一种龙门式3D打印机技术领域
本发明涉及一种打印设备，具体涉及一种龙门式3D打印机。
背景技术
3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，用软件将其离散分解成若干层平面切
片，然后由数控成型系统利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状、液状或丝状金属、陶瓷、
塑料、细胞组织等材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。3D打印机是
3D打印的核心装备，它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主
要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。与传统制造业的“减
材制造技术”相反，3D打印遵从的是加法原则，即“逐层叠加”原则，不再需要传统的刀
具、夹具和机床，就能实现设计制造一体化，从而大幅降低了生产成本和缩短了加工周期，
提高了原材料和能源的利用率，减少了对环境的影响，并且能实现复杂结构产品的设计制
造，成型产品的密度也更加均匀。
不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但
都是基于离散堆积原理，即分层制造，逐层叠加的方法。其基本流程是：先用计算机软件
设计三维模型，然后把三维数字模型离散为面、线和点，再通过3D打印设备分层堆积，
最后变成一个三维的实物。3D打印好比一层层盖房子和盖金字塔，不同的是，盖房子是在
人的操作下完成的，增材制造是在计算机的控制下进行的。
目前的3D打印设备存在打印精度不高，打印速度慢的问题。现有的3D打印机三向运
动机构主要以同步带、渐开线齿条为主，这些零部件采购方便，但传动过程不稳定，精度
不高，有回程间隙，易出现滞后现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种龙门式3D打印机，该3D打印机的传动不仅平稳，而且迅
速，因此具有打印精度高，打印速度快的特点。
本发明所采用的技术方案是：
一种龙门式3D打印机，包括外壳、平台机构、X轴移动机构、Y轴移动机构和送丝
机构，所述平台机构、X轴移动机构、Y轴移动机构和送丝机构置于外壳内；
所述平台机构包括第一电机、丝杆、立柱和平台，第一电机与丝杆连接，丝杆通过丝
杆套与平台连接；所述立柱固定在外壳内，且通过轴承与平台连接；第一电机带动丝杆运
动，从而使平台上下移动；
所述X轴移动机构包括第一直线导轨、第二直线导轨、第一滑块、第二滑块、第一弧
形齿条组、第一支座、第二电机，第一滑块具有与第一直线导轨相适配的凹槽，第一滑块
能在第一直线导轨上滑动；第二滑块能在第二直线导轨上滑动；第二电机固定在第二滑块
上，且第二电机与第一弧形齿条组连接，第二电机带动第一弧形齿条组运动，从而带动第
二滑块在第二直线导轨上滑动；第一支座与第一弧形齿条组连接；
所述第一弧形齿条组包括第一弧形齿条、两个第一单盘、第一圆柱滚销、第一法兰盘，
两个第一单盘通过第一法兰盘连接，第一圆柱滚销通过角接触轴承与两个第一单盘上的若
干均布的通孔配合；第一弧形齿条的齿位于两个第一单盘之间，第一圆柱滚销的曲面与第
一弧形齿条的齿形轮廓相啮合；第二电机带动两个第一单盘转动，从而使第一圆柱滚销与
第一弧形齿条啮合运动，带动第二滑块在第二直线导轨上滑动；
所述Y轴移动机构包括第三直线导轨、第三滑块、第三电机、第二弧形齿条组、第二
支座、第一支腿、第二支腿，第三滑块能在第三直线导轨上滑动，第三电机固定在第三滑
块上，且第三电机与第二弧形齿条组连接；第三电机带动第二弧形齿条组运动，从而使第
三滑块在第三直线导轨上滑动；第二支座通过第一支腿与第一滑块连接，第二支座通过第
二支腿与第二滑块连接；第二支座与第二弧形齿条组、第三直线导轨连接；
所述第二弧形齿条组包括第二弧形齿条、两个第二单盘、第二圆柱滚销、第二法兰盘，
两个第二单盘通过第二法兰盘连接，第二圆柱滚销通过角接触轴承与两个第二单盘上的若
干均布的通孔配合；第二弧形齿条的齿位于两个第二单盘之间，第二圆柱滚销的曲面与第
