技术领域
[0001] 本
发明涉及3D 打印技术领域，具体涉及一种彩色3D
打印机器人。
背景技术
[0002]
3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，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，通过打印一层一层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品，逐层打印的方式来构造物体的技术。
[0003] 由于3D打印技术可用于珠宝，
鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），
汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，
地理信息系统，
土木工程，和许多其他领域。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，因此该技术正在21世纪初全行业迅速普及。小到打印出食物，人体器官，大到打印出整幢建筑，是3D打印机未来的发展方向。
[0004] 目前，几乎所有的3D 打印机均是单色打印，无法实现模型真实的
颜色外表，进而也无法进一步满足人们的需求。虽然目前已经实现了模型的3D 打印，而要实现彩色模型的多色彩3D 打印，仍然存在许多需要克服的问题。
[0005] 综上所述，如果能有一种能够进行彩色打印的3D打印机，势必能为3D打印机扩展应用，能为
3D打印市场带来新的商机。
[0006] 目前已有相关
专利对彩色3D打印机有所涉及，例如，
[0007] 1）专利[201310719302.X]提供了一种3D打印用可扩展多材料喷头系统，包括底座、若干送丝单元和驱动单元，每个送丝单元和驱动单元对应一种颜色材料，通过电磁
铁选择当前工作的送丝单元和驱动单元，达到打印多种颜色材料，实现彩色3D打印目的。
[0008] 2）专利[201410262338.4]提供了一种3D打印机单喷头用多种材料切换装置，包括固定架、主
电机和喷头安装架，固定架的上表面环形阵列有多个进料机构，每个进料机构分别包括进料电机、主动滚轮和从动滚轮，分别对应一种颜色材料，通过主电机的
转轴带动
连接杆转动来调整喷头安装架在固定架下方的
位置，即旋转到需要任意进料机构正下方，与固定架上的通孔对准进料，实现单喷头多种材料切换功能。
[0009] 尽管上述专利在彩色3D打印机领域已被接受，甚至有些已有相关的产品出现，然而随着人们对3D打印机性能要求的不断提高，上述专利以及相关产品的不足已经充分显现，具体表现在：
[0010] 1）专利[201310719302.X]的送丝单元和驱动单元的扩展仅仅只是直线排列，这意味着，如果需要扩展数量较多个送丝单元和驱动单元，打印头的长度将变得非常长，不利于打印头的安装，限制了送丝单元和驱动单元的数目，也限制了材料种类数量。
[0011] 2）专利[201410262338.4]需要增加一个主电机来实现当前材料的切换，增加了打印头结构的复杂性，增加了打印机成本，降低了打印机的可靠性，同时，每次在材料切换过程中，必然发生材料的撕扯，很容易在撕扯过程中，产生碎屑渣，落到底部工作
台面上，影响正常的打印过程。
发明内容
[0012] 本发明的目的在于解决传统的3D打印机只能进行单色打印的
缺陷，也改进现有的少数彩色3D打印机打印头体积大，打印材料数量少，打印头结构复杂，成本高，容易影响正常的3D打印过程等各种不足。提供一种彩色3D打印机器人，实现打印机和打印头结构紧凑，打印材料数量多，打印机成本低，速度快的的优点。
[0013] 为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：
[0014] 一种彩色3D打印机器人，包括全方位移动平台机构、Z轴升降机构、可扩展3D打印机构和反馈/通信/控制
电路组成，其特征在于：所述全方位移动平台机构上固定连接Z轴升降机构，Z轴升降机构上固定连接可扩展3D打印机构，所述全方位移动平台机构上同时安装有反馈/通信/控制电路；
[0015] 1）所述全方位移动平台机构包括移动平台
基座、运动电机、运动轮，运动电机安装在移动平台基座上，末端连接有运动轮；
[0016] 2）所述Z轴升降机构包括升降电机、升降移动副动端、升降移动副定端、打印头动
支架，升降移动副定端固定在全方位移动平台机构的移动平台基座上，升降移动副动端与升降移动副定端能通过升降电机产生Z方向直线运动，升降移动副动端上固定有打印头动支架；
[0017] 3）所述可扩展3D打印机构包括打印头连接臂、打印头和打印头位，打印头连接臂固定于Z轴升降机构的打印头动支架上，打印头连接臂上中心对称分布若干打印头位，任意打印头位都可通过
