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台式 机器人

阅读：331发布：2022-05-20

专利汇可以提供台式机器人专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供一种台式机器人，其包括：可互换的工具，该互换的工具具有至少一个电动部件；工具安装件，该工具安装件用于安装工具，机器人可操作地用来控制在三维中的工具安装件和物件之间的相对运动；互补的第一电耦合件和第二电耦合件，该第一电耦合件和第二电耦合件分别在工具安装件和工具上，以用于形成到工具的至少一个电动部件上的电连接，以及互补的第一无工具机械耦合件和第二无工具机械耦合件，该第一无工具机械耦合件和第二无工具机械耦合件分别在工具安装件和工具上，以用于机械地连接工具安装件和工具。本实用新型的台式机器人有利于改进已知3D 打印机的各种性能，包括打印速度、降低由于打印物品的收缩造成的翘曲以及用户安全等。，下面是台式机器人专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种台式机器人，其特征在于，包括：
可互换的工具，该互换的工具具有至少一个电动部件；
工具安装件，该工具安装件用于安装所述工具，所述机器人可操作地用来控制在三维中的所述工具安装件和物件之间的相对运动；
互补的第一电耦合件和第二电耦合件，该第一电耦合件和第二电耦合件分别在所述工具安装件和所述工具上，以用于形成到所述工具的至少一个电动部件上的电连接，以及互补的第一无工具机械耦合件和第二无工具机械耦合件，该第一无工具机械耦合件和第二无工具机械耦合件分别在所述工具安装件和所述工具上，以用于机械地连接所述工具安装件和所述工具。
2.根据权利要求1所述的台式机器人，其特征在于，还包括用于控制所述工具安装件的运动的控制器，所述工具包括持有表征所述工具的工具数据的存储设备，以使得通过使所述工具连接到所述工具安装件上时，所述控制器能读取所述工具数据。
3.根据权利要求1所述的台式机器人，其特征在于，所述可互换的工具包括打印头，所述打印头包括用于排出构建材料的喷嘴，并且所述至少一个电动部件包括用于控制所述喷嘴的开启和关闭的致动器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的台式机器人，其特征在于，还包括以下所述中的至少一个：带有呈扫描仪形式的电动部件的扫描仪头；带有呈激光器形式的电动部件的激光切割器头；带有呈驱动旋转切割工具保持器的电动机形式的电动部件的旋转切割器头；
带有呈电动抓取器形式的电动部件的适于抓握的机器人抓取器头；带有呈阀致动器形式的电动部件的喷枪头；带有呈用于动力剪切机驱动形式的电动部件的动力剪切头；带有呈阀致动器形式的电动部件的真空机器人抓取器头以及带有呈驱动式笔制动器形式的电动部件的笔式绘图仪头，这些头中的每一个都适于机械和电连接到所述工具安装件上，并包括与所述第一电耦合件互补的第二电耦合件，以及与所述第一机械耦合件互补的第二机械耦合件，通过联接所述第一机械耦合件和所述第二机械耦合件，也同时联接了所述第一电耦合件和所述第二电耦合件。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的台式机器人，其特征在于，所述机器人是直角坐标型机器人。
6.根据权利要求5所述的台式机器人，其特征在于，所述机器人包括：
沿第一水平轴延伸的至少一个X导轨，所述工具安装件被连接成沿着所述X导轨移动；
一对大体上竖直的Z导轨，所述Z导轨中的每一个被连接到所述X导轨的相对端以便升高和降低所述X导轨；以及
大体上水平的打印床，所述打印床保持着构建材料并且被连接成沿着Y导轨移动，所述Y导轨沿着大体上垂直于所述第一水平轴的第二水平轴延伸。
7.根据权利要求6所述的台式机器人，其特征在于，所述至少一个X导轨包括平行于所述第一水平轴延伸的两个X导轨，所述工具安装件与所述两个X导轨都接合。
8.根据权利要求6所述的台式机器人，其特征在于，所述工具安装件包括细丝接收固定装置，可熔细丝通过所述细丝接收固定装置被引导到可拆卸的所述打印头。
9.根据权利要求8所述的台式机器人，其特征在于，所述细丝接收固定装置夹紧所述可熔细丝被接收在其中的鲍登管的一端。
10.根据权利要求1至3和6至9中任一项所述的台式机器人，其特征在于，所述第一机械耦合件和所述第二机械耦合件包括用于将所述工具夹持到所述工具安装件上的夹紧装置。
11.根据权利要求10所述的台式机器人，其特征在于，所述夹紧装置包括螺杆，所述第一机械耦合件包括被固定成与所述螺杆一起旋转的轮子，并且所述第二机械耦合件包括与所述螺杆互补的内螺纹孔。
12.根据权利要求11所述的台式机器人，其特征在于，所述螺杆从所述工具安装件的界面突出，并且所述轮子被设置在所述工具安装件的与所述界面相对的一侧上。
13.根据权利要求12所述的台式机器人，其特征在于，所述螺杆在所述两个X导轨之间延伸。
14.根据权利要求1至3和6至9中任一项所述的台式机器人，其特征在于，所述第一机械耦合件还包括在所述工具安装件中的凹部，并且所述第二机械耦合件还包括与所述凹部呈互补形式的突起部。
15.根据权利要求1至3和6至9中任一项所述的台式机器人，其特征在于，所述第一电耦合件和所述第二电耦合件中的一个包括具有大体上平行于所述螺杆的轴的一组连接器引脚，并且所述第一电耦合件和所述第二电耦合件中的另一个包括用于接合所述连接器引脚的一组接触件。
16.根据权利要求1至3和6至9中任一项所述的台式机器人，其特征在于，所述工具包括打印头组件，所述打印头组件包括用于排出构建材料的喷嘴；并且还包括：直角坐标型机器人，该直角坐标型机器人可操作地将所述打印头组件定位在三维操作范围内的任何位置处，所述直角坐标型机器人包括：沿第一水平轴延伸的至少一个导轨，所述打印头组件被连接成沿着所述至少一个导轨移动；以及保持着所述构建材料的大体上水平的打印床；
枢转装置，该枢转装置顺从地支撑所述打印头组件，以使得所述打印床和所述喷嘴之间的所述接触件围绕所述枢转装置向所述打印头组件施加扭矩；
