Устройство перемещения рабочего органа машины с числовым программным управлением

Изобретение относится к области создания технологического оборудования с числовым программным управлением, в котором требуется перемещать рабочий орган оборудования, по крайней мере, по двум координатам для обеспечения движения инструмента по сложной траектории. Примерами такого оборудования могут служить фрезерные и гравировальные станки, машины термической резки (например, плазменной или лазерной), а также 3D-принтеры; в частности 3D-принтеры, в которых изготовление трёхмерного изделия по цифровой 3D-модели реализуется экструзионным осаждением последовательности слоёв в сечении изделия. Устройство перемещения рабочего органа машины с числовым программным управлением, включающее основание, расположенные на основании двигатели, две продольные направляющие, расположенные на основании по оси Y, по меньшей мере, одну поперечную направляющую, расположенную по оси X между продольными направляющими с возможностью перемещения по ним, устройство для закрепления рабочего органа, выполненное с возможностью перемещения хотя бы по одной поперечной направляющей посредством каретки, и ремни, концы которых закреплены на каретке устройства для закрепления рабочего органа, с возможностью образования контуров ремней, отличающееся тем, что содержит шарнир, закреплённый на основании между продольными направляющими на равном удалении от них, рычаг, закреплённый на шарнире с возможностью поворота в плоскости XY (вокруг оси, проходящей через шарнир перпендикулярно этой плоскости), и по меньшей мере два ролика, жёстко закреплённые на концах рычага, через каждый из которых проходит хотя бы один из ремней. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области создания технологического оборудования с числовым программным управлением, в котором требуется перемещать рабочий орган оборудования, по крайней мере, по двум координатам для обеспечения движения инструмента по сложной траектории. Примерами такого оборудования могут служить фрезерные и гравировальные станки, машины термической резки (например, плазменной или лазерной), а также 3D-принтеры; в частности, 3D-принтеры, в которых изготовление трехмерного изделия по цифровой 3D-модели реализуется экструзионным осаждением последовательности слоев в сечении изделия.

Уровень техники

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, в основе которых лежит принцип послойного создания 3D-объекта, в частности, с использованием технологии FDM (Fused Deposition Modeling) - послойной печати расплавленной полимерной нитью (или метода послойного наплавления или моделирования методом наплавления), в результате которой объект формируется путем послойной укладки на поверхность рабочего стола (рабочую поверхность) слоя, формируемого расплавленной нитью из плавкого строительного материала (расходного или моделирующего материала), например, пластика, с пошаговым перемещением рабочего стола вниз на высоту сформированного слоя.

Технология FDM печати заключается в следующем, печатающая головка (экструдер) с контролируемой температурой разогревает до текучего состояния строительный материал и наносит его в расплавленном виде тонкими слоями на рабочую поверхность 3D-принтера с пошаговым перемещением рабочего стола вниз на высоту сформированного слоя. Каждый следующий слой соединяется с предыдущим и отвердевает, постепенно формируя готовое изделие. Для печати используют декартовую систему координат, согласно которой печатающая головка и рабочий стол, на котором формируются изделие, позиционируются вдоль трех взаимно-перпендикулярных направляющих. Технология была изобретена в конце 80-х годов Скоттом Крампом (компания Stratasys).

В частности, из патентов US 5121329, US 5340433, US 5738817, US 5764521, US 6022207 компании Стратасис (Stratasys, Inc), известна технология построения 3D-объекта по модели для автоматизированного проектирования (CAD) методом «слой за слоем» путем экструзионного осаждения текучего строительного материала. При этом строительный материал подается через сопло печатающей головки и наносится в виде последовательности дорожек на рабочей поверхности в плоскости XY. Затем печатающая головка поднимается относительно рабочей поверхности по оси Z (перпендикулярной XY-плоскости) на один шаг (или опускается рабочая поверхность) и процесс повторяется для формирования 3D-объекта, подобного CAD-модели.

В качестве строительного материала используют полимерный материал, который наносят в нагретом состоянии, при этом он спекается с предыдущим слоем после остывания. Источником строительного материала обычно служит катушка с намотанной пластиковой нитью, как описано в патенте US 5121329.