二弧形齿条的齿形轮廓相啮合；第三电机带动两个第二单盘转动，从而使第二圆柱滚销与
第二弧形齿条啮合运动，带动第三滑块在第三直线导轨上滑动；
所述送丝机构包括与第三滑块连接的送丝电机，所述送丝电机与打印头连接。
更进一步的方案是，所述第一支座呈L型，其两侧上都设有通孔，螺钉穿过通孔将第
一支座的一侧和第一弧形齿条连接，螺钉穿过通孔将第一支座的另一侧和外壳固定连接；
所述第二支座呈L型，其两侧上都设有通孔，螺钉穿过通孔将第二支座的一侧和第二弧形
齿条连接，螺钉穿过通孔将第二支座的另一侧和第三直线导轨连接。
更进一步的方案是，所述第一支座上设有用于放置第一弧形齿条的凹槽，所述第二支
座上设有用于放置第二弧形齿条的凹槽。
更进一步的方案是，所述第一直线导轨、第二直线导轨、第三直线导轨、第一弧形齿
条、第二弧形齿条上开有若干用于固定的通孔。螺钉穿过通孔将第一直线导轨和第二直线
导轨固定在外壳的底板上。
更进一步的方案是，所述第三滑块呈L型；所述第二滑块具有与第二直线导轨相适配
的凹槽。
更进一步的方案是，所述外壳的顶面和四个侧面设有观察窗，便于观察3D模型的成
型。
更进一步的方案是，所述外壳的下部设有用于放置打印材料的抽屉。
更进一步的方案是，第一电机固定在外壳的底部，立柱与外壳的上下两个面固定连接；
第一支腿通过螺钉与第一滑块固定连接，第二支腿通过螺钉与第二滑块固定连接；打印头
固定在第三滑块上。
本发明中，平台机构为竖直升降机构，X轴移动机构和Y轴移动机构统称为龙门式行
走机构。第一电机带动丝杆运动，从而使平台上下移动，实现平台的Z轴方向的升降；第
二电机带动两个第一单盘转动，从而使第一圆柱滚销与第一弧形齿条啮合运动，带动第二
滑块在第二直线导轨上滑动，实现打印头X轴方向上的移动；第三电机带动两个第二单盘
转动，从而使第二圆柱滚销与第二弧形齿条啮合运动，带动第三滑块在第三直线导轨上滑
动，实现打印头Y轴方向上的移动。第一电机、第二电机、第三电机通过控制器精确控制，
从而使平台实现精确升降，使打印头实现精确的X轴、Y轴方向移动，进而实现3D模型
的精确打印。
弧形齿条组包括弧形齿条、两个单盘、圆柱滚销，法兰盘，两个单盘通过法兰盘连接，
圆柱滚销通过角接触轴承与两个单盘上的若干均布的通孔配合；弧形齿条的齿位于两个单
盘之间，圆柱滚销的曲面与弧形齿条的齿形轮廓相啮合。弧形齿条组是基于一种新型摆线
耦合理论研发的一种新型的传动型式，与传统的类齿轮齿条传动方式相比较是一种全新的
结构形式，具有零背隙、精密传动、结构紧凑、平稳低噪、效率高、具有任意行程的特点，
具体体现在该弧形齿条组通过摆线轮圆柱滚子(圆柱滚销)与弧形齿条的弧形齿面啮合传
动，在传动过程中摆线轮圆柱滚子(圆柱滚销)与弧形齿条的弧形齿面曲线接触啮合为曲
面滚动式渐入啮合，传动十分平稳，无碰撞，因而产生的噪声较小，啮合较为精确。在传
动过程中通过利用滚动型式代替传统的滑动型式，避开了传统传动方式齿面摩擦及齿面磨
损较严重的现象，大幅提高弧形齿条组的效率。由于弧形齿条具有可拼接性，因而满足任
意行程的要求，在啮合过程中曲面接触的啮合面积较大，在同样承载力的情况下，对材料
及加工工艺的要求相对较低。由新型摆线耦合机理特性分析，在装配时确定中心距后对装
配的要求也相对较低。在装配时可在支座与弧形齿条之间垫上垫片，从而增加其稳定性。
本发明的有益效果在于：通过在X轴方向和Y轴方向设置弧形齿条组，从而实现传动
迅速、平稳，使3D打印机具有打印精度高，打印速度快的特点。本发明结构简单，便于
推广应用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是龙门式行走机构轴测图；
图2是龙门式行走机构正视图；
图3是龙门式行走机构侧视图；
图4是龙门式行走机构俯视图；
图5是外壳与平台机构轴测图；
图6是外壳的底部示意图；
图7是本发明龙门式3D打印机的轴测图。
图中：1.外壳，2.立柱，3.轴承，4.丝杆，5.丝杆套，6.第一电机，7.平台，8.第一
支腿，9.第二支腿，10.第一直线直线导轨，11.第一滑块，12.第二直线直线导轨，13.第二
滑块，14-1.第一圆柱滚销，15-1.第一单盘，16-1.第一弧形齿条，14-2.第二圆柱滚销，15-2.