抵接面，该抵接面在所述打印头组件上，以用于当所述扭矩被施加到所述打印头组件上时抵接止动件以限制所述打印头组件围绕所述枢转装置在第一方向上的旋转，但允许所述打印头组件围绕所述枢转装置在与所述第一方向相反的第二方向上的旋转；位移传感器，该位移传感器安装到所述打印头组件上，以提供指示所述抵接面远离所述止动件进行移位的输出，以及
控制器，该控制器响应于来自所述位移传感器的输出对所述机器人进行校准。
17.根据权利要求16所述的台式机器人，其特征在于，所述至少一个导轨包括第一导轨和第二导轨，所述第一导轨和第二导轨沿着所述第一水平轴彼此平行地延伸；所述枢转装置包括在所述第一导轨上支撑着所述打印头组件的线性轴承，所述第一导轨偏离所述喷嘴，以使得所述打印床和所述喷嘴之间的所述接触件围绕着所述线性轴承向所述打印头组件施加扭矩；并且所述止动件包括所述第二导轨，所述第二导轨抵接着所述抵接面以限制所述打印头组件围绕所述第一导轨的旋转。
18.根据权利要求16所述的台式机器人，其特征在于，所述位移传感器包括电路，当所述抵接面抵接着所述止动件时所述电路是闭合的，当所述抵接面从所述止动件分隔开时所述电路是断开的。
19.根据权利要求18所述的台式机器人，其特征在于，所述第二导轨是连接在所述电路中的电导体，并且所述抵接面设置在连接在所述电路中的电接触件上。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的台式机器人，其特征在于，所述打印头组件的重心偏离所述第一导轨，以使得重力倾向于保持所述抵接面抵靠在第二导轨上。
21.根据权利要求17所述的台式机器人，其特征在于，所述第一导轨和所述第二导轨是平行于第一水平轴延伸的X导轨，并且所述直角坐标型机器人还包括一对大体上竖直的Z导轨，所述Z导轨中的每一个都连接到所述第一X导轨和所述第二X导轨的相对端以便升高和降低所述第一X导轨和所述第二X导轨；所述打印床被连接成沿着Y导轨移动，所述Y导轨沿着大体上垂直于所述第一水平轴的第二水平轴延伸。
22.根据权利要求21所述的台式机器人，其特征在于，相应的Z致动器被设置用于升高和降低所述第一X导轨和所述第二X导轨的相对端，并且所述控制器通过所述Z致动器的差分操作对所述机器人进行校准以改变所述第一X导轨和所述第二X导轨的倾角。
23.根据权利要求21或22所述的台式机器人，其特征在于，还包括：大体上位于所述打印床的下方的框架构件，所述框架构件具有平行于所述Y导轨延伸的基准平面，所述打印床包括支脚，所述支脚与所述Y导轨相互协作以用于支撑所述打印床，并与所述基准平面滑动地接合。
24.根据权利要求21或22所述的台式机器人，其特征在于，所述Y导轨被设置在所述打印床的一个边缘附近，并且所述支脚被设置在所述打印床的相对边缘的附近。
25.根据权利要求1至3和6至9中任一项所述的台式机器人，其特征在于，包括可互换的细丝盒，所述可互换的细丝盒具有：
卷轴，细丝能够围绕着所述卷轴缠绕；
轮毂，该轮毂大体上延伸通过所述卷轴的中心以用于支撑所述卷轴，并使得所述卷轴相对于所述轮毂旋转；
非易失性存储器设备，该非易失性存储器设备安装到所述轮毂上以用于存储细丝相关的数据，以及
通信接口，该通信接口在所述轮毂上，以用于允许在所述非易失性存储器设备和所述控制器之间进行数据传送。
26.根据权利要求25所述的台式机器人，其特征在于，所述卷轴具有中心轴并包括两个部分，每个部分包括圆筒部和端法兰；
当所述卷轴的所述两个部分被固定在一起时，在所述卷轴的所述两个部分之间形成内部环形通道，并且
所述轮毂包括从所述圆筒形表面突起并被接收在所述环形通道内的至少一个周向肋。
27.根据权利要求26所述的台式机器人，其特征在于，还包括轴，所述轴具有固定端和相对的自由端以及棘爪机构，所述自由端适于被接收在所述轮毂中以用于支撑所述轮毂，所述棘爪机构在所述自由端中以用于将所述轮毂耦合到所述轴上。
28.根据权利要求27所述的台式机器人，其特征在于，所述棘爪机构包括：在所述自由端中的相对孔，所述孔被设置以用于与所述轮毂中的相应开口配准；弹簧，所述弹簧用来迫使所述引脚从所述孔伸到所述开口中。
29.根据权利要求26所述的台式机器人，其特征在于，所述非易失性存储器设备包括EEPROM，并且所述细丝相关的数据包括限定以下中的至少一种的数据：细丝材料、细丝颜色、细丝直径和细丝长度。
30.根据权利要求26所述的台式机器人，其特征在于，所述通信接口包括电耦合件。
31.根据权利要求26所述的台式机器人，其特征在于，印刷电路板被安装到所述轮毂上，并且所述非易失性存储器设备被安装到所述印刷电路板上，并且所述电耦合件包括被安装到所述印刷电路板上用于接合被安装到所述机器人上的一组电接触件的引脚连接器中的一个。
32.根据权利要求1至3和6至9中任一项所述的台式机器人，其特征在于，还包括细丝进给器以将细丝进给到打印头，所述细丝进给器包括：
驱动齿轮，该驱动齿轮与从动齿轮相啮合；
相应的摩擦轮，该摩擦轮能够旋转地被紧固在所述驱动齿轮和所述从动齿轮上，所述细丝被夹持在所述摩擦轮之间。
33.根据权利要求32所述的台式机器人，其特征在于，所述从动齿轮被朝向所述驱动齿轮弹性地偏置以用于夹持所述磨擦轮之间的细丝。
34.根据权利要求32所述的台式机器人，其特征在于，所述从动齿轮被安装在由枢轴支撑的臂上以便朝向和远离所述驱动齿轮旋转。
35.根据权利要求33至34中任一项所述的台式机器人，其特征在于，所述细丝进给器还包括用于提供指示所述细丝移动速度的反馈信号的编码器。
36.根据权利要求35所述的台式机器人，其特征在于，所述编码器包括与支撑所述细丝的惰轮相互协作的旋转编码器。
37.根据权利要求33至34中任一项所述的台式机器人，其特征在于，所述细丝进给器还包括细丝传感器，所述细丝传感器被设置在沿着细丝路径通过所述进给器的位置处，以提供指示在所述位置处存在或不存在细丝的信号。
38.根据权利要求37所述的台式机器人，其特征在于，所述惰轮在所述进给器的输入端支撑着所述细丝，并且所述摩擦轮在所述细丝进给器的输出端支撑着所述细丝，并且所述惰轮和所述摩擦轮之间的所述细丝路径是弯曲的。
39.根据权利要求1至3和6至9中任一项所述的台式机器人，其特征在于，包括至少两个细丝进给器，每个细丝进给器都被配置为用来将细丝引导至熔融室中，所述熔融室向在打印头上的一个或多个流体分配喷嘴进行进给。

