本實(shí)用新型屬于3D打印設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種3D打印機(jī)。

背景技術(shù)：

3D打印機(jī)是近年來(lái)新興的應(yīng)用快速成型技術(shù)的一種機(jī)器，它是通過(guò)建立三維數(shù)字模型，將塑料或者金屬等材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)制造物體本身。應(yīng)用3D打印機(jī)可以打印一輛汽車(chē)、一座房屋，或者各種各樣的生活用品，甚至是人體物質(zhì)等等。目前市場(chǎng)上主流的3D打印機(jī)存在體積大、高速性能較差、質(zhì)量大的問(wèn)題，限制了3D打印機(jī)的應(yīng)用和推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種3D打印機(jī)，解決了現(xiàn)有3D打印機(jī)存在的體積大、高速性能差的問(wèn)題。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，一種3D打印機(jī)，包括機(jī)架，機(jī)架上分別設(shè)有打印熱床和索桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，索桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接打印裝置；

其中機(jī)架包括沿豎直方向平行設(shè)置的環(huán)形上靜平臺(tái)和下靜平臺(tái)，上靜平臺(tái)和下靜平臺(tái)之間通過(guò)至少兩根立柱支撐，打印熱床設(shè)置在下靜平臺(tái)上；

其中打印裝置包括設(shè)置在索桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的擠出機(jī)和打印噴頭，打印裝置還包括料輥，料輥設(shè)置在料輥支架上，料輥上纏繞有打印料絲，打印料絲的一端端頭纏繞在擠出機(jī)上。

其中索桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括豎直設(shè)置在上靜平臺(tái)中心處的中空狀質(zhì)桿，質(zhì)桿的上端設(shè)有上動(dòng)平臺(tái)，上動(dòng)平臺(tái)的中心處開(kāi)設(shè)有與質(zhì)桿同軸的圓孔a，上動(dòng)平臺(tái)分別通過(guò)三根柔索a連接三對(duì)滑輪組A，三對(duì)滑輪組A均設(shè)置在上靜平臺(tái)的上表面，三根柔索a分別繞過(guò)三對(duì)滑輪組A連接在三組排索機(jī)構(gòu)上；

上靜平臺(tái)的下表面設(shè)有三個(gè)滑輪組B，三個(gè)滑輪組B分別通過(guò)三根柔索b連接下動(dòng)平臺(tái)，下動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在質(zhì)桿的下端，下動(dòng)平臺(tái)的中心處設(shè)有與質(zhì)桿同軸的圓孔b，三根柔索b分別繞過(guò)三個(gè)滑輪組B連接在另外三組排索機(jī)構(gòu)上。

其中三個(gè)滑輪組B與三對(duì)滑輪組A均勻分布在上靜平臺(tái)上。

其中柔索a的一端通過(guò)球鉸裝置連接在上動(dòng)平臺(tái)上，柔索a的另一端依次繞過(guò)一對(duì)滑輪組A后連接在一組排索機(jī)構(gòu)上；

其中柔索b的一端通過(guò)球鉸裝置連接在下動(dòng)平臺(tái)上，柔索b的另一端繞過(guò)一個(gè)滑輪組B后連接在另一組排索機(jī)構(gòu)上。

其中擠出機(jī)設(shè)置在上動(dòng)平臺(tái)上端，打印噴頭設(shè)置在下動(dòng)平臺(tái)底部，擠出機(jī)的出料口和打印噴頭的進(jìn)料口之間通過(guò)輸料管連接，輸料管的一端連接擠出機(jī)的出料口，輸料管的另一端穿過(guò)圓孔a進(jìn)入質(zhì)桿內(nèi)部且從質(zhì)桿底部伸出后穿過(guò)圓孔b，再與打印噴頭的進(jìn)料口連接。

本實(shí)用新型的有益效果是，本裝置中采用了采用索桿混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在排索機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，借助球鉸裝置及六根并聯(lián)柔索進(jìn)行力的傳遞，實(shí)現(xiàn)打印噴頭的位姿的控制，即通過(guò)六根柔索的收放協(xié)調(diào)控制打印噴頭實(shí)現(xiàn)任意空間軌跡的移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)3D打印功能。與普通并聯(lián)臂3D打印機(jī)相比較，具有工作效率高、慣量小、體積小、響應(yīng)快、高速性能好、可以產(chǎn)生較大的加速度和工作區(qū)間等特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型一種3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型一種3D打印機(jī)的主視圖；