Для печати в экструзионных 3D-принтерах наиболее широко используется АБС (ABS)-пластик (ударопрочная техническая термопластическая смола), HIPS, SBS, PETG, поликарбонаты, поликапролактоны, полифенилсульфоны, парафиноподобные соединения и др. Для производства изделий с коротким сроком службы (пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара), а также в медицине для производства хирургических шаблонов и штифтов может быть использован ПЛА (PLA) пластик - безопасный, биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, производимый из возобновляемых ресурсов, таких как кукуруза и сахарный тростник.

Как любой другой метод 3D-печати, метод послойного наплавления начинается с подготовки компьютерной 3D-модели. После 3D-модель загружают в программное обеспечение, поддерживающее управление 3D-печатью. Режимы печати являются настраиваемыми, включая параметры толщины слоя, плотности заполнения слоев модели материалом, алгоритм выстраивания поддержки. В большинстве случаев для печати используют формат файла STL. В частности, программа компании Stratasys загружает STL-файл с описанием модели и рассчитывает алгоритм печати.

Для получения данных построения программное обеспечение разбивает CAD-модель на множество горизонтальных слоев. Обычно толщина слоя составляет сотые или десятые доли миллиметра. Затем для каждого слоя генерирует траекторию нанесения линий строительного материала для формирования 3D-объекта.

Для изготовления нависающих деталей или полостей 3D-объекта, не поддерживаемых самим строительным материалом, как правило, формируют поддерживающие структуры. При этом в процессе построения материал поддержки, как правило, осаждают из второго сопла в соответствии с заданным контуром в данных построения. В процессе изготовления материал поддержки склеивается со строительным материалом, а после завершения процесса печати 3D-объекта он удаляется.

Контроллер задает движение печатающей головки в плоскости XY относительно рабочей поверхности в соответствии с данными построения, которое осуществляется устройством перемещения печатающей головки. Устройство представляет собой основание с двумя параллельными продольными направляющими, на каретках которых закреплен подвижный узел. На подвижном узле расположена как минимум одна поперечная направляющая, на каретке которой расположена печатающая головка. Движение обеспечивается приводами устройства, которые посредством механической передачи перемещают печатающую головку в плоскости XY.

При этом подающие ролики печатающей головки с приводом от двигателя подают нить в блок с нагревательным элементом, установленный на печатающей головке. В блоке нить нагревается до температуры текучести. Разогретый строительный материал выдавливается из сопла печатающей головки и наносится на поверхность рабочего стола. Расход материала, вытесняемого из сопла, зависит от скорости подачи нити в печатающую головку. Контроллер управляет движением печатающей головки в горизонтальной плоскости XY, движением рабочего стола в вертикальном направлении Z и скоростью подачи нити подающими роликами. При синхронном управлении этими действиями, строительный материал послойно наносится в виде «линий» вдоль траекторий перемещения печатающей головки, задаваемых программой печати. Вытесняемый материал наплавляется на ранее сформированный таким же образом слой и твердеет с образованием трехмерного изделия в соответствии с CAD моделью.

В результате послойного формирования изделия на его внешней поверхности образуются полосы. В общем, искривленные и изогнутые поверхности имеют «ступенчатый» вид, что вызвано послойным представлением их сечений с прямоугольной конфигурацией граней. Ступенчатый эффект более выражен по мере увеличения толщины слоя. Хотя ступенчатость не влияет на прочность объекта, она увеличивает шероховатость поверхности. Однако высокая шероховатость поверхности объектов, получаемых на основе технологий послойного изготовления, также является результатом ошибок в процессе наращивания слоев. Ошибки наиболее часто возникают в начальных и конечных точках маршрута печатающей головки, например, на месте «шва» (то есть в начальной и конечной точках замкнутого маршрута печатающей головки). Кроме того, основная масса ошибок несоответствия формы получаемого изделия с формой, спроектированной 3D-модели возникает из-за неравномерных усилий в устройстве перемещения печатающей головки, что ведет к геометрической неперпендикулярности продольных и поперечных направляющих, вдоль которых происходит перемещение, а, следовательно, и геометрическому искажению формы получаемого изделия. В результате модернизации устройства перемещения возможно минимизировать данные ошибки, в т.ч. за счет кинематической схемы устройства перемещения печатающей головки в плоскости XY.

