一种3D打印机的制作方法

本实用新型属于3D打印设备技术领域，涉及一种3D打印机。

背景技术：

3D打印机是近年来新兴的应用快速成型技术的一种机器，它是通过建立三维数字模型，将塑料或者金属等材料，通过逐层打印的方式来制造物体本身。应用3D打印机可以打印一辆汽车、一座房屋，或者各种各样的生活用品，甚至是人体物质等等。目前市场上主流的3D打印机存在体积大、高速性能较差、质量大的问题，限制了3D打印机的应用和推广。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种3D打印机，解决了现有3D打印机存在的体积大、高速性能差的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种3D打印机，包括机架，机架上分别设有打印热床和索杆驱动机构，索杆驱动机构连接打印装置；

其中机架包括沿竖直方向平行设置的环形上静平台和下静平台，上静平台和下静平台之间通过至少两根立柱支撑，打印热床设置在下静平台上；

其中打印装置包括设置在索杆驱动机构上的挤出机和打印喷头，打印装置还包括料辊，料辊设置在料辊支架上，料辊上缠绕有打印料丝，打印料丝的一端端头缠绕在挤出机上。

其中索杆驱动机构包括竖直设置在上静平台中心处的中空状质杆，质杆的上端设有上动平台，上动平台的中心处开设有与质杆同轴的圆孔a，上动平台分别通过三根柔索a连接三对滑轮组A，三对滑轮组A均设置在上静平台的上表面，三根柔索a分别绕过三对滑轮组A连接在三组排索机构上；

上静平台的下表面设有三个滑轮组B，三个滑轮组B分别通过三根柔索b连接下动平台，下动平台设置在质杆的下端，下动平台的中心处设有与质杆同轴的圆孔b，三根柔索b分别绕过三个滑轮组B连接在另外三组排索机构上。

其中三个滑轮组B与三对滑轮组A均匀分布在上静平台上。

其中柔索a的一端通过球铰装置连接在上动平台上，柔索a的另一端依次绕过一对滑轮组A后连接在一组排索机构上；

其中柔索b的一端通过球铰装置连接在下动平台上，柔索b的另一端绕过一个滑轮组B后连接在另一组排索机构上。

其中挤出机设置在上动平台上端，打印喷头设置在下动平台底部，挤出机的出料口和打印喷头的进料口之间通过输料管连接，输料管的一端连接挤出机的出料口，输料管的另一端穿过圆孔a进入质杆内部且从质杆底部伸出后穿过圆孔b，再与打印喷头的进料口连接。

本实用新型的有益效果是，本装置中采用了采用索杆混合驱动机构，在排索机构的驱动下，借助球铰装置及六根并联柔索进行力的传递，实现打印喷头的位姿的控制，即通过六根柔索的收放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，具有工作效率高、惯量小、体积小、响应快、高速性能好、可以产生较大的加速度和工作区间等特点。

附图说明

图1是本实用新型一种3D打印机的结构示意图；

图2是本实用新型一种3D打印机的主视图；

图3是本实用新型一种3D打印机中采用的排索机构的结构示意图；

图4是本实用新型一种3D打印机的中球铰装置的结构示意图。

图中，1.机架，1-1.上静平台，1-2.下静平台，1-3.立柱；

2.打印热床；

3.料辊支架；

4.索杆驱动机构，4-1.质杆，4-2.上动平台，4-3.柔索a，4-4.滑轮组A，4-5.排索机构，4-5-1.滚索套，4-5-2.滚筒轴，4-5-3.轴套，4-5-4.缸盖，4-5-5.长条导行键，4-5-6.长条导行槽，4-5-7.伺服电机；

4-6.滑轮组B，4-7.柔索b，4-8.下动平台；

5.挤出机，6.打印料丝，7.料辊，8.打印喷头；

9.球铰装置，9-1.球铰套，9-2.球铰球，9-3.中心孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种3D打印机，结构如图1、2所示，包括机架1，机架1上分别设有打印热床2和索杆驱动机构4，索杆驱动机构4连接打印装置。

机架1包括沿竖直方向平行设置的环形上静平台1-1和下静平台1-2，上静平台1-1和下静平台1-2之间通过至少两根立柱1-3支撑，打印热床2设置在下静平台1-2上。

索杆驱动机构4包括竖直设置在上静平台1-1中心处的中空状质杆4-1，质杆4-1的上端设有上动平台4-2，上动平台4-2的中心处开设有与质杆4-1同轴的圆孔a，上动平台4-2分别通过三根柔索a4-3连接三对滑轮组A4-4(每对滑轮组A4-4并排设置)，三对滑轮组A4-4均设置在上静平台1-1的上表面，三根柔索a4-3分别绕过三对滑轮组A4-4连接在三组排索机构4-5上；

上静平台1-1的下表面设有三个滑轮组B4-6，三个滑轮组B4-6分别通过三根柔索b4-7连接下动平台4-8，下动平台4-8设置在质杆4-1的下端，下动平台4-8的中心处设有与质杆4-1同轴的圆孔b，三根柔索b4-7分别绕过三个滑轮组B4-6连接在另外三组排索机构4-5上。

三个滑轮组B4-6与三对滑轮组A4-4均匀分布在上静平台1-1上，即三个滑轮组B4-6两两之间呈120°设置，三对滑轮组A4-4两两之间呈120°设置。

与三根柔索a4-3连接的三组排索机构4-5及与三根柔索b4-7连接的三组排索机构4-5结构相同且均设置在下静平台1-2上，即本实用新型中共有六组结构相同的排索机构4-5。