说明书全文

台式机器人

技术领域

[0001] 本实用新型一般涉及一种机器人工具，例如台式制造机器人，并且特别地但非排他地涉及用于三维（3D）打印的台式机器人。

背景技术

[0002] 在过去，计算机辅助制造技术实际上只有大型制造商才负担得起，而小型的企业可以通过服务机构接触到它们。这些类别的技术包括3D扫描以产生电子模型，或使用3D打印、计算机控制的研磨机、路由器和激光切割器等将电子模型转化为原型或成品。然而，近年来，在设计软件和计算机辅助制造方面的成本的降低已经成为对希望设计并快速地制造产品的技术人员的一个好处。虽然目前的小型企业和许多普通的业余爱好者能够拥有用于3D打印、激光切割或路由的经济负担得起的台式机器人，但是如果可以实现成本节约以使得这些技术更可行，这将是有利的。

[0003] 熔丝加工（FFF）是一种类型的3D打印，其中机器人工具将材料铺设成层来构建三维物件。美国专利第5,121,329号描述了一种使用该技术的3D 打印机，其中细丝被进给到熔融室中，细丝在熔融室中被熔化，然后在打印头移动的同时以流体的形式从打印头中的挤压喷嘴喷射出。在固化以限定被打印的物件的最终形态之前，构建材料可沉积在与其焊接的下层上。3D打印机通常需要进行定期校准以确保有可能将打印头安全地移到工作范围内的位置和从工作范围内的位置移出，并且确保输出是准确的。虽然粗略地知道打印头和打印床的位置在大致的区域内，但是精确的位置和方位由于制造公差的积累而发生变化。在运输期间的变形或“撞”到工具框架也打乱了原来的方位。在3轴打印机上，校准确保了各个部件是彼此平行且正交的，并且该校准通常是手动完成的。手动校准取决于技术人员的视觉灵敏度和视觉可见度。此外，手动校准非常耗时、昂贵并且不一致。有时，很难对打印头的移动进行令人满意的观察。因此，可以理解的是，需要有用于校准3D打印机的改进的系统和方法。

[0004] 还应该理解的是，需要改进已知的3D打印机的各种性能方面，包括打印速度、降低由于打印物品的收缩造成的翘曲、以及用户安全等等。本实用新型的另一个目的在于满足这些需要，或者更为一般地在于提供一种改进的台式机器人。实用新型内容

[0005] 一种台式机器人包括：

[0006] 可互换的工具，其具有至少一个电动部件；

[0007] 工具安装件，其用于安装工具，该机器人可操作地用来控制在三维中的工具安装件和物件之间的相对运动；

[0008] 互补的第一电耦合件和第二电耦合件，其分别在工具安装件和工具上，以用于形成到工具的至少一个电动部件上的电连接，以及

[0009] 互补的第一无工具机械耦合件和第二无工具机械耦合件，其分别在工具安装件和工具上，以用于机械地连接工具安装件和工具。

[0010] 通过提供根据本实用新型的可互换工具，台式机器人设置有一定程度的模块化，使得它很容易地被重新配置以用于不同的目的。

[0011] 优选地，该台式机器人包括：用于控制工具安装件的运动的控制器，并且该工具包括持有表征该工具的工具数据的存储设备，以使得通过使工具连接到工具安装件上时，该控制器可以读取工具数据。以这种方式，台式机器人可以很容易地被重新配置以用于执行不同的功能，从而提供更快的设置和更大的操作通用性。