Из уровня техники известно техническое решение по заявке US 2013/0078073 А1 фирмы Stratasys Inc, в котором представлено описание механизма перемещения печатающей головки. В данном техническом решении перемещение печатающей головки в плоскости XY осуществляется с помощью одного ремня (одного контура), расположенного в виде буквы «Н» и приводимого в действие двумя двигателями, закрепленными на основании. Однако в такой кинематической схеме, однонаправленное вращение двигателей для перемещения печатающей головки вдоль поперечной направляющей вызывает разнонаправленное действие результирующих сил на крепления подвижного узла к кареткам продольных направляющих, что ведет к геометрической неперпендикулярности продольных и поперечных направляющих, а, следовательно, снижению точности перемещения печатающей головки. Этот недостаток возможно устранить за счет двухконтурной кинематической схемы устройства перемещения.

Также известен механизм перемещения печатающей головки многоосевого робота по патенту US 8042425 В2, который включает два направляющих рельса (первый и второй), расположенные параллельно друг другу, вдоль которых проходит ось Y перемещения печатающей головки; подвижный узел, вдоль которого проходит ось X перемещения печатающей головки, начало которого соединено с кареткой первого направляющего рельса, а конец - с кареткой второго рельса; на подвижном узле закреплен направляющий рельс, на каретке которого закреплена печатающая головка с возможностью перемещения вдоль оси X; первую приводную систему, включающую первый приводной ремень, имеющий Н-образную геометрию расположения и образующий первый контур перемещения каретки с печатающей головкой по осям X и Y, а также вторую и третью приводные системы, включающие второй и третий приводные ремни, образующие второй и третий контуры перемещения, соответственно, при этом второй приводной ремень имеет Р-образную геометрию расположения, а третий ремень расположен симметрично относительно второго, при этом каждый из этих ремней проходит вдоль портала, вдоль одного из направляющих рельсов и частично вдоль второго направляющего рельса. Второй контур перемещения обеспечивает движение печатающей головки по оси X, а третий - поворот печатающей головки вокруг ее оси. Механизм перемещения предусматривает возможность использования дополнительных приводных ремней (контуров перемещения).

В данном решении для позиционирования печатающей головки робота использованы три контура ремней, не связанные между собой. При этом перемещение головки по оси X и по оси Y обеспечивает Н-образный контур посредством вращения двигателей в одном или противоположном направлениях, соответственно, а два контура Р-образных ремней предназначены для компенсации скручивания подвижного узла Н-образным контуром и обеспечения геометрической перпендикулярности направляющих для повышения точности перемещения печатающей головки. Остальные варианты реализации добавляют роботу возможность управления печатающей головкой (вращение, перемещение по третьей координате) с помощью дополнительных контуров ремней. Однако, такая кинематическая схема устройства перемещения не предусматривает возможности регулировки и установки одинаковой силы натяжения ремней второго и третьего контуров. Различная сила натяжения ремней второго и третьего контуров в динамике создает скручивание подвижного узла, вызывает неперпендикулярность продольных и поперечных направляющих и снижение точности перемещения, а также неравномерный износ этих ремней, что ведет к снижению ресурса работы устройства. Этот недостаток можно устранить с помощью элемента или устройства, компенсирующего разность сил натяжения разных ременных контуров.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство перемещения печатающей головки для 3D принтера по патенту RU 2552235 C1, которое включает две продольные и, по крайней мере, одну поперечную направляющие для перемещения печатающей головки в плоскости XY, где продольные направляющие расположены по оси Y и жестко закреплены на основании, а поперечная направляющая расположена по оси X между двумя продольными направляющими с возможностью перемещения по ним; каретку, на которой закреплена печатающая головка, выполненную с возможностью перемещения по поперечной направляющей; два приводных ремня, концы которых закреплены на каретке с образованием двух связанных между собой контуров, предназначенных для перемещения каретки с печатающей головкой в плоскости XY посредством двух ведущих шкивов, соединенных с их приводами с возможностью независимого вращения шкивов в одном или противоположном направлениях, один из которых передает тяговое усилие на первый приводной ремень, а второй - на второй приводной ремень, при этом один из контуров образован Р-образным расположением первого ремня, а второй контур образован вторым ремнем, расположенным симметрично относительно расположения первого ремня с осью симметрии, расположенной параллельно продольным направляющим и на равноудаленном расстоянии от них.

