三维运动机构及采用该机构的三维雕刻机

1.本实用新型涉及三维运动机构，还涉及采用该机构的三维雕刻机。


背景技术：

2.现有雕刻机多采用激光雕刻头进行雕刻，通过运动机构带动雕刻机进行平面或三维移动，以实现对相应部分的雕刻作业，所述运动机构多采用丝杠螺母机构实现相应方向的移动，通过螺杆旋转带动螺母沿相应方向直线移动，然而，这种传动机构，特别是对于移动精度要求较高的产品，导向机构较为复杂，体积较大，导致产品笨重，且因传动间隙导致往复运动误差。


技术实现要素：

3.为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种三维运动机构，还提供了一种采用上述机构的三维雕刻机，这种运动机构在雕刻机涉及的应用场景下，有利于减小体积，还有利于减小往复运动误差。
4.本实用新型的技术方案是：三维运动机构，包括竖向移动机构、横向移动机构和纵向移动机构，所述竖向移动机构和所述横向移动机构均采用丝杠螺母机构，所述丝杠螺母机构主要由丝杠和与所述丝杆螺纹配合的螺母组成，所述竖向移动机构为左右两个，所述横向移动机构的左右基座分别固定连接在相应侧所述竖向移动机构的螺母上或采用相应侧所述竖向移动机构的螺母，所述纵向移动机构主要由齿轮和与所述齿轮配套的齿条组成，所述齿条固定设置在所述横向移动机构的螺母上或采用所述横向移动机构的螺母，所述齿条上设有齿的面朝上，所述齿轮位于所述齿条上方，与所述齿条啮合，所述齿轮通过齿轮轴安装在移动架上，所述移动架上设置有用于带动齿轮转动的纵向驱动电机。
5.优选地，所述移动架包括左侧板和右侧板，所述齿条位于所述左侧板和右侧板之间，所述左侧板和右侧板之间连接有滚轮轴，所述齿轮轴位于所述齿条的上方，其左右两侧分别旋转连接在所述左侧板和右侧板的上部，所述滚轮轴位于所述齿条的下方，其左右两侧分别固定连接在所述左侧板和右侧板的下部。
6.优选地，所述齿条的底面上设有纵向延伸的导向槽，所述轮轴上旋转连接有滚轮，所述滚轮的顶部位于所述导向槽内。
7.优选地，所述纵向驱动电机安装在所述左侧板上或所述右侧板上，所述右侧板上或所述左侧板上安装有重物，通过重物实现移动架的受力平衡。
8.优选地，所述竖向移动机构设置在立体机架上，所述立体机架包括底座和固定安装在所述底座上的框架，所述框架包括分别位于左右两侧的两个侧架，所述侧架设有纵梁和分别支撑在所述纵梁的前后两端的两个立杆，所述立杆的上下两端分别固定连接相应的所述纵梁和所述底座，所述竖向移动机构的丝杠的上部和下部分别旋转连接在相应侧的所述纵梁上和所述底座上。
9.优选地，所述竖向移动机构的螺母呈纵向延伸的长条形，其纵向中央设有用于与
相应丝杠螺纹配合的螺孔，所述竖向移动机构的导向机构包括前后两个竖向导向柱，所述竖向导向柱的上下两端分别固定连接在相应侧的纵梁上和底座上，所述竖向移动机构的螺母上设有前后两个竖向导向孔，所述竖向导向孔分别套设在相应侧的竖向导向柱上，与相应竖向导向柱滑动配合。
10.优选地，所述横向移动机构的基座呈纵向延伸的长条形，数量为两个，分别位于左右两侧，连接在相应侧的竖向移动机构的螺母上。
11.优选地，所述横向移动机构的螺母呈纵向延伸的长条形，其纵向中央设有用于与相应丝杠螺纹配合的螺孔，所述横向移动机构的导向机构包括前后两个横向导向柱，所述横向导向柱的左右两端分别固定连接在相应侧的基座上，所述横向移动机构的螺母上设有前后两个横向导向孔，所述横向导向孔分别套设在相应侧的横向导向柱上，与相应横向导向柱滑动配合。
12.三维雕刻机，设有雕刻头和运动装置，所述运动装置采用本实用新型公开的任一种所述的三维运动机构，所述雕刻头安装在所述纵向移动机构的移动架上。
13.优选地，所述雕刻头为激光雕刻头。
14.本实用新型的有益效果是：由于纵向移动机构采用特制的齿轮齿条机构，以齿条为固定件，且与其啮合的齿轮位于上方，在任何位置都能够依靠重量自动对中或者说处于相应的最稳定状态（重力势能最小状态），不依赖于运动方向的影响，因此基本上不存在因纵向换向导致的纵向位置的系统控制误差（可称为往复运动误差）。而在雕刻机的应用场景下，横向上只需单向移动，竖向上同样由于重力作用使得竖向移动机构处于重力势能最小的状态，因此，采用这种三维运动机构的雕刻机可以有效地避免和消除传动机构的往复运动误差，提高雕刻头的位置控制精度特别是往复运动中位置的一致性，进而提高雕刻质量。同时，相对于丝杠螺母机构必须设置体积较大的导向机构而言，所用纵向移动机构主要依靠齿轮和齿条的啮合实现定向运动，有利于减小体积，简化构造，特别是在采用斜齿圆柱齿轮或由多个齿交错分布的直齿圆柱齿轮相邻连接的组合式直齿圆柱齿轮及相应的齿条时，通过斜齿或交错分布的直齿能够有效地减小或消除因齿槽配合带来的微小的位置偏移，也可以通过提高齿密度减小位置偏移的幅度，由此进一步保证了位置的控制精度。
