一種基于行星輪系3d打印機驅動機構及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于行星輪系3D打印機驅動機構，包括外齒圈、與所述外齒圈同心設置的太陽輪，呈180°夾角的對稱嚙合設置在外齒圈與太陽輪之間的兩個行星輪、連接兩個行星輪的行星架，每個行星輪均通過連接軸與同步帶輪同軸連接，兩個同步帶輪之間連接有同步帶，打印機擠出裝置支撐桿與行星架固連，連接軸通過軸承裝在行星架上，打印機擠出裝置安裝在同步帶的一側，并由該側同步帶帶動，同時與所述打印機擠出裝置支撐桿滑動配合。本發明還公開了一種基于行星輪系3D打印機驅動方法。本發明大大提高了電機利用率，減輕了電機負擔，提升打印頭移動速度，且整個打印機的打印精度由精度最高的那個電機所決定，使得打印精度有提升空間。
【專利說明】
-種基于行星輪系3D打印機驅動機構及方法
技術領域
[0001] 本發明設及3D打印領域，尤其設及一種基于行星輪系3D打印機驅動機構及方法。
【背景技術】
[0002] 傳統XY式打印機在做單軸運動時，只有一個電機工作，電機的利用率低，打印頭移 動速度慢，同時，打印頭的移動精度受每個電機的精度影響，打印精度有待提高。
【發明內容】
[0003] 針對上述技術問題，本發明提供了一種基于行星輪系3的T印機驅動機構及方法。
[0004] 本發明是通過如下技術方案來實現的：
[0005] -種基于行星輪系3D打印機驅動機構，包括外齒圈、與所述外齒圈同屯、設置的太 陽輪，呈180°夾角的對稱曬合設置在外齒圈與太陽輪之間的兩個行星輪、連接兩個行星輪 的行星架，每個行星輪均通過連接軸與同步帶輪同軸連接，兩個同步帶輪之間連接有同步 帶，打印機擠出裝置支撐桿打印機擠出裝置支撐桿與行星架固連，連接軸通過軸承裝在行 星架上，打印機擠出裝置安裝在同步帶的一側，并由該側同步帶帶動，同時與所述打印機擠 出裝置支撐桿滑動配合，跟隨同步帶的移動而做平移運動。
[0006] 進一步地，每個行星輪的圓屯、與所連接的同步帶輪的圓屯、位于同一豎直線上，同 時，兩個同步帶輪位于同于水平高度上。
[0007] -種采用所述驅動機構的3D打印機驅動方法，包括步驟：
[0008] 1)用極坐標(r，0)表示打印機擠出裝置在平面中所在位置；
[0009] 2)通過設定外齒圈的角速度《。、行星輪的自轉角速度《自、行星架的角速度《公、 太陽輪的角速度《3中的任兩個為已知參量確定另兩個的角速度；
[0010] 3)根據行星架的角速度《公和行星輪的角速度《自求得微小時間At內行星輪的徑 向位移A 1和行星輪公轉行星輪公轉的角位移A 0，實現坐標的位移。
[0011] 4)打印機擠出裝置角速度、位移由行星架的角速度《公直接決定，徑向運動速度、 位移由行星輪的角速度《自直接決定。
[0012] 進一步地，所述步驟2)具體包括：
[001引21)由行星輪系傳動關系得出變量外齒圈的角速度W。、行星輪的自轉角速度W自、 行星架的角速度《公、太陽輪的角速度《3之間的關系式：
[0014] RcXwc = I?bXwg-(Ra+Rb)Xw% (1)
[001 引 RaXwa = I?bXwg+(Ra+Rb)Xw% (2)
[0016] 其中，Ra為太陽輪半徑，肺為行星架半徑，Rc為外齒圈半徑；
[0017] 22)當設定四個變量中的任意兩個為已知主動量時，上述兩式即為二元一次方程 組，可解出剩余兩從動量的表達式，例如當外齒圈的角速度《。、太陽輪的角速度《3為主動 量時，可解得：
[001引①行星架5)的角速度《公的表達式：
[0019]
，
[0020] ②行星輪(9)的自轉角速度CO自的表達式
[0021]
[0022] 當設定其他兩變量為主動量時的情況依此類推。
[0023] 進一步地，所述步驟3)具體包括：
[0024] 31)將所述行星輪的自轉角速度《自表達式兩邊乘W At和化，得到微小時間At內 行星輪的徑向位移A 1:
[0025]
[0026] 32)外齒圈的角速度表達式兩邊同時乘W At,得到微小時間At內行星輪公轉的 角位移A 0 :
[0027]
