皮带205、第二皮带206分别穿过并固定在第一滑动座217、第二滑动座218上；Y轴驱动电机202通过Y驱动轴204两端的第三皮带207、第四皮带208连接到对面的第三从动轴承211、第四从动轴承212，Y方向的第三滑动轴215上有第三滑动座219，第四滑动轴216上有第四滑动座220，两滑动座由Y横梁222连接，第三皮带207、第四皮带208分别穿过并固定在第三滑动座219、第四滑动座220上，X横梁221和Y横梁222分别穿过3D打印机头223。3D打印机头223在X、Y轴向的驱动力由X横梁221和Y横梁222传递。
[0029]如图4所示，3D打印机的双丝杆双光轴Z轴驱动机构。该装置利用设在基座2 —侧的驱动电机303,通过同步带304连接第一丝杆301和第二丝杆302,同步带304由第一张紧轮305和第二张紧轮306进行调节和转向，第一丝杆301、第二丝杆302垂直设置在机身框架内一组对角位置上，在另外一组对角位置上，设有垂直的第一光轴307和第二光轴308，双丝杆上有相适配的第一螺母座309和第二螺母座310，双光轴上有相适配的第五滑动座311和第六滑动座312，两螺母座和两滑动座，通过打印平台I连接成一个整体。驱动电机303通过同步带304驱动第一丝杆301和第二丝杆302同步运动，实现打印平台I的平稳升降。由于系统结构的特点，驱动电机的位置可以根据设计需要合理摆放，兼顾了精度和灵活性的需求。
[0030]参考图4所示，打印平台I由一个整块的金属板，在中间开孔形成，中间开孔区域为3D打印机头的工作区域，开孔大小和载物台3的大小相匹配。打印平台的四周边框上有足够的面积，因此具有很强的灵活性，可以按需要加载光轴、导轨，以及伺服用光栅等部件，实现全闭环控制，进一步提高传动精度和防止丢步。
[0031]在开始工作时，打印平台I需要下降到接近载物台3的位置，并随着被打印物体的成形，逐步上升。因此，通常情况下打印平台I的上方有较大空间，打印机的顶部可以加盖，起到防尘、保温、降噪的作用。如果打印较大物体，打印平台I上升至靠近顶部时，可以打开顶盖，扩大打印平台I的上行空间。
[0032]现有的3D打印机，大多是把X、Y轴传动机构固定在整机的顶部平面上，Z轴采用L型单边悬挂升降的设计，这种设计的缺点是机器重心高，工作震动大，在打印体积较大较重的物体时，载物台在远端会产生下沉，造成打印每层层高逐渐增加，降低3D打印的Z轴精度。另外，X、Y驱动机构的滑动轴如果同时作为旋转轴使用，可以降低成本，简化结构，但是工作寿命短，可靠性差，在轴承磨损、光轴直线度下降、安装精度不够等常见情况下，均会造成复杂的运动调制，造成打印精度下降。例如，如果X轴直线度差，那么在运行时，不仅仅会造成X方向的起伏，而且会造成打印头在Y方向的圆周运动，X、Y轴的精度都会跟着降低，进而导致打印层高不稳定，Z轴精度也受到影响。如果多个部件存在误差，则存在误差的相互叠加和放大效应，实际上会造成各轴在各个空间点上的误差难以准确测算和控制。[0033]本发明实施例的系统结构，可以克服上述缺点。分别说明如下:
[0034]1、Ζ轴精度:载物台3固定在基座2上，通过双丝杆，双光轴结构的Z轴驱动，保证打印平台I的稳定升降；通过设计平衡配重块224和第一 L型支撑架225、第二 L型支撑架226，保证了打印平台I的受力均衡和结构刚性；另外，本发明的系统结构，还降低了整机重心，降低了工作震动，对提高精度有帮助。