第二单盘，16-2.第二弧形齿条，17.通孔，18.第一支座，19.螺钉，20.第二电机，21.第三电
机，22.打印头，23-1.第一法兰盘，23-2.第二法兰盘，24.第三直线直线导轨，25.第三滑块，
27.第二支座，28.送丝电机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本
发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。
参见图1-图7，一种龙门式3D打印机，包括外壳1、平台机构、X轴移动机构、Y轴
移动机构和送丝机构，所述平台机构、X轴移动机构、Y轴移动机构和送丝机构置于外壳
1内；
平台机构包括第一电机6、丝杆4、立柱2和平台7，第一电机6与丝杆4连接，丝杆
4通过丝杆套5与平台7连接；立柱2与外壳1的上下两个面固定连接，且立柱2通过轴
承3与平台7连接；第一电机6带动丝杆4运动，从而使平台7上下移动，实现平台7在
Z轴方向上的升降；
X轴移动机构包括第一直线导轨10、第二直线导轨12、第一滑块11、第二滑块13、
第一弧形齿条组、第一支座18、第二电机20，第一滑块11具有与第一直线导轨10相适配
的凹槽，第一滑块11能在第一直线导轨10上滑动；第二滑块13具有与第二直线导轨12
相适配的凹槽，第二滑块13能在第二直线导轨12上滑动，第二电机20固定在第二滑块
13上，且第二电机20与第一弧形齿条组连接，第一支座18与第一弧形齿条组连接；第一
弧形齿条组包括第一弧形齿条16-1、两个第一单盘15-1、第一圆柱滚销14-1、第一法兰盘
23-1，两个第一单盘15-1通过第一法兰盘23-1连接，第一圆柱滚销14-1通过角接触轴承
与两个第一单盘15-1上的若干均布的通孔配合；第一圆柱滚销14-1的曲面与第一弧形齿
条16-1的齿形轮廓相啮合；第二电机20带动两个第一单盘15-1转动，从而使第一圆柱滚
销14-1与第一弧形齿条16-1啮合运动，带动第二滑块13在第二直线导轨12上滑动，以
实现打印头在X轴方向上平稳移动；
Y轴移动机构包括第三直线导轨24、呈L型的第三滑块25、第三电机21、第二弧形
齿条组、第二支座27、第一支腿8、第二支腿9，第三滑块25能在第三直线导轨24上滑
动，第三电机21固定在第三滑块25上，且第三电机21与第二弧形齿条组连接；第二支
座27通过第一支腿8与第一滑块11连接，第二支座27通过第二支腿9与第二滑块13连
接；第二支座27与第二弧形齿条组、第三直线导轨24连接；第二弧形齿条组包括第二弧
形齿条16-2、两个第二单盘15-2、第二圆柱滚销14-2、第二法兰盘23-2，两个第二单盘
15-2通过第二法兰盘23-2连接，第二圆柱滚销14-2通过角接触轴承与两个第二单盘15-2
上的若干均布的通孔配合；第二圆柱滚销14-2的曲面与第二弧形齿条16-2的齿形轮廓相
啮合；第三电机21带动两个第二单盘15-2转动，从而使第二圆柱滚销14-2与第二弧形齿
条16-2啮合运动，带动第三滑块25在第三直线导轨24上滑动，以实现打印头在Y轴方
向上平稳移动；
送丝机构包括与第三滑块25连接的送丝电机28，送丝电机28与打印头连接。
本实施例中，第一支座18呈L型，其两侧上都设有通孔17，螺钉19穿过通孔17将
第一支座18的一侧和第一弧形齿条16-1连接，螺钉19穿过通孔17将第一支座18的另一
侧和外壳1固定连接；第二支座27呈L型，其两侧上都设有通孔17，螺钉19穿过通孔
17将第二支座27的一侧和第二弧形齿条16-2连接，螺钉19穿过通孔17将第二支座27
的另一侧和第三直线导轨24连接。
第一支座18上设有用于放置第一弧形齿条16-1的凹槽，第二支座27上设有用于放置
第二弧形齿条16-2的凹槽。
为了便于安设，第一直线导轨10、第二直线导轨12、第三直线导轨24、第一弧形齿
条16-1、第二弧形齿条16-2上均开有若干用于固定的通孔17。螺钉19穿过通孔17将第
一直线导轨10和第二直线导轨12固定在外壳1的底板上。
为了便于观察打印机的打印情况，可在外壳1的顶面和四个侧面设观察窗。为了方便
打印，外壳1的下部设有用于放置打印材料的抽屉。
第一电机、第二电机、第三电机通过控制器精确控制，从而使平台实现精确升降，使
打印头实现精确的X轴、Y轴方向移动，进而实现3D模型的精确打印。
工作时，通过第一电机6转动带动丝杆4转动，丝杆4与丝杆套5的配合使得平台7
可以在立柱2的支撑下上下运动，第二电机20通过第一弧形齿条组带动第二滑块13与第
一滑块11运动，第三电机21通过第二弧形齿条组带动第三滑块25在第三直线直线导轨
24上的运动，从而使得送丝打印机构在水平面内的运动，送丝打印机构通过送丝电机28
与打印头22的协同配合完成打印。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而
所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。