В данном решении для позиционирования печатающей головки устройства использованы два связанных между собой контура ремней, при этом рабочие части ремней обоих контуров, проходящие вдоль поперечной направляющей, расположены в одной плоскости XY. При этом в первом контуре, образованным Р-образным расположением первого ремня, один конец ремня закреплен на одной боковой грани каретки с печатающей головкой, далее через один из роликов первого подвижного соединительного узла (узла соединения поперечной направляющей с первой продольной направляющей), затем через шкив, расположенный со стороны первой продольной направляющей, опорные (неподвижные) ролики, затем второй ролик второго подвижного соединительного узла (узла соединения второй продольной направляющей с поперечной направляющей), заканчивается креплением второго конца приводного ремня на противоположной боковой грани каретки с печатающей головкой, а второй контур образован аналогично первому с симметричным расположением его элементов, причем нижний опорный ролик одной пары (одного узла), верхний опорный ролик второй пары (второго узла), ролики подвижных соединительных узлов, ведущие шкивы и поперечные направляющие расположены в одной плоскости.

Однако, в таком устройстве отсутствует возможность регулировки и установки одинаковой силы натяжения ремней первого и второго контуров, отсутствует возможность компенсации удлинения и поддержания силы натяжения этих ремней в процессе эксплуатации, что ведет к снижению точности перемещения печатающей головки и ресурса работы всего устройства из-за геометрической неперпендикулярности направляющих и неравномерного износа ремней.

Заявляемое решение основано на использовании двухконтурной системы перемещения печатающей головки. Добавление второго контура ремня, связанного с первым контуром, позволяет сохранить геометрическую перпендикулярность продольных и поперечных направляющих, а выравнивание сил натяжения ремней путем установки одного из роликов каждого контура на рычаге обеспечивает установку одинакового натяжения приводных ремней, что гарантирует геометрическую перпендикулярность направляющих, расположенных по осям X-Y, и повышает точность перемещения печатающей головки, а также обеспечивает компенсацию удлинения и гашение вибрации приводных ремней, что увеличивает ресурс работы всего устройства перемещения печатающей головки.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание устройства перемещения рабочего органа машины с числовым программным управлением с увеличенным ресурсом работы и обеспечение требуемой точности позиционирования рабочего органа в процессе работы, реализуемой в течение срока эксплуатации устройства. В качестве конкретного примера реализации приведено устройство перемещения печатающей головки для 3D-принтера.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является увеличенный ресурс работы устройства и увеличенная точность перемещения за счет перпендикулярного положения направляющих в процессе работы устройства, а также равенства сил натяжения ремней на протяжении всего срока его эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что устройство перемещения рабочего органа машины с числовым программным управлением, включающее основание, расположенные на основании двигатели, две продольные направляющие, расположенные на основании по оси Y, по меньшей мере, одну поперечную направляющую, расположенную по оси X между продольными направляющими с возможностью перемещения по ним, устройство для закрепления рабочего органа, выполненное с возможностью перемещения хотя бы по одной поперечной направляющей посредством каретки, и ремни, концы которых закреплены на каретке устройства для закрепления рабочего органа, с возможностью образования контуров ремней, согласно изобретению содержит шарнир, закрепленный на основании между продольными направляющими на равном удалении от них, рычаг, закрепленный на шарнире с возможностью поворота в плоскости XY вокруг оси, проходящей через шарнир перпендикулярно этой плоскости, и по меньшей мере два ролика, жестко закрепленные на концах рычага, через каждый из которых проходит хотя бы один из ремней.

При этом согласно изобретению рычаг может быть рычаг снабжен демпферами, расположенными на концах рычага.

При этом согласно изобретению устройство перемещения рабочего органа машины с числовым программным управлением может содержать датчики начального положения инструмента по осям X и Y, при этом датчик нулевой координаты по оси X закреплен на конце поперечной направляющей, а датчик нулевой координаты по оси Y закреплен на конце одной из продольных направляющих.

При этом согласно изобретению, по меньшей мере, один контур ремня может быть образован расположением одного из ремней, один конец которого жестко закреплен со стороны первой боковой грани устройства для закрепления рабочего органа, проходит через первый ролик подвижного узла, затем через первый ролик рычага, расположенный со стороны первой продольной направляющей, затем через первый и второй опорные ролики первого ремня на ведущий шкив первого контура и через второй подвижный ролик заканчивается креплением второго конца первого ремня со стороны второй боковой грани устройства для закрепления рабочего органа.

