一种极坐标丝杠传动悬臂式3D打印机的制作方法

本发明属于3d打印机技术领域，具体涉及一种极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机。

背景技术：

3d打印机又称三维打印机(3dp)，是一种利用累积制造技术(即快速成形技术)的设备。是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、特殊蜡材或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维物体。3d打印机的原理是把数据和原料放进3d打印机中，机器会按照预先编辑好的程序把产品一层层的逐层打印出来。

目前，国内外市场研发的3d打印机，都是在直角坐标系下的三维快速成型，其运动由x-y-z这3个方向的3个坐标实现。但生产实践中很多产品都是曲面结构如矫形器，薄壁回转件等，此时直角坐标系的3d打印机就不能满足精度的要求。

吸纳有技术中的极坐标3d打印机是将工作台改变为旋转工作台，但仅能打印以工作台中心为圆心的回转体，或带中心孔类的产品，打印产品的尺寸有限，且打印速度较慢。

发明专利(发明名称：一种旋转式3d打印机，申请号码：201610522824.4)虽然是极坐标悬臂式的3d打印机，可是它的极径ρ，极角θ和z向都是由悬臂进行控制，没有分开控制，而且z向的控制采用的是导轨，并且悬臂端末距离立柱过近，致使悬臂不能进行大角度的旋转等等都会影响到工作的精度。

实用新型专利(发明名称：悬臂式极坐标3d打印装置，申请号码：201620540746.6》采用框体的结构稳定性好，但是4根立柱会影响打印头的旋转工作范围，虽然工作平台采用了丝杠传动提高了z向的精度，但是其打印头的极径ρ的改变采用的是同步带控制，这种结构有很大的弊端，同步带控制精度很低且打印速度较慢，影响构建物体的效率。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机，包括打印机机身、工作平台、设置于所述工作平台上方的悬臂框架、设置在所述悬臂框架上的打印机喷头、垂直驱动装置、悬臂驱动装置；

所述打印机机身，用于支撑整个3d打印机；

所述垂直驱动装置，用于实现所述工作平台在z轴方向的升降运动；

所述悬臂驱动装置，用于驱动所述悬臂框架在θ方向的旋转，并且能够驱动所述打印机喷头能够沿着所述悬臂框架在ρ方向做直线移动；悬臂框架在θ方向的旋转运动以及打印机喷头在ρ方向的直线运动构成打印机喷头在极坐标内的移动。

进一步地，所述打印机机身包括底座平台、和所述底座平台垂直连接的平台侧壁、设置于所述底座平台上方并和所述平台侧壁顶部连接的顶部平台；所述顶部平台用于连接所述悬臂框架。其中，通过控制所述顶部平台的面积小于所述底座平台的面积，并且所述顶部平台对应设置在所述底座平台一个角落的上方。设置在底座平台一个角落的上方，当悬臂框架相对于顶部平台旋转时，打印喷头的打印区域能够覆盖整个工作平台。

进一步地，所述垂直驱动装置包括第一步进电机、垂直丝杠、和所述垂直丝杠平行设置的垂直光杆；

所述第一步进电机固定设置于所述底座平台上；

所述第一步进电机通过垂直联轴器和所述垂直丝杠的一端连接，所述垂直丝杠的另一端固定设置于所述平台侧壁上；

垂直光杆的一端固定设置于所述底座平台上，另一端固定设置于所述平台侧壁上；

在所述垂直丝杠设置垂直丝杠螺母，在所述垂直光杆上设置垂直光杆直线轴承；所述工作平台和垂直丝杠螺母以及所述垂直光杆直线轴承连接，通过所述垂直丝杠螺母以及所述垂直光杆直线轴承，所述工作平台能够实现沿着所述垂直丝杠及所述垂直光杆在z轴方向进行升降运动。

优选地，所述第一步进电机通过步进电机支撑架和所述底座平台固定连接；并且，为了防止所述第一步进电机受力，在所述垂直联轴器和所述垂直丝杠另一端之间安装设置平面轴承；所述平面轴承通过过盈配合固定设置于所述步进电机支撑架。