附图说明
15.图1是本实用新型涉及的雕刻机的示意图；
16.图2是本实用新型涉及的纵向移动机构的示意图（斜上方投影）；
17.图3是本实用新型涉及的纵向移动机构在另一个方向上的示意图（斜下方投影）；
18.图4是对应于图3的a局部放大图；
19.图5是本实用新型涉及的组合式齿条的齿分布示意图。
具体实施方式
20.参见图1-5，本实用新型提供的三维运动机构包括竖向移动机构、横向移动机构和纵向移动机构，通过这三个相互垂直的方向上的直线移动，形成三维运动。所述竖向移动机构和所述横向移动机构均采用丝杠螺母机构，所述丝杠螺母机构可以采用现有运动机构所用的丝杠螺母机构，主要由丝杠11、21和与所述丝杆螺纹配合的螺母12、22组成，通过将丝
杠的两端旋转连接（例如，通过轴承连接）在适宜的固定构件上，限定丝杠只能相对固定构件旋转，通过直线导向机构限定螺母不得旋转，当丝杠旋转时，螺母将在导向机构的限定下沿丝杠的延伸方向（轴线方向）直线移动。
21.所述螺母的外形和尺寸可以依据实际需要设定。例如，可以制成长条形的，在其长度方向的中央设置与所述丝杠配合的螺孔，在螺孔的两侧等间距的位置设置与相应导向柱14、24配合的光孔，导向柱的延伸方向与丝杠的延伸方向相同（轴线为平行线），通过光孔和导向柱的配合，限定螺母的移动为直线移动。
22.各导向柱与丝杠可以位于同一水平面上，也可以不位于同一水平面上。
23.所述竖向移动机构为左右两个，以实现对横向移动机构的平衡支承，两竖向移动机构同步移动，带到横向移动机构上升或下降。
24.两所述竖向移动机构的螺母上均可以设有竖直朝下的激光测距仪，其下方对应于底座51的测距平面（适应于相应激光测距的小平面区域），两测距平面的高度一致，在工作过程中，可以通过两竖向移动机构的所述激光测距仪的输出（与测距平面之间的距离测量值）的对比，判断两竖向移动机构的所在高度和移动速度是否一致，进而通过相应的控制装置控制使两竖向移动机构保持高度和速度的一致。
25.所述横向移动机构的左右基座26分别固定连接在相应侧所述竖向移动机构的螺母12上或采用相应侧所述竖向移动机构的螺母（即以所述竖向移动机构的螺母为其基座），由此，当两竖向移动机构的螺母同步移动时，通过横向移动机构的左右基座带动横向移动机构整体移动。
26.所述纵向运动机构主要由齿轮36和与所述齿轮配套的齿条31组成，所述齿条固定设置在所述横向移动机构的螺母22上或采用所述横向移动机构的螺母（即以所述横向移动机构的螺母为其齿条，在此情形下，所述横向移动机构的螺母上设有齿条的齿），所述齿条上设有齿32的面朝上，所述齿轮位于所述齿条上方，与所述齿条啮合，所述齿轮通过齿轮轴37安装在移动架上。
27.所述齿条的前部和后部可以分别设有接近开关，当移动架接近或接触相应的接近开关时，接近开关通过开关状态变化产生相应的信号，以便通过控制装置停止在相应方向上的移动。
28.所述齿条和所述横向移动机构的螺母均可以采用横截面为矩形的杆状，所述齿条可以位于所述横向连接机构的螺母的下方，其两端通过相应侧的竖向连接杆连接在所述横向移动机构的螺母的相应段，形成口字形的一体结构，由此使得齿条随相应螺母一同移动，且两者之间留有安装齿轮和移动架的空间，保证齿轮和移动架的运动不受妨碍。
29.所述移动架上设置有用于带动齿轮（齿轮轴）转动的纵向驱动电机38，所述纵向驱动电机可以采用任意适宜的形式，通常可以为设有减速器的减速电机，其输出轴伸通过联轴器或齿轮传动机构等适宜方式连接所述齿轮轴。
30.其他驱动电机与其所驱动的件（例如，丝杠）也可以采用相同或相同的连接方式。
31.所述齿轮和齿条优选采用斜齿圆柱齿轮和相应的斜齿齿条，或者采用由多个（例如2个或3个）直齿圆柱齿轮和相应的多个直齿齿条组成的组合式齿轮和组合式齿条，各直齿齿条分别与各自对应的直齿圆柱齿轮配套，相啮合。各直齿圆柱齿轮的规格相同，同轴相邻（包括无间隙的相连和有间隙的邻接）连接为一体结构，不同直线齿轮上的齿在周向上等