При этом согласно изобретению второй контур ремня может быть образован расположением второго ремня, один конец которого жестко закреплен со стороны первой боковой грани устройства для закрепления рабочего органа, проходит через первый ролик подвижного узла на ведущий шкив второго контура, затем через второй и первый опорные ролики на второй ролик рычага, расположенный со стороны второй продольной направляющей и через второй ролик подвижного узла заканчивается креплением второго конца второго ремня со стороны второй боковой грани устройства для закрепления рабочего органа.

При этом согласно изобретению основание выполнено из профилей или пластин, расположенных параллельно и соединенных между собой поперечными элементами с образованием открытой с одной стороны П-образной конструкции, или закрытой конструкции в форме параллелепипеда, при этом продольные направляющие, двигатели и опорные (неподвижные) ролики закреплены на основании.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид 3D-принтера (в корпусе без верхней крышки); на фиг. 2 представлен схематичный вид 3D-принтера; на фиг. 3 представлен общий вид устройства перемещения печатающей головки; на фиг. 4-7 представлен вид сверху на кинематическую схему устройства перемещения печатающей головки и перемещения печатающей головки в зависимости от направления вращения шкивов;

Позициями на фигурах обозначены:

1. корпус 3D принтера,

2. печатающая головка,

3. каретка, на которой закреплена печатающая головка,

4. устройство перемещения печатающей головки,

5. рабочий стол,

6. устройство перемещения рабочего стола,

7. контроллер,

8. катушка с расходным материалом (картридж),

9. каркасное основание,

10. первая продольная направляющая, расположенная по оси Y,

11. вторая продольная направляющая, расположенная по оси Y,

12. поперечная направляющая, расположенная по оси X,

13. ведущий шкив первого контура,

14. ведущий шкив второго контура,

15. первый опорный ролик ремня первого контура,

16. второй опорный ролик ремня первого контура,

17. первый опорный ролик ремня второго контура,

18. второй опорный ролик ремня второго контура,

19. привод (двигатель) ведущего шкива первого контура,

20. привод (двигатель) ведущего шкива второго контура,

21. узел выравнивания сил натяжения,

22. рычаг,

23. шарнир,

24. первый ролик узла выравнивания сил натяжения (первый ролик рычага),

25. второй ролик узла выравнивания сил натяжения (второй ролик рычага),

26. первый демпфер,

27. второй демпфер,

28. подвижный узел,

29. портал,

30. подшипник качения первой продольной направляющей,

31. подшипник качения второй продольной направляющей,

32. подшипник качения поперечной направляющей,

33. первый подвижный ролик ремня первого контура,

34. второй подвижный ролик ремня первого контура,

35. первый подвижный ролик ремня второго контура,

36. второй подвижный ролик ремня второго контура,

37. первый ремень, образующий первый контур,

38. второй ремень, образующий второй контур.

Осуществление изобретения

Устройство служит для перемещения печатающей головки 3D-принтера, предназначенного для построения материальных объемных изделий по технологии FDM. Принтер состоит из расположенных в корпусе 1 (фиг. 1) печатающей головки 2, закрепленной на каретке 3 (фиг. 2), устройства перемещения 4 каретки 3 в плоскости XY (горизонтальной плоскости); рабочего стола 5, выполненного с возможностью подогрева рабочей поверхности и снабженного устройством 6 перемещения по оси Z (перпендикулярно плоскости XY); контроллера 7 (фиг. 1); катушки 8 с расходным материалом; блока питания (на фигуре не показан); датчиков определения нулевой координаты печатающей головки (на фигуре не показаны). При этом катушка 8 с расходным материалом может располагаться как внутри, так и за пределами корпуса 1, а каретка 3 (фиг. 2) печатающей головки 2 (фиг. 1) может представлять собой две боковые грани (например, в виде двух параллельных пластин, расположенных вертикально), соединенные поперечными (вертикально или горизонтально расположенными) элементами (например, несущей пластиной) для размещения и/или закрепления конструктивных элементов печатающей головки 2.