[0035]2、Χ、Υ轴精度:Χ传动机构由X驱动轴203、第一滑动轴213、第二滑动轴214、第一从动轴承209，第二从动轴承210组成；Υ传动机构由Y驱动轴204、第三滑动轴215、第四滑动轴216、第三从动轴承211，第四从动轴承212组成。通过分离Χ、r轴的驱动机构，使之互不影响，有效降低系统误差，大大降低交叉干扰。Χ、Υ方向的运动误差也不会对Z轴精度造成影响。如果用导轨代替X、Y光轴固定在打印平台I上，则误差会进一步降低。
[0036]3、整体效果:根据本发明实施例的设计方案，消除了 Z轴远端沉降型误差，也消除了误差的叠加和放大效应，在部件设计、安装精度、控制电路良好的情况下，Χ、r轴定位精度可以轻松达到I~3um，Z轴定位精度可以轻松达到0.1~0.3um。整体精度指标大大超过熔融沉积型3D打印机的精度要求。
[0037]综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技术范畴。
【权利要求】
1.一种3D打印系统结构，本结构包括一个可升降的打印平台、支撑打印平台的双丝杆双光轴Z轴驱动机构、位于打印平台上的XY轴传动机构、以及一个固定式载物台，其特征在于:所述的打印平台相邻两侧各设有X轴驱动电机和Y轴驱动电机，两电机分别通过驱动轴两端的皮带连接到一对从动轴承，X和Y方向的双滑动轴上各有一对滑动座，两对滑动座分别由X横梁和Y横梁连接，两横梁分别穿过3D打印机头；所述的双丝杆双光轴驱动机构的驱动电机和双丝杆之间由同步带连接，驱动电机位置能够任意调整；本结构工作时，X轴驱动电机转动X驱动轴，经双皮带同步驱动X方向的双滑动轴上的一对滑动座，X横梁运动，Y轴驱动电机转动Y驱动轴，经双皮带同步驱动Y方向的双滑动轴上一对两滑动座，Y横梁运动，由此实现3D打印机头在X和Y方向上的运动；双丝杆双光轴驱动机构的驱动电机转动，经同步带驱动一对丝杆同步转动，丝杆带动螺母座，驱动打印平台在Z轴方向作运动，同时双光轴起到平衡的作用，确保打印平台在运动中垂直于Z轴。
2.根据权利要求1所述的3D打印系统结构，其特征在于:所述的双丝杆双光轴Z轴驱动机构设有双丝杆，两丝杆垂直设置在机身框架内的一组对角位置上，在另外一组对角位置上，设有一对垂直的光轴，两丝杆上有相适配的螺母座，两光轴上有相适配的滑动座，两螺母座和两滑动座，通过打印平台连接成一个整体。
3.根据权利要求1所述的3D打印系统结构，其特征在于:所述的XY轴传动机构，驱动轴和滑动轴各自独立工作。
4.根据权利要求1所述的3D打印系统结构，其特征在于:所述的打印平台上相对于X、Y轴驱动电机的对侧设有平衡配重，保证在静态时，平台的重心与平台的中心位置重合，以消除扭转力矩，增加平台稳定性。
5.根据权利要求1所述的3D打印系统结构，其特征在于:所述的打印平台上有足够的面积可以按需要加载光轴、导轨；也可以加载伺服用光栅，实现全闭环控制，进一步提高传动精度和防止丢步。
6.根据权利要求1所述的3D打印系统结构，其特征在于:所述的双丝杆双光轴Z轴驱动机构使用的同步带外侧面，设有两个张紧轮，对同步带进行张紧力调节和转向，结构中的驱动电机位置可以根据需要任意调整。
7.根据权利要求1所述的3D打印系统结构，其特征在于:所述的双丝杆双光轴Z轴驱动机构中的丝杆螺母座安装有L型支撑架，增加了结构刚性。
8.根据权利要求1所述的3D打印系统结构，其特征在于:所述的打印平台可以自由升降，其上方有较大空间，打印机的顶部可以加盖，起到防尘、保温、降噪的作用。
【文档编号】B29C67/00GK103831975SQ201410103155
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】吴旭, 周江宁, 何海辉, 何立群, 刘振邦, 程新萍, 孙红娟 申请人:中国科学技术大学