如图3所示，每组排索机构的结构为：包括滚索套4-5-1、滚筒轴4-5-2、轴套4-5-3和缸盖4-5-4，滚索套4-5-1固定连接在滚筒轴4-5-2上，位于滚索套4-5-1一侧的滚筒轴与缸盖4-5-4连接，位于滚索套4-5-1另一侧的滚筒轴4-5-2上设置有轴套4-5-3；滚筒轴4-5-2的一端与缸盖4-5-4通过螺纹连接，滚筒轴4-5-2的另一端上设置有长条导行键4-5-5，轴套4-5-3内圆周面上设置有与长条导行键4-5-5对应的长条导行槽4-5-6，长条导行键4-5-5内嵌在长条导行槽4-5-6内，滚筒轴4-5-2与缸盖4-5-4呈垂直设置。

其中柔索a4-3的一端通过球铰装置9连接在上动平台4-2上，柔索a4-3的另一端依次绕过一对滑轮组A4-4后连接在一组排索机构4-5上(一根柔索a4-3对应一对滑轮组A4-4和一组排索机构4-5)；

其中柔索b4-7的一端通过球铰装置9连接在下动平台4-8上，柔索b4-7的另一端绕过一个滑轮组B4-6后连接在另一组排索机构4-5上。

柔索a4-3与上动平台4-2的连接处、柔索b4-7与下动平台4-8的连接处分别通过球铰装置9连接。

如图4所示，球铰装置9包括球铰套9-1和设置在球铰套9-1内的球铰球9-2，球铰球9-2上设置有中心孔9-3。

当柔索a4-3通过球铰装置9与上动平台4-2连接时，球铰套9-1通过设置在其外壁上的外螺纹与上动平台4-2连接，将柔索a4-3的一端从中心孔9-3上端穿到中心孔9-3下端，并将柔索a4-3的一端端部在中心孔9-3的底部打结，防止柔索a4-3从中心孔9-3中抽出。

当柔索b4-7通过球铰装置9与下动平台4-8连接时，球铰套9-1通过设置在其外壁上的外螺纹与下动平台4-8连接，将柔索b4-7的一端从中心孔9-3上端穿到中心孔9-3下端，并将柔索b4-7的一端端部在中心孔9-3的底部打结，防止柔索b4-7从中心孔9-3中抽出。

其中打印装置包括设置在上动平台4-2上端的挤出机5和设置在下动平台4-8底部的打印喷头8；

打印装置还包括料辊7，料辊7设置在料辊支架3上，料辊7上缠绕有打印料丝6，打印料丝6的一端端头缠绕在挤出机5上，挤出机5的出料口和打印喷头8的进料口之间通过输料管连接，输料管的一端连接挤出机5的出料口，输料管的另一端穿过圆孔a进入质杆4-1内部且从质杆4-1底部伸出后穿过圆孔b，再与打印喷头8的进料口连接。

本实用新型一种3D打印机的工作原理为，与三根柔索a4-3连接的三组排索机构4-5运转时，通过柔索a4-3(三对滑轮组A4-4对柔索a4-3起导向作用)带动上动平台4-2上下运动；与三根柔索b4-7连接的三组排索机构4-5运转时，通过柔索b4-7(三个滑轮组B4-6对柔索b4-7起导向作用)带动下动平台4-8上下运动，从而对打印喷头8的空间位置变化进行调整，实现了3D打印功能，本实用新型提供的一种3D打印机在工作时，3D打印机的进料是将打印料丝6(打印料丝6事先缠绕在料辊7上)穿过挤出机5进入输料管内部，然后从输料管输送到打印喷头8内部(打印料丝6经挤出机5挤到输料管内)，从打印喷头8喷出的产品即为打印成品，从而完成了3D打印的过程。

排索机构4-5的工作原理为：当伺服电机4-5-7驱动轴套4-5-3转动时，轴套4-5-3带动滚筒轴4-5-2转动，滚筒轴4-5-2再带动滚索套4-5-1转动。由于滚筒轴4-5-2与缸盖4-5-4是通过螺纹连接的，滚筒轴4-5-2边旋转边带动滚索套4-5-1作直线运动，设置在滚筒轴4-5-2上的长条导行键5沿着轴套4-5-3上的长条导行槽4-5-6滑动，约束滚筒轴4-5-2作直线运动，这样柔索a4-3和柔索b4-7排绕在滚索套4-5-1上后既可以作旋转运动，也可以作直线运动，以确保出索口位置的相对固定以及排索的有序性。

本实用新型一种3D打印机依据的科学原理为，本实用新型中提供的3D打印机，实质是以索驱动并联机器人，即是遵循力矢量闭合的条件，本装置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。

假设本装置中共有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：

式中：D——机构的自由度数；

n——构件总数(包括机架)；

m——运动副数目；

f_i——第i个运动副具有的相对自由度

通过对空间自由度计算公式的解算可以基本确定，三自由度索杆混合型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：

A.完全位置约束型；

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；

C.柔索数多余标准值的过完全位置约束型。

通过对本实用新型一种3D打印机空间自由度计算公式的解算可以确定，三自由打印机，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8具有空间3自由度，本实用新型提供的一种3D打印机中打印喷头8的位姿是由柔索的约束来控制的。柔索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，因此本实用新型提供的一种3D打印机由6根柔索(3根柔索a4-3和3根柔索b4-7)和1根杆(质杆4-1)来实现位姿变化，可实现刚体在X、Y、Z、3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。本实用新型中上动平台4-2连接的三根柔索a4-3与下动平台4-8连接的三根柔索b47在空间形成上下对称排布，并分别在下方投影平面上有120度夹角，3根柔索a4-3和3根柔索b4-7分别通过由六个排索机构4-5中的伺服电机4-5-7并联驱动，可实现刚体的空间三自由度移动，实现3D打印的工作要求。