[0028] 33)根據微小時間A t內行星輪的徑向位移A 1和微小時間A t內行星輪公轉的角 位移A 0作為位移量實現坐標的位移。
[0029] 進一步地，設定外齒圈的角速度《。為主動量是指用電機驅動外齒圈轉動；
[0030] 設定行星輪的角速度cog為主動量是指用電機驅動行星輪轉動；
[0031 ]設定行星架的角速度〇公為主動量是指用電機驅動行星架轉動；
[0032] 設定太陽輪的角速度《3為主動量是指用電機驅動太陽輪轉動。
[0033] 相比現有技術，本發明主要有W下優點：
[0034] 1、相比傳統XY式打印機在做單軸運動時，只有一個電機工作，行星輪式打印機無 論是再做行星輪的旋轉還是同步帶輪的旋轉時，都可W兩個電機同時工作，大大提高了電 機的利用率，提升打印頭移動速度，且整個打印機的打印精度由精度最高的那個電機所決 定，使得打印精度有提升空間。
[0035] 2、W ?3、為主動量時，可W根據電機的性能適配相應齒輪系的尺寸（Ra，肺， Rc)，W達到理想的工作狀態。
[0036] 3、W ?自、《公為主動量時，可W略去外齒圈和太陽輪(行星輪也不需要用齒輪，沒 有齒輪傳動、配合機構），大大簡化機構，使生產和加工的難度大大降低。
[0037] 4、行星齒輪結構3D打印機，利用行星齒輪機構多輸入、多自由度的機械結構特性， 實現3D打印機打印頭在打印平面內快速、高效的移動。
【附圖說明】
[0038] 圖1為本發明實施例的結構原理圖。
[0039] 圖2為本發明實施例的行星輪與同步帶輪的裝配示意圖。
[0040] 圖3為發明實施例的行星輪的徑向位移示意圖。
[0041 ]圖4為發明實施例的打印機擠出裝置安裝示意圖。
[0042] 圖中所示為：1-第一行星輪;2-太陽輪;3-第二行星輪;4-外齒圈；5-行星架;6-打 印機擠出裝置支撐桿;7-同步帶輪;8-連接軸;9-行星輪;10-第一同步帶輪；11-第二同步帶 輪;12-打印機擠出裝置;13-同步帶。
【具體實施方式】
[0043] 下面通過具體實施例對本發明的目的作進一步詳細地描述，實施例不能在此一一 寶述，但本發明的實施方式并不因此限定于W下實施例。
[0044] 如圖1至圖4所示，一種基于行星輪系3D打印機驅動機構，包括外齒圈4、與所述外 齒圈4同屯、設置的太陽輪2,呈180°夾角的對稱曬合設置在外齒圈4與太陽輪2之間的兩個行 星輪9、連接設置在兩個行星輪9之間的行星架5,兩個行星輪9分別為第一行星輪1和第二行 星輪3,每個行星輪9均通過連接軸8與同步帶輪7同軸連接，兩個同步帶輪7分別為第一同步 帶輪10和第二同步帶輪11，第一同步帶輪10和第二同步帶輪11之間連接有同步帶13,兩個 連接軸8之間設置有打印裝置支撐桿6,打印機擠出裝置12安裝在同步帶13的一側，同時與 所述打印機裝置支撐桿6滑動配合，跟隨同步帶13的移動而做徑向運動。
[0045] 每個行星輪9的圓屯、與所連接的同步帶輪7的圓屯、位于同一豎直線上，同時，兩個 同步帶輪7位于同于水平高度上。
[0046] -種采用所述驅動機構的3D打印機驅動方法，包括步驟：
[0047] 1)用極坐標(r，0)表示打印機擠出裝置12在平面中所在位置；
[0048] 2)通過設定外齒圈（4)的角速度行星輪9的自轉角速度《自、行星架5的角速度 ?公、太陽輪(2)的角速度《3中的任兩個為已知參量確定另兩個的角速度；
[0049] 3)根據行星架的角速度《公和行星輪的角速度《自求得微小時間At內行星輪的徑 向位移A 1和行星輪公轉行星輪公轉的角位移A 0，實現坐標的位移。
[0050] 4)打印機擠出裝置角速度、位移由行星架的角速度《公直接決定，徑向運動速度、 位移由行星輪的角速度《自直接決定。
[0051] 進一步地，21)由行星輪系傳動關系得出變量外齒圈4的角速度《。、行星輪9的自 轉角速度《自、行星架5的角速度《公、太陽輪2的角速度《a)之間的關系式：
[0化2] RcXwc =化 Xw自-(Ra+Rb) Xw公(1)
[0化；3] RaXWa =化 Xw自+(Ra+Rb) Xw公(2)
