面向复杂工件加工的五轴联动3D打印机的机械结构的制作方法

面向复杂工件加工的五轴联动3d打印机的机械结构
技术领域
[0001]
本实用新型涉及一种面向复杂工件加工的五轴联动3d打印机的机械结构，属于3d打印领域设备组件技术领域。


背景技术：

[0002]
基于熔融沉积成型(fused deposition modeling，fdm)的3d打印技术是3d打印领域的传统打印技术之一，因其采用熔融状态的打印材料逐层堆积成型的原理简单而且易于实现而受到广大设备开发者和用户的欢迎，可以适用于打印各种复杂实物模型与工艺品。但是目前市场上的fdm打印机采用的是2.5轴成型工艺，即x轴和y轴联动，竖直轴z做阶段性进给。虽然也有部分高校研制出五轴3d打印机，但是始终不能解决的问题便是无法实现五轴联动，只能做阶段性进给运动，并且转台精度校准无法达到微米级的标准。目前已有装置把喷头连接在多自由度机械臂上，这种装置的缺陷是当喷头与竖直轴z不平行时，打印材料在熔融状态下容易流动进而影响工件质量。另外，国内也有高校将打印工作台安装在机械臂上，这种装置从液态材料流动的角度来说比前一种装置的打印效果好，但是机械臂的定位精度通常没有丝杠-滑台装置的定位精度高。因此，基于传统的五轴铣削设备而设计的五轴联动3d打印机具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