角距离相间分布（或称交错分布），相应地，不同直线齿条上的齿在齿条延伸方向上等间距相间分布（参见图5）。
32.所述移动架包括左侧板42和右侧板43，所述齿条位于所述左侧板和右侧板之间，所述左侧板和右侧板之间连接有滚轮轴45，所述齿轮轴位于所述齿条的上方，其左右两侧分别旋转连接在所述左侧板和右侧板的上部，所述滚轮轴位于所述齿条的下方，其左右两侧分别固定连接在所述左侧板和右侧板的下部。
33.所述齿条的底面上设有纵向延伸的导向槽34，所述轮轴上旋转连接有滚轮46，所述滚轮的顶部位于所述导向槽内。
34.所述齿轮和所述滚轮分别从所述齿条的上下方将所述齿条夹持在中间，通过适宜的尺寸配合，控制夹紧程度，使得在保证移动架能够顺利移动的同时保证移动架在齿条上的稳定。
35.所述导向槽优选为倒梯形槽，底口宽度大于其内部宽度，其侧壁为斜面（与竖立面之间有一不为零的夹角的面），相应地，所述滚轮优选为铁饼状轮，从中央至边缘的厚度逐渐减小，侧面的主体部分呈锥形，从中央向外的两侧面之间的夹角略小于导向槽两侧壁之间的夹角，以利于提高稳定性。
36.所述纵向驱动电机安装在所述左侧板上或所述右侧板上，所述右侧板上或所述左侧板上安装有重物（例如，雕刻头70和/或配重等），通过重物实现移动架的受力平衡（稳定状态下，齿条不受移动架的扭矩，或者说无需向移动架施加扭矩）。
37.所述竖向移动机构设置在立体机架上。
38.所述立体机架可以包括底座51和固定安装在底座上的框架。
39.所述框架可以包括分别位于左右两侧的两个侧架，所述侧架设有纵梁54、55和分别支撑在所述纵梁的前后两端的两个立杆53、52，所述立杆的上下两端分别固定连接相应的所述纵梁和所述底座，所述竖向移动机构的丝杠的上部和下部分别旋转连接在相应侧的所述纵梁上和所述底座上。
40.两侧纵梁的前端之间可以固定连接有前横梁56，两侧纵梁的后端之间可以连接有后横梁57，由此形成三维连接的整体框架。
41.所述竖向移动机构的螺母12呈纵向延伸的长条形，其纵向中央设有用于与相应丝杠11螺纹配合的螺孔，所述竖向移动机构的导向机构包括前后两个竖向导向柱14，所述竖向导向柱的上下两端分别固定连接在相应侧的纵梁上和底座上，所述竖向移动机构的螺母上设有前后两个竖向导向孔，所述竖向导向孔分别套设在相应侧的竖向导向柱上，与相应竖向导向柱滑动配合（允许两者相对直线滑动的配合方式配合）。
42.所述竖向移动机构设有用于驱动其丝杠旋转的竖向驱动电机18。
43.所述竖向驱动电机可以安装在底座下面，以方便与相应丝杠的驱动连接且有利于固定和隐蔽。所述竖向驱动电机也可以安装在相应侧的纵梁上面或其他任意适宜的位置。
44.所述横向移动机构的基座26呈纵向延伸的长条形，数量为两个，分别位于左右两侧，连接在相应侧的竖向移动机构的螺母上。
45.所述横向移动机构的螺母22呈纵向延伸的长条形，其纵向中央设有用于与相应丝杠21螺纹配合的螺孔，所述横向移动机构的导向机构包括前后两个横向导向柱24，所述横向导向柱的左右两端分别固定连接在相应侧的基座上，所述横向移动机构的螺母上设有前
后两个横向导向孔，所述横向导向孔分别套设在相应侧的横向导向柱上，与相应横向导向柱滑动配合（允许两者相对直线滑动的配合方式配合）。
46.所述横向移动机构设有用于驱动其丝杠旋转的横向驱动电机。
47.所述横向驱动电机可以安装在任一侧基座的轴向外侧，以方便与相应丝杠的驱动连接。所述横向驱动电机也可以安装其他任意适宜的位置。
48.用于安装所述横向驱动电机的基座与相应侧竖向移动机构的螺母之间留有用于设置所述横向驱动电机的间隙。
49.三维雕刻机设有雕刻头70和运动装置，所述运动装置采用本实用新型公开的任一种所述的三维运动机构，所述雕刻头安装在所述纵向移动机构的移动架上。
50.所述雕刻头通常可以为激光雕刻头。
51.所述移动架的一侧可以设有雕刻头安装板。例如，当所述移动架设有左侧板和右侧板时，可以以所述左侧板或右侧板作为雕刻头安装板，所述雕刻头通过旋转云台（可任意方向旋转的支架）安装在所述雕刻头安装板上，可以通过旋转云台调整雕刻头的朝向（姿态）。所述旋转云台可以采用任意适宜的现有技术。
52.本实用新型公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。