[0054] 其中，Ra為太陽輪半徑，Rb為行星架半徑，Rc為外齒圈半徑;22)當設定四個變量中 的任意兩個為已知主動量時，上述兩式即為二元一次方程組，可解出剩余兩從動量的表達 式，例如，當外齒圈4的角速度《。、太陽輪2的角速度《 a為主動量時，可解得：
[0055] ①行星架5)的角速度《公的表達式：
[0056]
， （3)
[0057] ②行星輪(9)的自轉角速度《自的表達式
[005引
（4)
[0059]當設定其他兩變量為主動量時的情況依此類推。
[0060] 進一步地，所述步驟3)具體包括：
[0061] 31)將所述行星輪的角速度表達式兩邊乘W A t和化，得到微小時間A t內行星輪 的徑向位移A 1:
[0062]
城
[0063] 32)外齒圈的角速度表達式兩邊同時乘W At,得到微小時間At內行星輪公轉的 角位移A 0 :
化）
[0064]
[0065] 33)根據微小時間A t內行星輪的徑向位移A 1和微小時間A t內
[0066] 行星輪公轉的角位移A 0作為位移量實現坐標的位移，所W得
[0067] Ax=AlXcosA 白
[006引 Ay=AlXsinA 白。（7)
[0069] 進一步地，設定外齒圈4的角速度為主動量是指用電機驅動外齒圈轉動；
[0070] 設定行星輪9的角速度cog為主動量是指用電機驅動行星輪轉動；
[0071 ]設定行星架5的角速度《公為主動量是指用電機驅動行星架轉動；
[0072] 設定太陽輪2的角速度《3為主動量是指用電機驅動太陽輪轉動。
[0073] 為了使打印機擠出裝置12能夠到達平面內的任意一點，應提供兩個相互獨立的自 由度，即提供《3、自、《公四個參量中任意兩個作為主動量。用極坐標來表示平面上的 點，本實施例通過行星輪的轉動和同步帶輪的轉動來改變極坐標系中的0和r，W實現打印 頭位置的移動。
[0074] 下面從，《3、《。作為主動量打印頭從點(^)，0〇)運動的到片1，01)的一種運動方式 為例，說明打印機的運動方式：
[007引 （:r0,90)一(n)，9i)，運動時r日保持不變，即兩行星輪只公轉不自轉，W自=0。
[0076] 此時，《3、應滿足RaX ?a = RcX ?c，一定時間后，擠出裝置跟隨行星輪由00轉 至白1:
[0077] (r〇，0i)一(ri，0i)，運動時01保持不變，即兩行星輪只自轉，不公轉，W公二0。
[007引此時，W 3、W C應細足Ra X 0 a = -Rc X 0c, -定時間后，打印頭由TO平移至。
[0079] 由上述過程可知，可通過改變主動量之間的關系，來得到所需要的運動狀態，實際 實施中，只需改變兩個電機之間的轉速之比，來得到所需要的運動方式。
[0080] 行星輪1與行星輪2相隔180°放置并通過行星架相連接，再與外齒圈和太陽輪相曬 合。通過驅動外齒圈（或行星輪或行星架)轉動可W使得行星架轉動到任意角度。運動過程 中倆行星輪因規格完全相同且有行星架約束，相對位置始終保持不變。
[0081] 各主動量可用方案包括：
[00劇 1、03、作為主動量，W自、《公作為從動量；
[008：3] 2、〇自、〇公作為主動量，W 3、"C作為從動量；
[0084] 3、〇 3、《公作為主動量，《自、作為從動量；
[00化]4、〇自、作為主動量，〇3、《公作為從動量；
[0086] 各參量作為主動量時的對應實施方法：《a用電機驅動太陽輪轉動；《。用電機驅動 外齒圈轉動；《自用電機驅動行星輪轉動；《公用電機驅動行星架轉動。
[0087] 在另一個實施例中，用電機驅動太陽輪2和外齒圈4轉動（W ? 3、《。為主動量)的方 案：
[0088] 利用電機帶動太陽輪2的主軸轉動，W及電機帶動垂直軸斜齒輪轉動再傳動給外 齒圈4使其轉動，實現行星齒輪機構的二自由度輸入。行星輪9的輸出為，行星架5連接兩個 行星輪5使其公轉，并且兩個行星輪5自轉從而帶動同軸的同步帶輪7,同步帶輪7帶動同步 帶使打印機擠出裝置12在打印裝置支撐桿上移動，實現打印機擠出裝置12在平面內的自由 移動，運個方案中需要加工并驅動尺寸較大的外齒圈。