圖3是本實(shí)用新型一種3D打印機(jī)中采用的排索機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本實(shí)用新型一種3D打印機(jī)的中球鉸裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.機(jī)架，1-1.上靜平臺(tái)，1-2.下靜平臺(tái)，1-3.立柱；

2.打印熱床；

3.料輥支架；

4.索桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，4-1.質(zhì)桿，4-2.上動(dòng)平臺(tái)，4-3.柔索a，4-4.滑輪組A，4-5.排索機(jī)構(gòu)，4-5-1.滾索套，4-5-2.滾筒軸，4-5-3.軸套，4-5-4.缸蓋，4-5-5.長(zhǎng)條導(dǎo)行鍵，4-5-6.長(zhǎng)條導(dǎo)行槽，4-5-7.伺服電機(jī)；

4-6.滑輪組B，4-7.柔索b，4-8.下動(dòng)平臺(tái)；

5.擠出機(jī)，6.打印料絲，7.料輥，8.打印噴頭；

9.球鉸裝置，9-1.球鉸套，9-2.球鉸球，9-3.中心孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本實(shí)用新型一種3D打印機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，包括機(jī)架1，機(jī)架1上分別設(shè)有打印熱床2和索桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4，索桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4連接打印裝置。

機(jī)架1包括沿豎直方向平行設(shè)置的環(huán)形上靜平臺(tái)1-1和下靜平臺(tái)1-2，上靜平臺(tái)1-1和下靜平臺(tái)1-2之間通過(guò)至少兩根立柱1-3支撐，打印熱床2設(shè)置在下靜平臺(tái)1-2上。

索桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4包括豎直設(shè)置在上靜平臺(tái)1-1中心處的中空狀質(zhì)桿4-1，質(zhì)桿4-1的上端設(shè)有上動(dòng)平臺(tái)4-2，上動(dòng)平臺(tái)4-2的中心處開(kāi)設(shè)有與質(zhì)桿4-1同軸的圓孔a，上動(dòng)平臺(tái)4-2分別通過(guò)三根柔索a4-3連接三對(duì)滑輪組A4-4(每對(duì)滑輪組A4-4并排設(shè)置)，三對(duì)滑輪組A4-4均設(shè)置在上靜平臺(tái)1-1的上表面，三根柔索a4-3分別繞過(guò)三對(duì)滑輪組A4-4連接在三組排索機(jī)構(gòu)4-5上；

上靜平臺(tái)1-1的下表面設(shè)有三個(gè)滑輪組B4-6，三個(gè)滑輪組B4-6分別通過(guò)三根柔索b4-7連接下動(dòng)平臺(tái)4-8，下動(dòng)平臺(tái)4-8設(shè)置在質(zhì)桿4-1的下端，下動(dòng)平臺(tái)4-8的中心處設(shè)有與質(zhì)桿4-1同軸的圓孔b，三根柔索b4-7分別繞過(guò)三個(gè)滑輪組B4-6連接在另外三組排索機(jī)構(gòu)4-5上。

三個(gè)滑輪組B4-6與三對(duì)滑輪組A4-4均勻分布在上靜平臺(tái)1-1上，即三個(gè)滑輪組B4-6兩兩之間呈120°設(shè)置，三對(duì)滑輪組A4-4兩兩之間呈120°設(shè)置。

與三根柔索a4-3連接的三組排索機(jī)構(gòu)4-5及與三根柔索b4-7連接的三組排索機(jī)構(gòu)4-5結(jié)構(gòu)相同且均設(shè)置在下靜平臺(tái)1-2上，即本實(shí)用新型中共有六組結(jié)構(gòu)相同的排索機(jī)構(gòu)4-5。

如圖3所示，每組排索機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)為：包括滾索套4-5-1、滾筒軸4-5-2、軸套4-5-3和缸蓋4-5-4，滾索套4-5-1固定連接在滾筒軸4-5-2上，位于滾索套4-5-1一側(cè)的滾筒軸與缸蓋4-5-4連接，位于滾索套4-5-1另一側(cè)的滾筒軸4-5-2上設(shè)置有軸套4-5-3；滾筒軸4-5-2的一端與缸蓋4-5-4通過(guò)螺紋連接，滾筒軸4-5-2的另一端上設(shè)置有長(zhǎng)條導(dǎo)行鍵4-5-5，軸套4-5-3內(nèi)圓周面上設(shè)置有與長(zhǎng)條導(dǎo)行鍵4-5-5對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)條導(dǎo)行槽4-5-6，長(zhǎng)條導(dǎo)行鍵4-5-5內(nèi)嵌在長(zhǎng)條導(dǎo)行槽4-5-6內(nèi)，滾筒軸4-5-2與缸蓋4-5-4呈垂直設(shè)置。