[0012] 优选地，该台式机器人是3D打印机，并且该可互换的工具包括打印头，该打印头包括用于排出构建材料的喷嘴，并且该至少一个电动部件包括用于控制喷嘴的开启和关闭的致动器。

[0013] 优选地，该工具包括以下所述中的至少一个：带有呈扫描仪形式的电动部件的扫描仪头；带有呈激光器形式的电动部件的激光切割器头；带有呈驱动旋转切割工具保持器的电动机形式的电动部件的旋转切割器头；带有呈电动抓取器形式的电动部件的适于抓握的机器人抓取器头；带有呈阀致动器形式的电动部件的喷枪头；带有呈用于动力剪切机驱动形式的电动部件的动力剪切头；带有呈阀致动器形式的电动部件的真空机器人抓取器头以及带有呈驱动式笔制动器形式的电动部件的笔式绘图仪头，其中这些头中的每一个都适于机械和电连接到工具安装件上，并包括与第一电耦合件互补的第二电耦合件，以及与第一机械耦合件互补的第二机械耦合件，从而通过联接第一机械耦合件和第二机械耦合件，也同时联接了第一电耦合件和第二电耦合件。

[0014] 该扫描头提供了物理物件的3D扫描，即创建3D计算机模型。该扫描仪优选地是3D光学扫描仪，但是也可以使用大多数其它类型的3D扫描仪，诸如接触探针扫描仪、激光测距扫描仪、MR、MRI、CT、x-射线、超声、测距照相机、飞行时间传感器或是基于侧面影像、结构和运动、由阴影复原的形状、由纹理复原的形状或色键的光学扫描仪。

[0015] 任选地，可以理解的是，为了进一步扩大台式机器人执行其它任务的能力，也可互换地使用不带有电动部件的工具头，这种工具头可包括，例如，用于乙烯切割的刀片。

[0016] 该机器人优选的是直角坐标型机器人，但是其它的机器人配置，例如圆柱坐标型机器人、极坐标型机器人、三角形机器人和多关节型机器人臂也可用于在三维操作范围内移动工具安装件。

[0017] 优选地，该机器人包括：

[0018] 沿第一水平轴延伸的至少一个X导轨，工具安装件被连接成沿着该X导轨移动；

[0019] 一对大体上竖直的Z导轨，Z导轨中的每一个被连接到X导轨的相对端以便升高和降低X导轨；以及

[0020] 大体上水平的打印床，该打印床保持着物件并且被连接成沿着Y导轨移动，该Y导轨沿着大体上垂直于第一水平轴的第二水平轴延伸。

[0021] 优选地，该至少一个X导轨包括平行于第一水平轴延伸的两个X导轨，工具安装件与这两个X导轨都接合。

[0022] 优选地，该工具安装件包括细丝接收固定装置，可熔细丝通过细丝接收固定装置被引导到打印头。优选地该细丝接收固定装置夹紧可熔细丝被接收在其中的鲍登管（Bowden tube）的一端。

[0023] 第一机械耦合件和第二机械耦合件是无工具的耦合件，能够在无工具的情况下进行快速的连接，并且可包括互补的部件，例如，突起部和互补的凹部，当该突起部和互补的凹部被连接时，其基本刚性地结合工具和工具安装件，并隔离工具安装件和工具头之间的在所有的自由度上的运动。该突起部可以是弹性的，以便于提供卡扣配合。

[0024] 优选地，该第一机械耦合件和第二机械耦合件包括用于将工具夹持到工具安装件上的夹紧装置。优选地，该夹紧装置包括螺杆，第一机械耦合件包括被固定成与螺杆一起旋转的轮子，并且第二机械耦合件包括与螺杆互补的内螺纹孔。任选地，可使用其它夹紧装置，例如凸轮或弹簧。优选地，该螺杆从工具安装件的界面突出，并且该轮子被设置在工具安装件的与该界面相对的一侧上。优选地，该螺杆在两个X导轨之间延伸。优选地，该第一机械耦合件还包括在工具安装件中的凹部，并且第二机械耦合件还包括与凹部呈互补形式的突起部。

[0025] 优选地，第一电耦合件和第二电耦合件向至少一个电部件供电，但它们也可用来传送控制信号。

[0026] 优选地，第一电耦合件和第二电耦合件中的一个包括具有大体上平行于螺杆的轴的一组连接器引脚，并且第一电耦合件和第二电耦合件中的另一个包括用于接合连接器引脚的一组接触件。优选地，这些引脚中的每一个具有伸缩结构，并且顶端被弹簧偏压到延伸的位置，例如所谓的“弹簧引脚”。

[0027] 根据又一方面，本实用新型提供一种台式机器人，该台式机器人包括：

[0028] 打印头组件，其包括用于排出构建材料的喷嘴；

[0029] 直角坐标型机器人，其可操作地将打印头组件定位在三维操作范围内的任何位置处，该直角坐标型机器人包括：沿第一水平轴延伸的至少一个导轨，该打印头组件被连接成沿着至少一个导轨移动；以及保持着构建材料的大体上水平的打印床；