[0089] 在另一個實施例中，用電機驅動太陽輪2和行星架5轉動自、《公為主動量）的 方案：
[0090] 利用一個電機帶動太陽輪2的主軸轉動，另一個電機帶動連接兩個行星輪9的連桿 W帶動兩個對稱的行星輪9做公轉運動，實現行星輪9機構的二自由度輸入，行星輪9的輸出 與上一方案相同。
[0091] 除了本實施例提及的方式外，本發明還可采用行星架5和行星輪9輸入、行星架5和 外齒圈4輸入等方式。運些變換方式均在本發明的保護范圍內。
[0092] 上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于行星輪系3D打印機驅動機構，其特征在于:包括外齒圈（4)、與所述外齒圈 (4)同心設置的太陽輪(2)，呈180°夾角的對稱嚙合設置在外齒圈（4)與太陽輪(2)之間的兩 個行星輪(9)、連接兩個行星輪(9)的行星架(5)，每個行星輪(9)均通過連接軸(8)與同步帶 輪(7)同軸連接，兩個同步帶輪之間連接有同步帶（13)，打印機擠出裝置支撐桿(6)水平穿 過兩個連接軸(8)，（打印機擠出裝置支撐桿(6)與行星架(5)固連，連接軸(8)通過軸承裝在 行星架(5)上，打印機擠出裝置（12)安裝在同步帶（13)的一側，并由該側同步帶（13)帶動， 同時與所述打印機擠出裝置支撐桿(6)滑動配合，跟隨同步帶（13)的移動而做平移運動。2. 根據權利要求1所述的基于行星輪系3D打印機驅動機構，其特征在于：每個行星輪 (9)的圓心與所連接的同步帶輪(7)的圓心位于同一豎直線上，同時，兩個同步帶輪(7)位于 同于水平高度上。3. -種采用所述驅動機構的3D打印機驅動方法，其特征在于，包括步驟： 1) 用極坐標(r，0)表示打印機擠出裝置(12)在平面中所在位置； 2) 通過設定外齒圈（4)的角速度co。、行星輪(9)的自轉角速度co自、行星架(5)的角速度 ?公、太陽輪(2)的角速度〇^中的任兩個為已知參量確定另兩個的角速度； 3) 根據行星架的角速度co公和行星輪的角速度co自求得微小時間At內行星輪的徑向位 移A 1和行星輪公轉行星輪公轉的角位移A 0，實現坐標的位移； 4) 打印機擠出裝置角速度、位移由行星架的角速度co公直接決定，徑向運動速度、位移 由行星輪的角速度《自直接決定。4. 根據權利要求3所述的3D打印機驅動方法，其特征在于，所述步驟2)具體包括： 21) 由行星輪系傳動關系得出變量外齒圈（4)的角速度co。、行星輪(9)的自轉角速度 ?自、行星架(5)的角速度《公、太陽輪(2)的角速度《 3)之間的關系式： Rc X wc = Rb X w自-(Ra+Rb) X w公 Ra X Wa = Rb X W自+ ( Ra+Rb ) X W公 其中，Ra為太陽輪半徑，Rb為行星架半徑，Rc為外齒圈半徑； 22) 當設定四個變量中的任意兩個為已知主動量時，上述兩式即為二元一次方程組，可 解出剩余兩從動量的表達式。5. 根據權利要求4所述的3D打印機驅動方法，其特征在于，所述步驟3)具體包括： 31) 將所述行星輪的自轉角速度co自表達式兩邊乘以A t和Rb，得到微小時間A t內行星 輪的徑向位移A 1:32) 外齒圈(4)的角速度表達式兩邊同時乘以A t，得到微小時間A t內行星輪公轉的角 位移A 0 :33) 根據微小時間A t內行星輪的徑向位移A 1和微小時間A t內行星輪(9)公轉的角位 移A 0作為位移量實現坐標的位移。6. 根據權利要求4所述的3D打印機驅動方法，其特征在于： 設定外齒圈(4)的角速度co。為主動量是指用電機驅動外齒圈轉動； 設定行星輪(9)的角速度co自為主動量是指用電機驅動行星輪轉動； 設定行星架(5)的角速度co公為主動量是指用電機驅動行星架轉動； 設定太陽輪(2)的角速度co a為主動量是指用電機驅動太陽輪轉動。
【文檔編號】F16H37/02GK106051102SQ201610614769
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月29日
【發明人】徐開明, 陳松茂, 吳桐, 毛廣揚
【申請人】華南理工大學