[0003]
针对现有五轴3d打印机所存在的不能实现复杂工艺的问题，本实用新型提供一种面向复杂工件加工的五轴联动3d打印机的机械结构，主体方案如下：包括实现x、y、z三轴移动的导轨机构和用于完成转动工件的a、c轴的旋转机构。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0004]
一种面向复杂工件加工的五轴联动3d打印机的机械结构，导轨机构主要涉及到传统三轴打印机x、y、z三轴移动模块的机械装置的设计，旋转机构涉及到三维转台的安装以及转台底部新型调节器的设计，该机构不仅可以实现一般转台对于a、c两轴的旋转，还可以调节转台的前后位置和上下角度。
[0005]
进一步的，所述导轨机构由四组导轨及其伺服电机。其结构是，导轨分别是x轴、z轴各一组，y轴两组。整个打印机的机架由铝型材、铝角码、t型角钢和l型角钢搭建而成，整体结构与corexy型的三轴3d打印机机身结构类似。而后在机架顶部放置导轨，导轨的顶部装有伺服电机，用以驱动滚珠丝杠的运动。机架的两侧首先安装上两组y轴的导轨，然后在y轴导轨安装完毕后再在其上安装x轴导轨，最后在x轴导轨之上安装z轴的导轨，其中z轴导轨的伺服电机带有刹车功能，在关机状态时导轨无法运动。导轨安装完成后在z轴导轨底部的连接板上将挤丝系统通过螺栓安装上，至此导轨机构已经全部安装成功。所述的导轨机构采用的是绝对式伺服电机，绝对式伺服电机控制精度的分辨率比系统要求的定位精度高一个数量级，而且拥有记忆工作数据功能，在关机断电后仍可一直保持关机前的位置。
[0006]
进一步的，所述z轴导轨的上方装有打表板，下方的打表板由连接板代替，其作用
是吸附打表仪，使之可以不定期检查导轨机构和旋转机构的精度。在导轨机构安装完成后将装上打表仪对y轴导轨的平行度进行测试，在打表板上安装打表仪，通过对y轴导轨进行打表以确保y轴的两根导轨互相平行。而后对z轴的垂直度进行测试，将打表仪对着机架进行x、y轴导轨进行打表，确保z轴导轨与x和y轴导轨互相垂直。
[0007]
进一步的，所述旋转机构由三维转台和新型调节器组成。三维转台可以实现a、c轴方向的运动，a轴与c轴分别于x和z轴平行。转台内部装有两个小型的伺服电机，转台的工作台允许在360
°
以内绕着ac两轴任意旋转，同时还配有限位开关，校准时可以顺利回归到机械原点。
[0008]
进一步的，所述调节器由底板、前后旋转板、高度控制板和刻度盘等元器件组成。转台安装后需要校准a轴和c轴与x、z两轴的平行度，这不同于y轴导轨，y轴导轨经过粗调后可以通过x轴导轨的前后运动从而达到的精调的目的，并且y轴方向的误差对整个工件的打印影响不大，但是转台不同。转台的a、c轴的位置是五轴3d打印机的衡量标准，这也是市面上现在只有三轴打印机，而五轴几乎没有的主要原因。
[0009]
进一步的，所述新型调节器的主要结构是三块不锈钢金属板，分别是底板、前后旋转板和高度控制板。底板用来连接机架，前后旋转板上接转台，下连高度控制板，高度控制板在中间分别与底板和前后旋转板连接。其中，高度控制板上安装有刻度盘，用来作为前后调节时的度量，其一端装有两块蝶形螺母，蝶形螺母的螺纹连接在高度控制板上，底部顶着底板。这种螺母可以调节高度控制板一侧的高度，该板的作用是校准a轴上下位置。前后旋转板一方面连接转台，另外在一侧装有调节螺栓，另一侧装有卸料螺钉和刻度盘指针。卸料螺钉贯穿于前后调节板和高度控制板，与底板进行螺纹连接，并且穿过刻度盘指针的重心。通过移动调节螺钉可以使该板绕着卸料螺钉前后旋转，刻度盘指针在刻度盘实时记录数据，该板的作用是校准a轴前后位置。t型螺母从底板一直贯穿到前后旋转板，然后用法兰螺母旋紧，至此便可以实现调节器的固定。
[0010]
进一步的，机架的底部设有上盖板，上盖板的下方安装有下底板。上盖板上安装了定位针，定位针固定在上盖板上，安装位置只要机床工件坐标系以内即可。由于机械限位开关的精度达不到五轴3d打印机的旋转中心所要求的精度要求，因此每一次归零都可能导致旋转中心相对于机床坐标系的位置发生改变，而定位针的作用便是重新定位旋转中心，由于旋转中心与定位针的相对位置不会改变，因此只需要每次对定位针进行一次对刀，便可以准确地找到旋转中心的位置，减少每次开机打印前都要进行校准的繁琐工作。
[0011]
进一步的，所述五轴联动3d打印机虽比三轴打印机体积大很多，但却比一般的五轴加工中心小，因而为了使其具有传统三轴打印机便于储运的功能，在打印机底部安装了脚轮，在正常工作时脚轮可用于支撑的地脚，在搬运时可以将其转换成万向轮任意移动，并且不会损伤机器的组件。
[0012]
有益效果：本实用新型具有结构轻便、安装简单、定位精度高和连续工作时间长等特点，同时还进一步解决了其他五轴3d打印机的a轴与c轴与x轴和z轴的平行度低的问题，并且安装简单，搬运方便，开机即可工作。该面向复杂工件加工的五轴联动3d打印机有效地解决了传统五轴机床的精度问题，还极大地扩大了3d打印机的应用范围，大幅度提高了工作效率和经济效益。