[0030] 枢转装置，其顺从地支撑打印头组件，以使得打印床和喷嘴之间的接触件围绕枢转装置向打印头组件施加扭矩；

[0031] 抵接面，该抵接面在打印头组件上，以用于当扭矩被施加到打印头组件上时抵接止动件以限制打印头组件围绕枢转装置在第一方向上的旋转，但允许打印头组件围绕枢转装置在与第一方向相反的第二方向上的旋转；

[0032] 位移传感器，其安装到打印头组件上，并提供了指示抵接面远离止动件进行移位的输出，以及

[0033] 控制器，其响应于来自位移传感器的输出对机器人进行校准。

[0034] 优选地，该至少一个导轨包括第一导轨和第二导轨，该第一导轨和第二导轨沿着第一水平轴彼此平行地延伸，

[0035] 枢转装置包括在第一导轨上支撑着打印头组件的线性轴承，该第一导轨偏离喷嘴，以使得打印床和喷嘴之间的接触件围绕着线性轴承向打印头组件施加扭矩；并且[0036] 该止动件包括第二导轨，第二导轨抵接着抵接面以限制打印头组件围绕第一导轨的旋转。

[0037] 位移传感器可以是电路的形式，当抵接面抵接着止动件时该电路是闭合的，而当抵接面从止动件分隔开时该电路是断开的。优选地，第二导轨是连接在电路中的电导体，并且抵接面设置在连接在电路中的电接触件上。任选地，可以采用其它类型的位移传感器。

[0038] 优选地，打印头组件的重心偏离第一导轨，使得重力倾向于保持抵接面抵靠在第二导轨上。可选择地，可以设置弹性装置以迫使抵接面抵靠在第二导轨上，例如用于低摩擦的聚四氟乙烯模制弹簧。

[0039] 优选地，第一导轨和第二导轨是平行于第一水平轴延伸的X导轨，并且直角坐标型机器人还包括一对大体上竖直的Z导轨，Z导轨中的每一个都连接到第一X导轨和第二X导轨的相对端以便升高和降低第一X导轨和第二X导轨；并且其中，打印床被连接成沿着Y导轨移动，该Y导轨沿着大体上垂直于第一水平轴的第二水平轴延伸。

[0040] 优选地，相应的Z致动器被设置用于升高和降低第一X导轨和第二X导轨的相对端，并且该控制器通过Z致动器的差分操作对机器人进行校准以改变第一X导轨和第二X导轨的倾角。

[0041] 优选地，该3D打印机还包括：通常位于打印床的下方的框架构件，该框架构件具有平行于Y导轨延伸的基准平面，打印床包括支脚，该支脚与Y导轨相互协作以用于支撑打印床，并与基准平面滑动地接合。

[0042] 优选地，Y导轨被设置在打印床的一个边缘附近，并且该支脚被设置在打印床的相对边缘的附近。

[0043] 在又一方面中，本实用新型提供了一种用于FFF的3D打印机，该3D打印机包括可互换的细丝盒，该可互换的细丝盒具有：

[0044] 卷轴，细丝可围绕着该卷轴缠绕；

[0045] 轮毂，其大致延伸通过卷轴的中心以用于支撑该卷轴，以使得该卷轴相对于该轮毂旋转；

[0046] 非易失性存储器设备，其安装到轮毂上以用于存储细丝相关的数据，以及[0047] 通信接口，其在轮毂上，以用于允许在非易失性存储器设备和控制器之间进行数据传送。

[0048] 优选地，该卷轴具有中心轴并包括两个部分，每个部分包括圆筒部和端法兰；

[0049] 当卷轴的两个部分被固定在一起时，在卷轴的两个部分之间形成内部环形通道，并且

[0050] 该轮毂包括从圆筒形表面突起并被接收在环形通道内的至少一个周向肋。

[0051] 优选地，FFF3D打印机具有轴，该轴具有固定端和相对的自由端以及棘爪机构，该自由端适于被接收在轮毂中以用于支撑轮毂，该棘爪机构在自由端中以用于将轮毂耦合到轴上。优选地，该棘爪机构包括：在自由端中的相对孔，这些孔被设置以用于与轮毂中的相应开口配准；弹簧，该弹簧用来迫使引脚从孔伸到开口中。

[0052] 优选地，该非易失性存储器设备包括EEPROM，并且细丝相关的数据包括限定以下中的至少一种的数据：细丝材料、细丝颜色、细丝直径和细丝长度。

[0053] 优选地，通信接口包括电耦合件。可选地，可提供无线通信接口。优选地，印刷电路板被安装到轮毂上，并且非易失性存储器设备被安装到印刷电路板上，并且电耦合件包括被安装到印刷电路板上用于接合被安装到机器人上的一组电接触件的引脚连接器中的一个。