Устройство 4 перемещения (фиг. 2) каретки 3 печатающей головки 2 выполнено в виде размещенных на каркасном основании 9 (которое может быть выполнено из соединенных между собой профилей или пластин) двух продольных направляющих 10 и 11 и одной поперечной направляющей, например, 12, расположенной в плоскости XY (две из которых 10 и 11 расположены по оси Y и жестко закреплены на каркасном основании 9, а направляющая 12 расположена по оси X между направляющими 10 и 11 и выполнена с возможностью перемещения по ним), двух ведущих шкивов 13 и 14, четырех опорных (неподвижных) роликов 15-18, оси которых закреплены на каркасном основании 9, двигателей 19 и 20, узла выравнивания сил натяжения 21, содержащего рычаг 22, закрепленный на каркасном основании посредством шарнира 23, ролики 24 и 25 и соответствующие им демпферы 26 и 27, подвижного узла 28, состоящего из портала 29, жестко закрепленного на подшипниках качения 30 и 31 продольных направляющих 10 и 11. Подвижный узел 28 выполнен с возможностью перемещения поперечной направляющей 12 по продольным направляющим 10 и 11. Продольные 10, 11 и поперечная 12 направляющие могут быть выполнены в виде рельс с установленными подшипниками качения 30, 31, 32 или в виде цилиндрических направляющих, или в виде других известных средств. Каретка 3 печатающей головки 2 жестко закреплена на подшипнике качения 32 поперечной направляющей 12 (с возможностью перемещения по этой направляющей).

Размещение подвижных роликов 33-36 (на подвижном узле 28), мест крепления ремней 37 и 38 к боковым граням каретки 3 печатающей головки 2, ведущих шкивов 13 и 14 обеспечивает симметричное расположение ремней вместе с их рабочими частями каждого в своей плоскости, параллельной XY, что компенсирует изгибающие моменты на направляющие и подшипники подвижного узла и печатающей головки.

На фиг. 3 представлен общий вид на устройство перемещения печатающей головки. Перемещение (позиционирование) печатающей головки 2 в плоскости XY осуществляется с помощью двух ремней 37 и 38, образующих двухконтурную приводную систему, посредством ведущих шкивов 13 и 14, приводимых в движение по часовой стрелке или против часовой стрелки приводным механизмом, например, двигателями 19 и 20. При этом два контура связаны между собой посредством их крепления к каретке 3 печатающей головки 2. Первый L-образный контур образован первым ремнем 37, один конец которого жестко закреплен со стороны первой боковой грани каретки 3 печатающей головки 2, проходит через первый ролик 33 подвижного узла 28, затем через первый ролик 24 узла выравнивания сил натяжения 21, расположенный со стороны продольной направляющей 10; затем через опорные ролики 15 и 16 на ведущий шкив 13 и через второй подвижный ролик 34 заканчивается жестким креплением второго конца первого ремня со стороны второй боковой грани каретки 3 печатающей головки 2. Второй контур образован аналогично первому и расположен зеркально симметрично относительно плоскости, расположенной параллельно продольным направляющим 10 и 11 на равном удалении от них. Во втором контуре первый конец ремня жестко закреплен на второй боковой грани каретки 3 печатающей головки 2, ремень проходит через ролик 36 подвижного узла 28, затем через второй ролик 25 узла выравнивания сил натяжения 21, расположенный со стороны второй продольной направляющей 11, затем через опорные ролики 17 и 18 на ведущий шкив 14 и через второй подвижный ролик 35 заканчивается жестким креплением второго конца второго ремня со стороны первой боковой грани каретки 3 печатающей головки 2.

Таким образом, каждая из двух боковых граней каретки имеет место крепления концов ремней первого и второго контуров (начала одного ремня и конца второго ремня). Наилучший вариант реализации изобретения достигается при размещении точек крепления ремней первого и второго контуров на боковой грани симметрично относительно поперечной направляющей 12. Перемещение первого ремня 37 (первого контура) обеспечивается посредством двигателя 19 через шкив 13, (преобразованием вращательного движения шкива 13 в поступательное движение ремня 37), перемещение второго ремня 38 (второго контура) обеспечивается посредством двигателя 20 через шкив 14.

