基于Delta机构的并联装置及采用其的3D打印机的制作方法

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及基于Delta机构的并联装置及采用其的3D打印机。

背景技术：

目前3D打印机大多采用串联开链式结构，该结构末端执行器由一根驱动杆件支撑，末端执行器上的误差是各个关节的累积误差，所以精度比较低，实用性上受到限制。由于传统串联机构具有承载能力弱、传动效率低、末端执行器精度低的缺陷，从20世纪后期开始，逐渐有学者专家提出并联机构的概念。与串联机构相比，并联机构承载能力高、刚度大,而且性能上更加稳定; 并联机构没有串联机构误差的积累和放大,各部件误差形成平均值,所以精度比较高。例如三平移自由度并联机构即Delta机构，虽然并联机构在很大程度上优于串联机构，但由于受到输入空间、平台和基座的形状和大小、平台和基座及其杆件在空间的相互干涉、奇异位置等的约束，导致其工作空间相对较小。

为了解决采用并联结构的3D打印机工作空间较小的缺点，有人设计出将两种运动链相结合以增大工作空间的方法。申请号为201410371262.9、名称为“一种可精密三维移动的Delta结构并联机械手”的专利提出了将基于3-PUU运动链的结构与Delta并联机构相结合的方法，一定程度上增大了该机构的工作空间，但是该发明在Delta并联机构部分设计的较为复杂，传动模块使用了传动四杆机构，增加了控制系统的设计难度，并且后期维护也变得麻烦；在另一级运动链采用了滑块-双导轨结构，需要继续设计驱动模块，该发明未对其进行设计，大大增加了工作量。

申请号为201410801070.7、名称为“一种基于Delta并联机械结构的3D打印机”的专利中，通过皮带运动来控制滑车运动，带传动属于挠性传动部件，具有一定的蠕变性，通常带传动的效率低，带的寿命较短，工作时无法避免会出现弹性滑动，不能保证准确的传动比，并且带传动易发生打滑现象，打滑时将不能正常工作，使传动失效。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处，在现有技术的基础上，增大3D打印机工作空间的同时，降低了打印机机械结构的复杂程度，设计了一种结构简单、精度较高、效率较高、基于Delta并联机构的3D打印机。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

基于Delta机构的并联装置，包括一级运动机构1、二级运动机构2、承载主平台3、支撑平台4和末端执行平台5。其中，

通过一级运动机构1将承载主平台3与支撑平台4活动连接在一起，承载主平台3位于支撑平台4的上方。由一级运动机构1令承载主平台3相对于支撑平台4竖直升降。

通过二级运动机构2将末端执行平台5与承载主平台3活动连接在一起，末端执行平台5位于承载主平台3与支撑平台4之间的区域。由二级运动机构2令末端执行平台5相对于支撑平台4竖直升降或/和水平移动。

采用基于Delta机构的并联装置的3D打印机，包括监测模块、控制模块和送料模块。送料模块安装在承载主平台3下侧中间位置，监测模块与控制模块相连接，控制模块分别与一级运动机构1、二级运动机构2相连接。

监测模块包括倾角传感器、红外测距传感器、温度传感器和光电编码器。其中，倾角传感器安装在承载主平台3底部的，采集承载主平台3相对于水平面的角度信息。红外测距传感器安装在末端执行平台207与支撑平台4上，采集末端执行平台在空间中的位置信息。温度传感器安装在打印喷头208上，采集打印喷头的温度信息。光电编码器安装在各个电机尾部，采集各个电机输出轴的几何机械量。监测模块将采集到的信息传递到控制模块，控制模块根据传递过来的数据控制各个电机的工作。

控制模块包括电机驱动器和运动控制板卡，运动控制板卡接收监测模块传来的信息，将信息中所包含的数据实时处理成控制指令，并将控制指令实时发送给各个电机驱动器，从而控制与电机驱动器相连的各个电机的运行。电机驱动器与为机械执行模块提供动力的各个电机相连接。

换一个角度，对本申请的结构描述如下：

基于Delta机构的并联3D打印机，包括两级运动机构，其中，一级运动机构1基于3-PSS运动链结构，二级运动机构2为基于3-RSS运动链的Delta并联机构。两级运动机构通过主平台连接在一起。其中，所述的Delta型并联机构装载于主平台上，并由主平台上的伺服电机驱动，主平台下方安装3D打印机的送料机构。所述主平台由基于3-PSS运动链结构的主平台支架支撑，故打印喷头具有三个自由度，可以上下以及在水平面内移动。一级运动机构1主要实现承载主平台的水平升降运动，二级运动机构2实现打印喷头在空间范围内的移动，两级运动机构互相独立并且不同时工作。