[0013]
调节器安装在转台的底部，可以实现前后调节和俯仰调置，校准机床的a、c轴时通
过调节器可以将精度提高到0.01mm以内，是其它五轴机床的10倍以上。
附图说明
[0014]
图1为打印机主视图；图2为打印机左视图；图3为打印机俯视图；图4为导轨机构装配图；图5(a)和(b)分别为x、z轴导轨轴测图；图6为y轴导轨主视图；图7为调节器主视图；图8为调节器俯视图；图9为三维转台轴测图(无后罩)，图10为五轴3d打印机轴测图，图11为调节器轴测图。
[0015]
图中标记及含义：
[0016]
1-脚轮，2-l型角钢，3-三维转台，4-铝型材，5-挤丝系统，6-铝角码，7-连接板，8-z轴导轨，9-打表板，10-履带保护壳，11-z轴伺服电机，12-传送履带，13-z轴限位开关，14-x轴导轨，15-x轴限位开关，16-热床，17-调节螺钉，18-定位针，19-上盖板，20-下底板，21-y轴限位开关，22-y轴伺服电机，23-t型角钢，24-挤丝步进电机，25-调节器，26-底板，27-前后调节螺栓，28-前后旋转板，29-法兰螺母，30-蝶形螺钉，31-高度控制板，32-t型螺栓，33-卸料螺钉，34-刻度盘指针，35-刻度盘，36-a轴伺服电机，37-转台底座，38-c轴伺服电机，39-工作台，40-c轴限位开关，41-a轴限位开关。
具体实施方式
[0017]
现将结合图1-11，对本实用新型的技术方案进行完整的描述。以下描述仅仅是本实用新型的一部分实施案例而已，并非全部。基于本实用新型中的实施案例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本实用新型的权利保护范围之内。
[0018]
如图1-11所示，本实用新型公布了一种面向复杂工件加工的五轴联动3d打印机的机械结构，包括实现x、y、z三轴移动的导轨机构和用于完成转动工件的a、c轴的旋转机构。导轨机构主要涉及到传统三轴打印机x、y、z三轴移动模块的机械装置的设计，旋转机构涉及到三维转台的安装以及转台底部新型调节器的设计，该机构不仅可以实现一般转台对于a、c两轴的旋转，还可以调节转台的前后角度和上下位置。
[0019]
如图4～6所示，打印机的机架由铝型材4、铝角码6、t型角钢和l型角钢23搭建而成，在机架顶部放置导轨，导轨的顶部装有伺服电机，用以驱动滚珠丝杠的运动。机架的两侧首先安装上两组y轴导轨21，然后在y轴导轨21安装完毕后再在其上安装x轴导轨14，最后在x轴导轨14之上安装z轴导轨8，其中z轴导轨的伺服电机11带有刹车功能，在关机状态时导轨无法运动。导轨安装完成后在z轴导轨8底部的连接板7上连接挤丝步进电机24，挤丝步进电机24将连接整个挤丝系统5。挤丝系统5可以依靠三轴的导轨在x、y和z方向上随意移动，并且在导轨的一端装有限位开关，在控制系统中设置好相关参数，导轨便能以指定命令回到机床原点。
[0020]
如图1～3，旋转机构的主要机构是三维转台3和调节器25。三维转台3是五轴机床的核心，也就是五轴中的另外两轴的所在，三维转台可以实现a、c轴方向的运动，a轴与c轴分别于x和z轴平行。三维转台的主要组件是a轴伺服电机36、c轴伺服电机38、a轴限位开关41、c轴限位开关40以及工作台39。三维转台3安装在调节器25上。在三维转台的工作台上装有六个调节螺钉17，螺钉17与热床16连接，挤丝系统5可以在热床16上进行工件的打印。
[0021]
如图7～8，新型调节器25的主要结构是三块不锈钢金属板，分别是底板26、前后旋转板28和高度控制板31。底板26用来连接铝型材4，前后旋转板28上接转台3，下连底板26，高度控制板31在中间分别与底板26和前后旋转板28连接。其中，高度控制板31上安装有刻度盘35，用来作为前后调节时的度量，在一端装有两个蝶形螺母30，这种螺母可以调节高度控制板31一侧的高度，该板的作用是校准a轴上下位置。前后旋转板28的上方连接转台，另外在一侧装有调节螺栓27，另一侧装有卸料螺钉33和刻度盘指针34，可以使前后旋转板28绕着卸料螺钉33前后旋转，刻度盘指针34在刻度盘35实时记录数据，该板的作用是校准a轴前后位置。
[0022]
如图1～3所示，打印机的底部铝型材4的上方装有上盖板19，下方装有下底板20，作用是降低打印机的重心，使之更加稳固。上盖板19的上方装有定位针18，定位针18的作用是在出现意外撞刀或者长时间未使用后的校准，所以通过定位针18可以准确地找到旋转中心的位置，这样可以减少每次开机打印前都要进行校准的繁琐工作。为了使打印机具有传统三轴打印机便于移动的功能，在打印机底部安装了脚轮1，在正常工作时脚轮1可用于支撑的地脚，在搬运时可以将其转换成万向轮任意移动，并且不会损伤机器的组件。
[0023]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

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