进一步地，所述垂直光杆的数量为2个，分别设置在所述垂直丝杠的两侧。

进一步地，所述悬臂驱动装置包括悬臂减速电机、第二步进电机、设置在所述悬臂框架上的悬臂丝杆和悬臂光杆；

所述悬臂减速电机通过滚珠轴承及平面轴承和所述打印机机身的顶部平台连接，所述悬臂框架的一端和所述悬臂减速电机连接，所述悬臂减速电机能够使所述悬臂框架相对所述顶部平台做旋转运动。具体地，悬臂减速电机和悬臂框架通过同一主轴进行连接，因此，当所述悬臂减速电机转动时，带动悬臂框架也进行转动，而因为所述顶部平台固定于所述悬臂减速电机的机架上，所以当所述悬臂减速电机转动时，能够带动所述悬臂框架相对所述顶部平台做旋转运动。

所述悬臂丝杠的一端通过联轴器和所述第二步进电机连接，另一端通过悬臂丝杠紧固件和所述悬臂框架连接；在所述悬臂丝杠紧固件内设置滚珠轴承，以使所述悬臂丝杆不承受轴向力；

所述悬臂光杆和所述悬臂丝杆平行设置，所述悬臂光杆的两端和所述悬臂框架固定连接；

在所述悬臂丝杠上设置悬臂丝杠螺母，在所述悬臂光杆上设置悬臂直线轴承；所述打印机喷头和所述悬臂丝杠螺母以及所述悬臂直线轴承连接，通过所述悬臂丝杠螺母以及所述悬臂直线轴承，所述打印机喷头能够实现沿着所述悬臂框架做直线运动。

进一步地，所述打印机喷头包括打印机喷头固定件和3d打印机挤出机构；所述打印机喷头固定件和所述悬臂丝杠螺母以及所述悬臂直线轴承连接，所述3d打印机挤出机构设置在所述打印机喷头固定件的下部。

进一步地，在所述垂直丝杠、所述悬臂丝杠以及所述悬臂框架上设置位移传感器，分别测量所述工作平台z轴方向位移、打印机喷头在极坐标中的位移。

进一步地，所述极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机还包括控制单元，所述位移传感器、所述第一步进电机、所述第二步进电机以及所述悬臂减速电机均和所述控制单元连接，所述控制单元根据所述位移传感器传送的数据来调节所述第一步进电机、所述第二步进电机以及所述悬臂减速电机的运行参数。

进一步地，所述打印平台采用耐高温硼化玻璃，以使打印平台具有一定的耐高温以及强度；

所述打印机机身采用铝合金材料；打印机机身作为整个3d打印机的承重基础，3d打印机工作时不停地运动，底座要有一定的抗振性，因铝合金材料具有良好的抗振性及强度，因此底座选用铝合金材料制备。

本发明的有益技术效果：

本发明所提供的一种极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机，采用了丝杠传动来进行传动控制，大大地提高了该3d打印机的精度，同时工作平台在z轴方向进行升降运动，悬臂上的打印喷头在极坐标内运动，通过能够控制打印喷头的极径ρ和极角θ，大大提高了精度要求。

现有技术中的3d打印机在工作时，为了保证精度，运行一般都不会太大，大概在50～60mm/s；然而采用本发明提供的极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机进行打印，能够控制定位精度为0.1mm，并且在保证该定位精度的前提下，能够实现运行速度达到80-100mm/s。

附图说明

图1为本发明实施例中一种极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机的侧面示意图；

图2为本发明实施例中一种极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机的俯视示意图；

图3为本发明实施例中一种极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机的背面示意图；

附图标记：1.打印机机身；2.工作平台；3.悬臂框架；4.打印机喷头；4-1.打印机喷头固定件；4-2.3d打印机挤出机构；5.垂直丝杠；6.垂直光杆；7.悬臂减速电机；8.悬臂丝杆；9.悬臂光杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1-3所示，本发明提供一种极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机实施例，包括打印机机身1、工作平台2、设置于所述工作平台上方的悬臂框架3、设置在所述悬臂框架上的打印机喷头、垂直驱动装置、悬臂驱动装置；