[0054] 优选地，该机器人还包括细丝进给器以将细丝进给到打印头，该细丝进给器包括：

[0055] 驱动齿轮，其与从动齿轮相啮合；

[0056] 相应的摩擦轮，其可旋转地被紧固在驱动齿轮和从动齿轮上，从而细丝被夹持在摩擦轮之间。

[0057] 根据另一方面，本实用新型提供了一种用于FFF的3D打印机，该3D打印机包括：

[0058] 可互换的打印头，其具有与喷嘴连通用于排出流体构建材料的熔融室；

[0059] 打印床，其用于支撑待打印的物件；平移机构，其用于提供在沿相互正交的X轴、Y轴和Z轴的三维中的打印头和打印床之间的相对运动；以及

[0060] 细丝进给器，其将细丝进给到打印头，该细丝进给器包括：

[0061] 驱动齿轮，其与从动齿轮相啮合；

[0062] 相应的摩擦轮，其可旋转地被紧固到驱动齿轮和从动齿轮上，从而细丝被夹持在摩擦轮之间。

[0063] 优选地，该从动齿轮被朝向驱动齿轮弹性地偏置以用于夹持磨擦轮之间的细丝。优选地，该从动齿轮被安装在由枢轴支撑的臂上以便朝向和远离驱动齿轮旋转。

[0064] 优选地，该细丝进给器还包括用于提供指示细丝移动速度的反馈信号的编码器。优选地，该编码器包括与支撑细丝的惰轮相互协作的旋转编码器。

[0065] 优选地，该细丝进给器还包括细丝传感器，该细丝传感器被设置在沿着细丝路径通过进给器的位置处，以提供指示在该位置处存在或不存在细丝的信号。

[0066] 惰轮和摩擦轮之间的细丝路径可以是弯曲的。

[0067] 细丝进给器提供了在相应的高打印速度的高负载下的精确的进给速度控制。

[0068] 在又一方面中，本实用新型提供了一种控制FFF3D打印机的方法，该方法包括使在壳体中的门与加热元件互锁，以使得除非门被关闭，否则加热元件被阻止进行操作。

[0069] 优选地，该方法还包括当门被用户关闭时自动地用闩锁锁住门，并且一旦内部温度已经跌至到低于阈值温度时释放闩锁以允许门被打开。

[0070] 优选地，释放闩锁包括将打印床平移至抵接闩锁处。

[0071] 该门的互锁和解锁提供了改进的用户安全性。

[0072] 在又一方面，本实用新型提供了用于FFF的3D打印机，该3D打印机包括至少两个细丝进给器，每个细丝进给器都被配置为用来将细丝引导至熔融室中，熔融室向在打印头上的一个或多个流体分配喷嘴进行进给。

[0073] 通过以这种方式控制两个细丝进给器，可实现从一种细丝到另一种细丝的无缝转换，并且其中使用不同颜色的构建材料，颜色的变化可提供在整个被打印的物件上。附图说明

[0074] 现在将参考附图并通过示例描述本实用新型的优选形式，其中：

[0075] 图1是根据本实用新型的用于3D打印的台式机器人的透视图；

[0076] 图2是图1中的台式机器人的直角坐标型机器人的透视图；

[0077] 图3和图4分别是图1中的台式机器人的工具安装件的前透视图和后透视图；

[0078] 图5是图1中的台式机器人的打印头的透视图；

[0079] 图6是图1中的台式机器人的打印头组件的剖面图；

[0080] 图7是图1中的台式机器人的打印床的下侧的透视图；

[0081] 图8是壁组件和细丝盒的分解透视图；

[0082] 图9是图8中的壁组件和细丝盒的剖面图；以及

[0083] 图10是图1中的台式机器人的细丝进给器的示意性透视图。

具体实施方式

[0084] 参考图1和图2，台式机器人10适用于在桌面上进行熔丝加工，该台式机器人10可包括用于保持直角坐标X-Y-Z平移机构11的壳体13。壳体13具有门14，该门14大体上打开构建室75的前部和上部。结合到壳体13的一个壁上的是壁组件65。打印头组件15通过平移机构11在三维操作范围内移动来打印出物件（未示出），该物件包括支撑在打印床16上的构建材料。

[0085] 打印头组件15包括工具安装件17，打印头18可附接在工具安装件17上。通过简单地将打印头18附接到工具安装件17上，打印头18可与其它的打印头互换，或与其它的如“即插即用头”互换。由此，在打印头18完成机械连接的同时打印头18完成电连接，从而为打印头18上的阀致动器、加热元件和风扇的操作提供电力。

[0086] 参考正交XYZ 坐标系统，工具安装件17可沿平行的X导轨12a、12b滑动，从而使得工具安装件17和打印头18沿着平移机构11的X轴移动。工具安装件17被固定在由旋转电动机26驱动的带子27上，从而使得工具安装件17沿着X轴进行往复运动。X导轨12a、12b的相对端被固定在滑架20a、20b上，滑架20a、20b沿着相应的大体上竖直的Z导轨
19a、19b滑动。旋转致动器21转动两个Z螺杆22中的每一个以便升高和降低滑架20a、20b和所附接的X导轨12a、12b。打印床16被设置在大体上水平的平面或XY平面中的X导轨
12a、12b的下方，并被连接成沿着Y导轨23移动，该Y导轨23沿着垂直于X轴的Y轴延伸。
基座框架构件24是在平移机构11中的一个重要的结构元件，因为它既支撑着Z导轨19a、
19b又支撑着Y导轨23。框架构件24位于打印床16的下方并被固定在壳体13上，该框架构件24还包括平行于Y导轨23延伸的平坦的基准平面25。因此，工具安装件17的XZ位移结合打印床16的Y位移提供了相对于打印物件被支撑在其上的打印床16的三维操作范围。