锁扣固定连接装有某一打印材料的打印头，解开锁扣，打印头便可以从任意打印头位拆卸下来，打印头包含送料电机、加热腔、挤出头、打印材料，送料电机依次连接加热腔和挤出头，送料电机将打印材料送入加热腔经过加热融化后通过挤出头挤出进行3D打印；
[0018] 4）所述反馈/通信/控制电路包括电源、
定位传感器电路、通信电路、控制电路，反馈/通信/控制电路安装于全方位移动平台的移动平台基座上，电源为整台设备提供电
力，定位传感器电路为控制电路提供位置反馈，通信电路为3D打印机器人与上位机提供通信，控制电路实现整台设备的运动控制
算法。
[0019] 进一步地，所述全方位移动平台机构为按照移动平台基座中心对称布置了相隔90度的4个全向
驱动轮运动机构，或者呈矩形布置的4个能够同时实现驱动和转向的轮运动机构。
[0020] 进一步地，所述Z轴升降机构为直线电机直线运动机构或者滚珠
丝杠直线运动机构。
[0021] 进一步地，所述可扩展3D打印机构为
活塞针筒式挤出送料机构或者电机
齿轮咬合送料机构。
[0022] 进一步地，所述定位传感器电路为发光
二极管定位传感器或者激光定位传感器，或者定位传感器电路安装在3D打印机器人工作的
天花板上，为摄像头视觉传感器。
[0023] 进一步地，所述可扩展3D打印机构中的任意打印头位都可通过锁扣固定连接装有某一打印材料的打印头，解开锁扣，打印头便可以从任意打印头位拆卸下来，在进行3D打印物体之前，需要对装好不同打印材料的打印头进行编号以及将这些打印头正确地锁在打印头连接臂上。
[0024] 本发明的工作原理简述如下：
[0025] 首先通过
软件将待打印的物体数字模型文件经过分层离散，利用高灵活性，可以XY运动以及绕Z轴旋转的全方位移动平台，带动全方位移动平台上的Z轴运动机构和所需打印头进行3D打印，全方位运动平台运动完整运动完当前层模型的所有平面空间，带动打印头打印当前模型层，然后Z轴运动机构运动竖直向上运动一个模型层距离后，打印机器人进入到下个模型层进行新一轮的层模型打印。任何时候需要切换打印材料，只需控制全方位移动平台绕平台中心旋转相对应的
角度，打开该送料电机，同时关闭其他打印头的送料电机。
[0026] 本发明与现有3D打印机相比具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0027] 本发明彩色3D打印机器人结构简单紧凑，体积小，利用灵活的全方位运动平台可以实现多打印头的切换，从而实现彩色3D打印，运动灵活性高，打印速度快，材料切换自然，可靠性高。
附图说明
[0028] 图1是本发明原理结构示意图。
[0029] 图2是本发明一种全方位移动平台结构示意图。
[0030] 图3是本发明另一种全方位移动平台结构示意图。
[0031] 图4是本发明一种Z轴升降机构结构示意图。
[0032] 图5是本发明另一种Z轴升降机构结构示意图。
[0033] 图6是本发明一种可扩展3D打印机构结构示意图。
[0034] 图7是本发明另一种可扩展3D打印机构结构示意图。
[0035] 图8是本发明多打印头扩展示意图。
[0036] 图9是本发明彩色3D打印机打印过程示意图。
[0037] 图10是本发明反馈/通信/控制电路原理图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图对本发明及其
实施例作进一步说明。
[0039] 实施例一
[0040] 参见图1和图10，一种能自由移动的3D打印机器人，包括全方位移动平台机构100、Z轴升降机构200、可扩展3D打印机构300、反馈/通信/控制电路400，全方位移动平台机构100上固定连接Z轴升降机构200，Z轴升降机构200上固定连接可扩展3D打印机构300，同时全方位移动平台机构100上同时安装有反馈/通信/控制电路400；
[0041] 全方位移动平台机构100包括移动平台基座111、运动电机112、运动轮113，运动电机112安装在移动平台基座111上，末端连接有运动轮113。
[0042] Z轴升降机构200包括升降电机211、升降移动副动端212、升降移动副定端213、打印头动支架214，升降移动副定端213固定在全方位移动平台机构100的移动平台基座111上，升降移动副动端212与升降移动副定端213能通过升降电机211产生Z方向直线运动，升降移动副动端212上固定有打印头动支架214。