其中柔索a4-3的一端通過(guò)球鉸裝置9連接在上動(dòng)平臺(tái)4-2上，柔索a4-3的另一端依次繞過(guò)一對(duì)滑輪組A4-4后連接在一組排索機(jī)構(gòu)4-5上(一根柔索a4-3對(duì)應(yīng)一對(duì)滑輪組A4-4和一組排索機(jī)構(gòu)4-5)；

其中柔索b4-7的一端通過(guò)球鉸裝置9連接在下動(dòng)平臺(tái)4-8上，柔索b4-7的另一端繞過(guò)一個(gè)滑輪組B4-6后連接在另一組排索機(jī)構(gòu)4-5上。

柔索a4-3與上動(dòng)平臺(tái)4-2的連接處、柔索b4-7與下動(dòng)平臺(tái)4-8的連接處分別通過(guò)球鉸裝置9連接。

如圖4所示，球鉸裝置9包括球鉸套9-1和設(shè)置在球鉸套9-1內(nèi)的球鉸球9-2，球鉸球9-2上設(shè)置有中心孔9-3。

當(dāng)柔索a4-3通過(guò)球鉸裝置9與上動(dòng)平臺(tái)4-2連接時(shí)，球鉸套9-1通過(guò)設(shè)置在其外壁上的外螺紋與上動(dòng)平臺(tái)4-2連接，將柔索a4-3的一端從中心孔9-3上端穿到中心孔9-3下端，并將柔索a4-3的一端端部在中心孔9-3的底部打結(jié)，防止柔索a4-3從中心孔9-3中抽出。

當(dāng)柔索b4-7通過(guò)球鉸裝置9與下動(dòng)平臺(tái)4-8連接時(shí)，球鉸套9-1通過(guò)設(shè)置在其外壁上的外螺紋與下動(dòng)平臺(tái)4-8連接，將柔索b4-7的一端從中心孔9-3上端穿到中心孔9-3下端，并將柔索b4-7的一端端部在中心孔9-3的底部打結(jié)，防止柔索b4-7從中心孔9-3中抽出。

其中打印裝置包括設(shè)置在上動(dòng)平臺(tái)4-2上端的擠出機(jī)5和設(shè)置在下動(dòng)平臺(tái)4-8底部的打印噴頭8；

打印裝置還包括料輥7，料輥7設(shè)置在料輥支架3上，料輥7上纏繞有打印料絲6，打印料絲6的一端端頭纏繞在擠出機(jī)5上，擠出機(jī)5的出料口和打印噴頭8的進(jìn)料口之間通過(guò)輸料管連接，輸料管的一端連接擠出機(jī)5的出料口，輸料管的另一端穿過(guò)圓孔a進(jìn)入質(zhì)桿4-1內(nèi)部且從質(zhì)桿4-1底部伸出后穿過(guò)圓孔b，再與打印噴頭8的進(jìn)料口連接。

本實(shí)用新型一種3D打印機(jī)的工作原理為，與三根柔索a4-3連接的三組排索機(jī)構(gòu)4-5運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)柔索a4-3(三對(duì)滑輪組A4-4對(duì)柔索a4-3起導(dǎo)向作用)帶動(dòng)上動(dòng)平臺(tái)4-2上下運(yùn)動(dòng)；與三根柔索b4-7連接的三組排索機(jī)構(gòu)4-5運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)柔索b4-7(三個(gè)滑輪組B4-6對(duì)柔索b4-7起導(dǎo)向作用)帶動(dòng)下動(dòng)平臺(tái)4-8上下運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)打印噴頭8的空間位置變化進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了3D打印功能，本實(shí)用新型提供的一種3D打印機(jī)在工作時(shí)，3D打印機(jī)的進(jìn)料是將打印料絲6(打印料絲6事先纏繞在料輥7上)穿過(guò)擠出機(jī)5進(jìn)入輸料管內(nèi)部，然后從輸料管輸送到打印噴頭8內(nèi)部(打印料絲6經(jīng)擠出機(jī)5擠到輸料管內(nèi))，從打印噴頭8噴出的產(chǎn)品即為打印成品，從而完成了3D打印的過(guò)程。