[0087] 如图3和图4所示，工具安装件17包括孔和凹面31，线性轴承30位于孔中以用于接收下X导轨12b，凹面31用于抵接上X导轨12a。设置在线性轴承30和凹面31之间的是延伸穿过开口28和固定装置29，带子27的下行线自由地通过该延伸穿过开口28，固定装置29将工具安装件17紧固到带子27的上行线上。夹紧轮32可被固定成与螺杆33一起旋转，螺杆33在两个X导轨12a、12b之间延伸并从在两个X导轨12a、12b之间的工具安装件17的界面34突出。轮子32被设置在工具安装件17的与界面34相对的一侧35上。界面34中的凹部36与具有中心孔38的细丝接收固定装置37对准。可熔细丝（未示出）可穿过孔38到达打印头18。细丝接收固定装置37夹紧鲍登管（未示出）的一端，可熔细丝被接收在鲍登管中。在界面34上的电耦合件39可包括具有大体上平行于螺杆33的轴的一组连接器引脚40。凹部36的表面也可以是呈梯形金字塔形式，以有助于正确对准打印头18。导轨12a和电接触件43被电连接在位移传感器电路（未示出）中并有效地形成开关。接触件43可被安装成从凹面31突出，并具有用于抵接X导轨12a的外部抵接表面。导轨12a是导电的，接触件43也是导电的，因此它们所连接的电路提供了指示接触件43的抵接面远离X导轨12a的位移的输出。当与X导轨12a的电接触断开时，该电路提供了断路。连接器41、42可被安装到后侧35上并电连接到电耦合件39、接触件43并连接到电缆（未示出）以用于传输来自控制器（未示出）的功率信号和电信号。

[0088] 打印头18分别示于图5以及图6中，其中图6示出打印头18被安装在工具安装件17上的横截面图。打印头18的主体45保持着在其上侧的开口中的风扇46和从主体45的下侧突出的用于分配构建材料的喷嘴47。形成于主体45中的突起部49是凹部36的互补形式，突起部49被接收并定位于凹部36中。内螺纹孔48与螺杆33互补。电耦合件51包括用于抵接连接器引脚40的一组接触件52，连接器引脚40优选地是所谓的“弹簧引脚”，其具有可伸缩的结构，并且顶端被弹簧偏压到延伸的位置处。通道50被定位以用于与细丝接收孔38配准，以便引导细丝进入由电阻元件54进行加热的熔融室53内。致动器55 控制阀（图中未示出）的打开和关闭，以便允许构建材料从熔融室53流到喷嘴47。打印头组件15的重心56从下X导轨12b偏移，使得重力围绕下X导轨12b施加趋向于保持接触件43抵接上X导轨12a的扭矩。然而，如果喷嘴47抵接水平表面，那么产生的力F将施加相反的扭矩以将接触件43移离第二导轨12a，并且由此产生的电力中断指示该位移。

[0089] 参照图1、图2和图7，打印床16位于框架构件24和它的最上面的基准表面25之上，并被支承在Y导轨23上。更具体地，轴承组件58在打印床16的其中一个边缘59附近被固定到打印床16上，并与Y导轨滑动接合且在Y导轨上往复运动。打印床16可通过夹具被耦合到带子60的其中一条行线上，带子60平行于导轨23延伸，并由旋转驱动器161所驱动。在边缘59对面的边缘61附近，接近于边缘61的中点，支脚62可从打印床16的下侧63突出。支脚62被支承在平行于Y导轨23的基准表面25上，在打印床16的运动过程中它沿着Y导轨23滑动。支脚62可以被制成或包括低摩擦材料，如聚四氟乙烯。

[0090] 图8示出了壁组件65和细丝盒66的构造，在使用过程中细丝盒66被部分地安装在壁组件65上。壁组件65包括两个壳体67、68，这两个壳体连接在一起来封闭驱动和电子室69，这两个壳体也定义了开式卷轴室70。壳体68具有壁73，壁73界定了构建室75的内侧。壳体67具有外壁72，在外壁72上设置有用于将细丝盒66穿过进入到卷轴室70的开口71。轴88可以悬臂的方式形成在壳体68上，使得它的自由端89伸入卷轴室70。

[0091] 细丝盒66可包括卷轴78，细丝（未示出）卷绕在该卷轴78上，并且该卷轴78由支承在轮毂81上的卷轴部件79、80形成。部件79、80中的每一个可包括与相应的端法兰79b、80b一体的相应的圆筒部79a、80a。轮毂81大体延伸通过卷轴78的中心并且被固定，而卷轴78围绕轮毂81旋转。轮毂81包括圆筒形的表面82和从圆筒形的表面82突出的周向肋83。相对的孔95设置在自由端89中并被设置成用于与轮毂81中的相应的开口94进行配准。制动弹簧93迫使引脚96从孔95伸入开口94中。

[0092] 一种非易失性存储器设备如EEPROM86被安装在电路板186上，电路板186继而被安装在轮毂81上。EEPROM86存储细丝相关的数据，包括细丝材料类型、熔点、批号、生产日期、细丝颜色、细丝直径和细丝长度等。

[0093] 在轴88上的通信接口87允许EEPROM86和机器人10的控制器之间进行数据传输。通信接口87包括安装到轮毂81上的印刷电路板100。一组弹簧引脚187设置在印刷电路板100上用于接触在电路板186上的一组接触件（未示出）。

[0094] 如图9所示，当卷轴78的两个部件79a、80a被固定在一起时在它们之间形成内部环形通道84，并且周向肋83被接纳在周向通道84中，以支撑卷轴78转动并限制卷轴78沿着轴线85的轴向运动。轮毂81的后侧中的空腔90接收轴88的自由端89以定位和支撑轮毂81和卷轴78。按钮92被安装成用于在自由端89的孔98中进行轴向运动，以及用于操作安装在印刷电路板100上的开关103。开关103发送信号到控制器以启动用于熔融室53的加热器。