所述打印机机身1，用于支撑整个3d打印机；

所述垂直驱动装置，用于实现所述工作平台在z轴方向的升降运动；

所述悬臂驱动装置，用于驱动所述悬臂框架在θ方向的旋转，并且能够驱动所述打印机喷头沿着所述悬臂框架在ρ方向做直线移动；悬臂框架在θ方向的旋转运动以及打印机喷头在ρ方向的直线运动构成打印机喷头在极坐标内的移动。

在本实施例中，所述打印机机身包括底座平台、和所述底座平台垂直连接的平台侧壁、设置于所述底座平台上方并和所述平台侧壁顶部连接的顶部平台；所述顶部平台用于连接所述悬臂框架3。

在本实施例中，所述垂直驱动装置包括第一步进电机、垂直丝杠5、和所述垂直丝杠平行设置的垂直光杆6；

所述第一步进电机固定设置于所述底座平台上；

所述第一步进电机通过垂直联轴器和所述垂直丝杠5的一端连接，所述垂直丝杠5的另一端固定设置于所述平台侧壁上；

垂直光杆6的一端固定设置于所述底座平台上，另一端固定设置于所述平台侧壁上；

在所述垂直丝杠上设置垂直丝杠螺母，在所述垂直光杆上设置垂直光杆直线轴承；所述工作平台和垂直丝杠螺母以及所述垂直光杆直线轴承连接，通过所述垂直丝杠螺母以及所述垂直光杆直线轴承，所述工作平台能够实现沿着所述垂直丝杠及所述垂直光杆在z轴方向进行升降运动。

在本实施例中，所述垂直光杆的数量为2个，分别设置在所述垂直丝杠的两侧。

在本实施例中，所述悬臂驱动装置包括悬臂减速电机7、第二步进电机、设置在所述悬臂框架上的悬臂丝杆8和悬臂光杆9；

所述悬臂减速电机7通过滚珠轴承及平面轴承和所述打印机机身的顶部平台连接，所述悬臂框架的一端和所述悬臂减速电机7连接，所述悬臂减速电机7的转动能够带动所述悬臂框架3相对所述顶部平台做旋转运动；

所述悬臂丝杠8的一端通过联轴器和所述第二步进电机连接，另一端通过悬臂丝杠紧固件和所述悬臂框架连接；在所述悬臂丝杠8紧固件内设置滚珠轴承，以使所述悬臂丝杆不承受轴向力；

所述悬臂光杆9和所述悬臂丝杆8平行设置，所述悬臂光杆9的两端和所述悬臂框架3固定连接；

在所述悬臂丝杠上设置悬臂丝杠螺母，在所述悬臂光杆上设置悬臂直线轴承；所述打印机喷头和所述悬臂丝杠螺母以及和所述悬臂直线轴承连接，通过所述悬臂丝杠螺母以及所述悬臂直线轴承，所述打印机喷头能够实现沿着所述悬臂框架做直线运动。

进一步地，所述打印机喷头包括打印机喷头固定件4-1和3d打印机挤出机构4-2；所述打印机喷头固定件和所述悬臂丝杠螺母以及和所述悬臂直线轴承连接，所述3d打印机挤出机构设置在所述打印机喷头固定件的下部。

进一步地，在所述垂直丝杠、所述悬臂丝杠以及所述悬臂框架上设置位移传感器，分别测量所述工作平台在z轴方向位移、以及打印机喷头在极坐标中的位移。

在本实施例中，所述极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机还包括控制单元，所述位移传感器、所述第一步进电机、所述第二步进电机以及所述悬臂减速电机均和所述控制单元连接，所述控制单元根据所述位移传感器传送的位移数据来调节所述第一步进电机、所述第二步进电机以及所述悬臂减速电机的运行参数。

在本实施例中，所述打印平台采用耐高温硼化玻璃，以使打印平台具有一定的耐高温以及强度；所述打印机机身采用铝合金材料。

现有技术中的3d打印机在工作时，为了保证精度，运行一般都不会太大，大概在50～60mm/s；然而采用本发明提供的极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机进行打印，能够控制定位精度为0.1mm，并且在保证该定位精度的前提下，能够实现运行速度达到80-100mm/s。

本实施例所提供极坐标丝杠传动悬臂式3d打印机采用开放式布局，即3d打印机中的工作平台中不设置立柱，因此打印喷头在旋转时不会受立柱的影响，工作平台不会影响打印喷头的旋转工作空间。