排索機(jī)構(gòu)4-5的工作原理為：當(dāng)伺服電機(jī)4-5-7驅(qū)動(dòng)軸套4-5-3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸套4-5-3帶動(dòng)滾筒軸4-5-2轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒軸4-5-2再帶動(dòng)滾索套4-5-1轉(zhuǎn)動(dòng)。由于滾筒軸4-5-2與缸蓋4-5-4是通過(guò)螺紋連接的，滾筒軸4-5-2邊旋轉(zhuǎn)邊帶動(dòng)滾索套4-5-1作直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)置在滾筒軸4-5-2上的長(zhǎng)條導(dǎo)行鍵5沿著軸套4-5-3上的長(zhǎng)條導(dǎo)行槽4-5-6滑動(dòng)，約束滾筒軸4-5-2作直線運(yùn)動(dòng)，這樣柔索a4-3和柔索b4-7排繞在滾索套4-5-1上后既可以作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也可以作直線運(yùn)動(dòng)，以確保出索口位置的相對(duì)固定以及排索的有序性。

本實(shí)用新型一種3D打印機(jī)依據(jù)的科學(xué)原理為，本實(shí)用新型中提供的3D打印機(jī)，實(shí)質(zhì)是以索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人，即是遵循力矢量閉合的條件，本裝置在平衡狀態(tài)無(wú)動(dòng)作時(shí)，柔索仍然會(huì)因?yàn)槌袚?dān)末端執(zhí)行器自重而受到拉力的作用。在這種情況下，必需全面的考慮柔索的配置，合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，才能使末端打印噴頭有較好的運(yùn)動(dòng)情況。

假設(shè)本裝置中共有n個(gè)剛體(包括機(jī)架)，如果將這些剛體用m個(gè)運(yùn)動(dòng)副連接起來(lái)，且每個(gè)運(yùn)動(dòng)副具有fi個(gè)自由度的，計(jì)算本裝置的自由度數(shù)為：

式中：D——機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)；

n——構(gòu)件總數(shù)(包括機(jī)架)；

m——運(yùn)動(dòng)副數(shù)目；

f_i——第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副具有的相對(duì)自由度

通過(guò)對(duì)空間自由度計(jì)算公式的解算可以基本確定，三自由度索桿混合型3D打印機(jī)，如果采用剛性桿件來(lái)驅(qū)動(dòng)的話，則至少需要3根桿，就可以使末端執(zhí)行器具有空間三自由度。但是因?yàn)槿崴髦荒艹惺鼙粡埦o的拉力，所以要有冗余驅(qū)動(dòng)力才能達(dá)到力閉合的要求。為滿(mǎn)足3D打印機(jī)的n個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)要求，必須有n+1個(gè)驅(qū)動(dòng)力，即需要n+1根柔索。如果以驅(qū)動(dòng)柔索數(shù)量來(lái)分類(lèi)，可將其分為三種：

A.完全位置約束型；

B.在考慮重力影響等其他條件下，柔索數(shù)少于標(biāo)準(zhǔn)值的非完全位置約束型；

C.柔索數(shù)多余標(biāo)準(zhǔn)值的過(guò)完全位置約束型。

通過(guò)對(duì)本實(shí)用新型一種3D打印機(jī)空間自由度計(jì)算公式的解算可以確定，三自由打印機(jī)，如果采用索驅(qū)動(dòng)的話，則至少需要4根索，就可以使打印噴頭8具有空間3自由度，本實(shí)用新型提供的一種3D打印機(jī)中打印噴頭8的位姿是由柔索的約束來(lái)控制的。柔索在驅(qū)動(dòng)剛體時(shí)會(huì)表現(xiàn)出一定特殊性，要求執(zhí)行器末端保持平動(dòng)且不能帶有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此本實(shí)用新型提供的一種3D打印機(jī)由6根柔索(3根柔索a4-3和3根柔索b4-7)和1根桿(質(zhì)桿4-1)來(lái)實(shí)現(xiàn)位姿變化，可實(shí)現(xiàn)剛體在X、Y、Z、3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)通過(guò)以上的自由度和運(yùn)動(dòng)類(lèi)型分析可以確定。本實(shí)用新型中上動(dòng)平臺(tái)4-2連接的三根柔索a4-3與下動(dòng)平臺(tái)4-8連接的三根柔索b47在空間形成上下對(duì)稱(chēng)排布，并分別在下方投影平面上有120度夾角，3根柔索a4-3和3根柔索b4-7分別通過(guò)由六個(gè)排索機(jī)構(gòu)4-5中的伺服電機(jī)4-5-7并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)剛體的空間三自由度移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)3D打印的工作要求。