На фиг. 4-7 показана кинематическая схема устройства перемещения печатающей головки и направления перемещения печатающей головки 2 при различном сочетании вращения двигателей 19 и 20. При этом перемещение печатающей головки в плоскости XY, осуществляется по закону:

где dM₁ и dМ₂ - перемещения ремней первого и второго контуров соответственно, вызванные вращением первого 13 и второго 14 ведущих шкивов, приводимых в движение двигателями M₁ и М₂ (19 и 20), dX и dY - приращения координат экструдера по осям X и Y соответственно.

На фиг. 4 представлена схема, когда двигатели 19 и 20 передают разнонаправленное вращение на ведущие шкивы 13 и 14 ремней 37 и 38. Одновременное вращение двигателя 19 по часовой стрелке, а двигателя 20 - против часовой стрелки обеспечивает перемещение печатающей головки 2 по оси Y вдоль продольных направляющих 10 и 11 по направлению к двигателям 19 и 20. Одновременное вращение двигателя 19 против часовой стрелки, а двигателя 20 - по часовой стрелке обеспечивает перемещение печатающей головки 2 по оси Y вдоль продольных направляющих 10 и 11 по направлению от двигателей 19 и 20.

На фиг. 5 представлена схема, когда двигатели 19 и 20 передают однонаправленное вращение на ведущие шкивы 13 и 14 ремней 37 и 38. Одновременное вращение двигателя 19 и 20 по часовой стрелке обеспечивает перемещение печатающей головки 2 по оси X вдоль поперечной направляющей 12 налево (по направлению к первой продольной направляющей 10). Одновременное вращение двигателя 19 и 20 против часовой стрелки обеспечивает перемещение печатающей головки 2 по оси X вдоль поперечной направляющей 12 направо (по направлению ко второй продольной направляющей 11).

На фиг. 6 представлена схема, когда только двигатель 20 передает вращение на ведущий шкив 14 ремня 38. Вращение двигателя 20 по часовой стрелке обеспечивает диагональное перемещение печатающей головки 2 по направлению к первой продольной направляющей 10 и первому ролику 24 узла выравнивания сил натяжения 21. Вращение двигателя 20 против часовой стрелки обеспечивает диагональное перемещение печатающей головки 2 по направлению ко второй продольной направляющей 11 и двигателю 20.

На фиг. 7 представлена схема, когда только двигатель 19 передает вращение на ведущий шкив 13 ремня 37. Вращение двигателя 19 по часовой стрелке обеспечивает диагональное перемещение печатающей головки 2 по направлению к первой продольной направляющей 10 и двигателю 19. Вращение двигателя 19 против часовой стрелки обеспечивает диагональное перемещение печатающей головки 2 по направлению ко второй продольной направляющей 11 и второму ролику 25 узла выравнивания сил натяжения 21.

Устройство работает следующим образом

Устройство перемещения рабочего органа управляется контроллером с помощью сигналов, подаваемых на двигатели. При этом одновременное вращение двигателя 19 по часовой стрелке, а двигателя 20 - против часовой стрелки обеспечивает перемещение рабочего органа (например, печатающей головки 2 3D-принтера) по оси Y вдоль продольных направляющих 10 и 11 по направлению к двигателям 19 и 20. Одновременное вращение двигателя 19 против часовой стрелки, а двигателя 20 - по часовой стрелке обеспечивает перемещение печатающей головки 2 по оси Y вдоль продольных направляющих 10 и 11 по направлению от двигателей 19 и 20.

Если двигатели 19 и 20 вращают ведущие шкивы 13 и 14 ремней 37 и 38 в одном направлении по часовой стрелке, печатающая головка 2 перемещается по оси X вдоль поперечной направляющей 12 налево (по направлению к первой продольной направляющей 10). Одновременное вращение двигателя 19 и 20 против часовой стрелки перемещает печатающую головку 2 по оси X вдоль поперечной направляющей 12 направо (по направлению ко второй продольной направляющей 11).

