并联臂3D打印机

1说明书多功能并联臂3D打印机一、技术领域快速成型和工业设计领域二、背景技术3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。常常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型或者用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。而这样的技术并不仅仅可以利用在打印实物方面，本发明恰恰将这样一种技术应用在了不同的方面，除了能够满足快速成型的需求，还可以实现多方位的功能，为设计者提供更为丰富的选择。三、发明内容本发明多功能并联臂3D打印机主要由机械、电子、软件三大部分组成：1、机械部分主要由支撑部分、传动组部分以及执行组部分组成。支撑部分包括铝制骨架1、连接件2组成，两者的作用是支撑3D打印平台，并为传动组部分零件提供合适的安装位置，铝制骨架（1）与连接件（2）通过直接嵌入连接并通过螺丝固定。传动组部分包括42步进电机（3）、滑轮组（4）、强磁球（5）、碳纤维杆（6）、喷嘴固定座（7）、皮带组成，42步进电机（3）通过连接件（2）固定在底座中通过皮带与在铝制骨架上移动的滑轮组（3）连接，滑轮组（3）和喷嘴固定座（7）上设计安装有强磁球（5），通过碳纤维杆（6）将滑轮组（3）与喷嘴固定座（7）相连接。执行组部分为送丝机。送丝机（8）通过螺丝固定在铝制骨架（1）顶端，挤出机（9）、激光发射器（10）、书写笔、气动组件等动平台根据不同的需要通过喷嘴固定座（7）上的强磁球设计进行更换即可。工作过程中，42步进电机（3）带动皮带将动力传输至滑轮组（4），通过皮带上下移动来控制挤出机（9）的位置，同时送料机（8）对挤出机（9）进行送丝，通过42步进电机（3）和滑轮组（4）的组合来实现挤出机的移动。2、电子部分主要由Ardurino-Mega2560控制器（13）、RAMPS1.4控制器、电机驱动板2（14）、组成。ArduinoMega2560（13）是采用USB接口的核心电路板，适合需要大量IO接口的设计。处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSPheader和一个复位按钮，主要作用是利用软件生成的G代码控制RAMPS1.4电机驱动器的高低电平，进而控制42步进电机（3）的步进。3、软件部分主要由Repetier-host软件、JDpaint软件、Inkscape软件组成。其中Repetier-host软件应用于3D打印、JDpaint软件应用于激光雕刻、Inkscape矢量绘图软件应用于书写。本发明并联臂3D打印机的创新点在于：由于采用了封闭性的结构使其具有高刚性和高速化的优点，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入次之，再来是两端简支撑，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的串联机构。惯性低如果结构所承受的力会改变方向，(介于张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料的结构，而它的移动件重量减至最低且同时由三个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性。由于其为多轴并联机构组成，三个个可伸缩杆杆长都单独对平台的位置和姿态起作用，因而不存在串联机构（xyz构架）的几何误差累积和放大的现象，甚至还有平均化效果；其拥有热对称性结构设计，因此热变形较小；故它具有高精度的优点。四、附图说明3图1为多功能并联臂3D打印机的结构示意简图1—铝制骨架2—连接件3—42步进电机4—滑轮组5—强磁球6—碳纤维杆7—喷嘴固定座8—送丝机4图3为部分电子控制器件11—Ardurino-Mega2560控制器12—电机驱动板图4为并联臂3D打印机程序图5五、具体实施方式1、工作步骤先通过计算机建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物或者微缩建筑等等。然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来，其工作结构分解图如下。3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。2、三维设计三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。3、打印过程打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.16毫米，也有部分打印机如ObjetConnex系列还有三维Systems'ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。附：G代码示例G28归位G1XYZFE代表运动到相应位置，F为运动速度，E为挤出机运动M106开风扇M107关风扇M140S70;平台(热床)的温度设定到70℃(如果有的话)M109T0S220;挤丝头的温度设定到220℃并等待温度到达220℃T0;使用第一个挤丝头G21;设置单位为毫米G90;绝对定位M82;设置挤出为绝对模式M107;关闭风扇G28X0Y0Z0;移动到原点G1Z15.0F9000;移动到离平台15mm处G92E0;设当前丝长为0G1F200E3;挤出丝长3mmG92E0;再次设当前丝长为0;总层数:390;层:0M107G1F2400E-4.50000G0F9000X-11.000Y-11.000Z0.300;类型:内墙G1F2400E0.00000G1F1200X-16.733Y-11.000E0.28602G1X-16.733Y-16.733E0.57204G1X-11.000Y-16.733E0.85806G1X-11.000Y-11.000E1.14408G0F9000X-10.600Y-10.600;类型:外墙G1F1200X-17.133Y-10.600E1.47001G1X-17.133Y-17.133E1.79595G1X-10.600Y-17.133E2.12188G1X-10.600Y-10.600E2.44781G0F9000X-11.139Y-11.422G0X0.266Y0.266Z78.100;类型:内墙G1F600X-0.266Y0.266E1518.336327G1X-0.266Y-0.266E1518.35402G1X0.266Y-0.266E1518.37171G1X0.266Y0.266E1518.38941G0F9000X0.666Y0.666;类型:外墙G1F600X-0.666Y0.666E1518.43371G1X-0.666Y-0.666E1518.47801G1X0.666Y-0.666E1518.52231G1X0.666Y0.666E1518.56662G0F9000X-0.334Y-0.334M107G1F2400E1514.06662G0F9000X-0.334Y-0.334Z83.000;EndGCodeM104S0;挤丝头加热关闭M140S0;平台(热床)加热关闭(如果有的话)G91;相对定位G1E-1F300;回丝以释放挤丝头压力G28X0Y0Z0;移动到原点M84;使电机处于自由状态G90;绝对定位4、制作完成三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。