[0043] 可扩展3D打印机构300包括打印头连接臂311、打印头316和打印头位317，打印头连接臂311固定于Z轴升降机构200的打印头动支架214上，打印头连接臂311上中心对称分布若干打印头位317，任意打印头位317都可通过锁扣318固定连接装有某一打印材料315的打印头316，解开锁扣318，打印头316便可以从任意打印头位317拆卸下来，打印头316包含送料电机312、加热腔313、挤出头314、打印材料315，送料电机312依次连接加热腔313和挤出头314，送料电机312将打印材料315送入加热腔313经过加热融化后通过挤出头314挤出进行3D打印。
[0044] 反馈/通信/控制电路400包括电源411、定位传感器电路412、通信电路413、控制电路414，反馈/通信/控制电路400安装于全方位移动平台100的移动平台基座111上，电源411为整台设备提供电力，定位传感器电路412通过通信电路413为控制电路提供位置反馈，通信电路413为3D打印机器人与上位机提供通信，控制电路414实现整台设备的运动控制算法。
[0045] 实施例二
[0046] 本实施例与实施例一的技术方案基本相同，特别之处在于：
[0047] 参见图2，在本实施例中，全方位移动平台机构100为按照移动平台基座111中心对称布置了互成90度的4个全向驱动轮运动机构，通过运动电机112控制4个运动轮113的转速实现全方位移动平台的全方位移动。
[0048] 实施例三
[0049] 本实施例与实施例一的技术方案基本相同，特别之处在于：
[0050] 参见图3，在本实施例中，全方位移动平台机构100还应包括能够实现运动轮113转向的转向电机121，全方位移动平台机构100为按照移动平台基座111呈矩形布置的4个能够同时实现驱动和转向的轮运动机构，通过转向电机121和运动电机112控制4个运动轮113的转向和转速实现全方位移动平台的全方位移动。
[0051] 实施例四
[0052] 本实施例与实施例一的技术方案基本相同，特别之处在于：
[0053] 参见图4，在本实施例中，Z轴升降机构200为滚珠丝杠机构，升降移动副动端212为运动
螺母222，升降移动副定端为丝杠223，升降电机211为旋转电机221。
[0054] 实施例五
[0055] 本实施例与实施例一的技术方案基本相同，特别之处在于：
[0056] 参见图5，在本实施例中，Z轴升降机构200为直线电机机构，升降移动副动端212为直线电机动子232，升降移动副定端为直线电机
定子233，升降电机211为直线电机231。
[0057] 实施例六
[0058] 本实施例与实施例一的技术方案基本相同，特别之处在于：
[0059] 参见图6，在本实施例中，可扩展3D打印机构还应包括旋转丝杠321，
挤压螺母322，挤压活塞323，送料电机312依次连接旋转丝杠321，挤压螺母322，挤压活塞323，可扩展3D打印机构300为活塞针筒式挤出送料机构，打印材料315预先加入到加热腔313中，通过送料电机312带动旋转丝杠321旋转，推动挤压螺母322，最终推动挤压活塞323将加热后的打印材料315经过挤出头314挤出进行3D打印。
[0060] 实施例七
[0061] 本实施例与实施例一的技术方案基本相同，特别之处在于：
[0062] 参见图7，在本实施例中，可扩展3D打印机构还应包括
粉碎齿轮331，送料电机312连接粉碎齿轮331，可扩展3D打印机构300为电机齿轮咬合送料机构，打印材料315未粉碎加热时呈丝状，通过送料电机312带动粉碎齿轮331旋转，粉粹并推动加热后的打印材料315经过挤出头314挤出进行3D打印。
[0063] 实施例八
[0064] 本实施例与实施例一的技术方案基本相同，特别之处在于：
[0065] 参见图8和图9，任意打印头316可以通过锁扣318连接到相对打印头连接臂311中心对称分布的若干打印头位317上，如图8（A），在任何需要的时候，也可以对打印头316进行扩充，如图8（B），也可以通过调整不同打印头316之间的相对位置分布，优化3D打印机器人的结构，提高打印效率，如图8（C），打印过程简述如下：通过控制电路414控制全方位移动平台机构100带动打印头X运动到预定位置开始打印，打印完成后，旋转全方位移动平台机构100，切换到打印头Y，继续进行3D打印，之后切换打印头Z，如果有扩展其他打印头还能继续进行切换，实现不需要任何附加控制电机实现打印头316的自动切换，简化打印机结构，降低成本，增加可靠性。同时
[0066] 以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明基础，为实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。
[0067] 参考文献
[0068] [1] 朱建华，王潇潇，叶群．两院院士评出中国十大科技进展 武汉造世界最大“3D打印机”入选 [N]．长江日报，2012-01-18.