[0095] 用于向打印头18进给细丝106的细丝进给器105示于图10中并一般包括围绕大体上平行的轴转动并抓握细丝106的相对侧的一对反向旋转的摩擦轮107、108。旋转驱动111使得蜗杆113围绕轴112旋转以便转动蜗轮114，轮子107由驱动轴115固定在蜗轮
114上。驱动齿轮109也被固定到驱动轴115上，并与从动齿轮110啮合以用于将扭矩传输到轮子108上。从动齿轮110被安装到由枢轴117支撑的臂116上，以用于朝向和远离驱动齿轮109旋转。弹簧（图中未示出）偏压从动齿轮110朝向驱动齿轮109以用于夹紧摩擦轮107、108之间的细丝106。

[0096] 旋转编码器120可与在进给器105的输入侧支撑细丝106的惰轮121相互协作，以用于提供表示细丝106的运动速度的反馈信号。旋转编码器120可包括在惰轮121上的周向间隔开的凸角122，凸角122接合微动开关123、或其它已知类型的旋转编码器，例如光、磁或电容性旋转编码器。通过提供此反馈信号，确保了正确和精确的操作，同时可以检测到诸如细丝106和摩擦轮107、108之间的打滑等错误。

[0097] 细丝进给器105在输出方向125上推动细丝106朝向打印头18。细丝传感器124可被设置在沿着细丝路径通过进给器105的位置处，更具体地在输出方向125上偏离摩擦轮107、108的位置处。细丝传感器124可包括微动开关，该微动开关伸到细丝路径内以提供表示细丝在该位置处存在或不存在的信号。当向机器内装入新的细丝时，细丝传感器124允许控制器确定细丝末端的位置。

[0098] 在惰轮121和摩擦轮107、108之间的细丝路径可以是弯曲的。为了确保由进给器105产生的细丝的位移在打印头18处再现，细丝106被限制在鲍登管（未示出）内。

[0099] 在操作中，根据要执行的任务，如扫描、乙烯切割、路由、激光切割和笔绘制，用户可首先从众多可互换的头中选择一个以固定到工具安装件17。然而，为了便于以下说明的目的，应当了解，根据三维打印任务的要求，如构建材料和所需的印刷速度或分辨率，用户将或许是从众多不同的打印头中选择一个打印头18。在这两种情况下，工具安装件17的附接是相同的，并通过转动夹紧轮32，打印头18被同时夹紧并电连接到机器人10。一种非易失性存储器装置（未示出）可设置在打印头18中以用于存储打印头数据。例如，该非易失性存储器装置可识别喷嘴的直径和位置，从而在正确连接到工具安装件17后，用户不需要因为打印头18的选择的结果而进行相应的输入，并且不需要在开始打印之前进行手动或自动校准。

[0100] 以类似的方式，用户可根据三维打印任务选择可互换的细丝盒66。通过将细丝盒66通过开口71插入并在两个相隔180度的取向之一中将轮毂81推过自由端89，细丝盒66很容易安装。通过将细丝相关的数据存储在EEPROM86中，控制器可以例如确认卷轴78持有足够的细丝来完成打印任务，并确认细丝与打印头18的相容性以及相应调整其他的操作参数，例如进给速度和熔融温度。这一点，如非易失性存储器装置在打印头18上的情况一样，也提供了一个“即插即用”功能性，以允许快速设置并开始操作，而没有因为提示用户输入与细丝相关的数据而引入延迟和可能的错误。

[0101] 机器人10的操作是由电子控制器（未示出）进行控制的，该控制器根据预先定义的程序控制打印头18和平移机构11、以及该系统的其他组件。在紧固打印头18并关闭门14后，控制器可执行校准例程。在该例程中，控制器响应于来自位移传感器电路的输出来校准机器人以设置Z轴的起始位置。该校准例程可包括在XY平面内的一个位置中，或者在XY平面上的多个位置处降低打印头18来接触打印床16。如果在多个位置进行校准，则控制器能确定在整个打印床16内是否存在任何平行度误差，因而在打印时，能对这些误差进行物件补偿。两个旋转的致动器21中的每一个致使Z螺杆22中的相应一个进行旋转，从而通过独立地控制旋转致动器21，来提供螺杆22之间的差动旋转。导轨12a、12b与打印床16之间的倾斜角度可以改变来进行该补偿。

[0102] 当接收到由开关103的启动所产生的信号时，控制器驱动用于熔融室53的加热器。控制器等待熔融室53达到正在使用的特定细丝106的正确的温度，然后驱动细丝进给器105来在输出方向125上推动细丝106，直到输出开关124被激活，该激活表明细丝106的末端已经离开了摩擦轮107、108。摩擦轮107、108预定义的旋转角度定义了细丝106的末端必须从输出开关124移动到熔融室53的距离，而控制器驱动细丝进给器105来驱动末端到熔融室53中以准备开始进行打印。

[0103] 在三维打印之前，控制器还操作打印床16下面的加热元件（未示出），该加热元件将打印床16加热到用于构建材料进行粘附的最佳水平。该控制器通过有选择地操作风扇（未示出）以从构建室提取空气来调节内部温度大体保持在设定值。由于打印床16和喷嘴47的升高的温度，门14在关闭时自动锁定确保了该访问受到限制，直到已经达到一个安全的表面温度。当打印处理已经完成时，在平移该打印床来抵接和释放闩锁前，风扇可被启动以用于冷却。

[0104] 仅仅通过实例的方式来描述了本实用新型的各方面。但应当理解的是，可以在不脱离本实用新型的范围的情况下对本实用新型作出各种不同的修改和补充。

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