В случае, когда только один из двигателей вращает ведущий шкив, печатающая головка 2 перемещается по диагонали. Причем вращение двигателя 19 по часовой стрелке обеспечивает диагональное перемещение печатающей головки 2 по направлению к первой продольной направляющей 10 и двигателю 19; вращение двигателя 19 против часовой стрелки обеспечивает диагональное перемещение печатающей головки 2 по направлению ко второй продольной направляющей 11 и второму ролику узла выравнивания сил натяжения 25; вращение двигателя 20 по часовой стрелке обеспечивает диагональное перемещение печатающей головки 2 по направлению к первой продольной направляющей 10 и первому ролику узла выравнивания сил натяжения 24; вращение двигателя 20 против часовой стрелки обеспечивает диагональное перемещение печатающей головки 2 по направлению ко второй продольной направляющей 11 и двигателю 20.

Преимущества заявляемого изобретения

Заявляемое устройство перемещения по сравнению с аналогичными системами позволяет улучшить ряд важных параметров, которые влияют на точность позиционирования рабочего органа.

Второй контур ремня, связанный с первым контуром, позволяет сохранить геометрическую перпендикулярность продольных и поперечных направляющих. Использование рычага в качестве узла выравнивания сил натяжения ремней обеспечивает компенсацию удлинения, поддержание равенства сил натяжения в обоих контурах, что увеличивает ресурс работы всего устройства перемещения, а также обеспечивает установку одинакового натяжения ремней, что гарантирует геометрическую перпендикулярность направляющих, расположенных по осям X-Y, и повышает точность перемещения рабочего органа.

Кроме того, подвижный узел, выполненный в виде единого портала повышает жесткость устройства, что также увеличивает точность перемещения.

Конструкция устройства перемещения рабочего органа обеспечивает комплексную возможность перемещения рабочего органа как по оси X или Y в отдельности, так и в диагональном направлении.

Расположение двигателей на основании уменьшает массу подвижных частей, что позволяет снизить инерционный момент и повысить точность позиционирования.

Расположение двигателей в отсеке электроники корпуса способствует их охлаждению и защите от перегрева и пропуска шагов, что повышает надежность и точность работы системы.

1. Устройство перемещения рабочего органа машины с числовым программным управлением, включающее основание, расположенные на основании двигатели, две продольные направляющие, расположенные на основании по оси Y, по меньшей мере, одну поперечную направляющую, расположенную по оси X между продольными направляющими с возможностью перемещения по ним, устройство для закрепления рабочего органа, выполненное с возможностью перемещения хотя бы по одной поперечной направляющей посредством каретки, и ремни, концы которых закреплены на каретке устройства для закрепления рабочего органа, с возможностью образования контуров ремней, отличающееся тем, что содержит шарнир, закреплённый на основании между продольными направляющими на равном удалении от них, рычаг, закреплённый на шарнире с возможностью поворота в плоскости XY вокруг оси, проходящей через шарнир перпендикулярно этой плоскости, и по меньшей мере два ролика, жёстко закреплённые на концах рычага, через каждый из которых проходит хотя бы один из ремней.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рычаг снабжён демпферами, расположенными на концах рычага.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что оно содержит датчики начального положения инструмента по осям X и Y, при этом датчик нулевой координаты по оси X закреплен на конце поперечной направляющей, а датчик нулевой координаты по оси Y закреплен на конце одной из продольных направляющих.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один контур ремня образован расположением одного из ремней, один конец которого жестко закреплен со стороны первой боковой грани устройства для закрепления рабочего органа, проходит через первый ролик подвижного узла, затем через первый ролик рычага, расположенный со стороны первой продольной направляющей, затем через первый и второй опорные ролики первого ремня на ведущий шкив первого контура и через второй подвижный ролик заканчивается креплением второго конца первого ремня со стороны второй боковой грани устройства для закрепления рабочего органа.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй контур ремня образован расположением второго ремня, один конец которого жестко закреплен со стороны первой боковой грани устройства для закрепления рабочего органа, проходит через первый ролик подвижного узла на ведущий шкив второго контура, затем через второй и первый опорные ролики на второй ролик рычага, расположенный со стороны второй продольной направляющей и через второй ролик подвижного узла заканчивается креплением второго конца второго ремня со стороны второй боковой грани устройства для закрепления рабочего органа.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что основание выполнено из профилей или пластин, расположенных параллельно и соединенных между собой поперечными элементами с образованием открытой с одной стороны П-образной конструкции, или закрытой конструкции в форме параллелепипеда, при этом продольные направляющие, двигатели и опорные (неподвижные) ролики закреплены на основании.