所述一级运动机构1包括直线滑台含驱动电机，支撑臂，支撑板，杆端关节轴承，底部支撑平台。所述直线滑台有三个呈三角形分布，安装在主平台下方，并经过底部支撑平台固定，直线滑台为滚珠丝杆型。所述支撑板有三块固定安装在主平台上，与三个直线滑台一一对应。所述三个直线滑台配套有三组支撑臂，一个直线滑台对应一组支撑臂，每组支撑臂的一端通过第三杆端关节轴承与相应直线滑台上的滑块相连接，另一端通过第四杆端关节轴承与相应支撑板相连接。一级运动机构1采用模块化设计，若当前工作空间较小，可根据所需打印零件的尺寸选择直线滑台行程更长的一级运动机构1，方可达到目的。一级运动机构1主要目的是驱动承载主平台水平升降运动，通过同步控制直线滑台的驱动电机实现。

所述二级运动机构2包括可拆卸的末端执行器以及用于带动该元件移动的Delta并联机械臂，其中，每组机械臂均包括上臂，下臂，杆端关节轴承。所述上臂一端通过联轴器与伺服电机输出轴相连接，所述上臂另一端通过第一杆端关节轴承与下臂的一端连接，下臂的另一端通过第二杆端关节轴承与末端执行器即打印喷头相连接。打印喷头采用模块化设计，根据打印精度要求可更换不同的打印喷头。二级运动机构2负责驱动打印喷头在XYZ方向上移动。

所述承载主平台上安装有3个伺服电机以及控制系统部件，伺服电机的数量与Delta并联机构的机械臂的数量一致，一个伺服电机驱动一组机械臂，且每个伺服电机均通过联轴器连接到上臂的一端。由于上臂工作需要一定空间，故在承载主平台上开有3个U型槽，可视具体情况增大U型槽，并在一定程度上起到减载的作用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明同时基于3-RSS和3-PSS运动链结构，利用该结构的空间三维运动特性，使末端执行器具有空间三个平动自由度的同时也具有较大的工作空间，改进了Delta并联机构运动空间狭窄的缺点，并且承载能力高、刚度大,而且性能上更加稳定

2、本发明使用了滚珠丝杆型直线滑台，具有很小的摩擦阻力，大大提高了直线滑台的工作效率，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。可根据所需运动精度，最大行程等参数选择直线滑台型号，减少了工作量，便于实现模块化设计。

3、本发明在现有技术的基础上对结构进行简化，从电机输出轴通过联轴器直接驱动Delta并联机构的上臂，取消了中间的传动四杆机构，一级运动机构1虽有三个自由度，但主要控制承载主平台的水平升降运动，在实现相同功能的基础上，简化了控制系统，结构更加轻巧，后期维护更加方便。

4、打印喷头采用模块化设计，可以实现不同精度的打印要求。

附图说明

图1为本发明所述并联3D打印机的轴视图。

图2为图1中一级运动机构1示意图。

图3为图1中二级运动机构2示意图。

图4为本发明所述并联3D打印机的送料机构局部剖视图。

图中，一级运动机构1、二级运动机构2、承载主平台3、支撑平台4、直线滑台101、第四杆端关节轴承102、支撑臂103、第三杆端关节轴承104、支撑板105、伺服电机201、联轴器202、上臂203、下臂204、第一杆端关节轴承205、第二杆端关节轴承206、末端执行平台207、打印喷头208、送料齿轮501、步进电机输出轴502、U型槽轴承503、送料机构支撑板504、打印条料505、被打印物体6。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明作进一步说明。

参见图1、2和3，基于Delta机构的并联装置：包括一级运动机构1、二级运动机构2、承载主平台3、支撑平台4和末端执行平台5。其中，

通过一级运动机构1将承载主平台3与支撑平台4活动连接在一起，承载主平台3位于支撑平台4的上方。由一级运动机构1令承载主平台3相对于支撑平台4竖直升降。

通过二级运动机构2将末端执行平台5与载主平台3活动连接在一起，末端执行平台5位于承载主平台3与支撑平台4之间的区域。由二级运动机构2令末端执行平台5相对于支撑平台4竖直升降或/和水平移动。

进一步说，一级运动机构1为3-RSS（PSS：Prismatic pair, Spherical pair, Spherical pair,即移动副、球面副、球面副。3-PSS表示该运动链有3个关节，且运动形式分别为移动副、球面副、球面副）运动链结构。二级运动机构2为3-RSS（RSS：Rotary pair, Spherical pair, Spherical pair。3-RSS表示该运动链有3个关节，且运动形式分别为转动副、球面副、球面副）运动链结构。

一级运动机构1与二级运动机构2不同时运行，即当一级运动机构1驱动承载主平台3相对于支撑平台4做竖直升降时，二级运动机构2不运行。

当二级运动机构2驱动末端执行平台5相对于支撑平台4做竖直升降或/和水平移动时，一级运动机构1不运行。

参见图1、2和3，进一步说，在承载主平台3与支撑平台4之间，设有3套一级运动机构1。3套一级运动机构1之间为品字形分布。

在承载主平台3与末端执行平台5之间，设有3套二级运动机构2。3套二级运动机构2之间为品字形分布。

与承载主平台3相连接的一级运动机构1、二级运动机构2为交错排布。

参见图1和2，进一步说，设有3套一级运动机构1。3套一级运动机构1共同构成PSS运动链结构。

每套一级运动机构1均包括直线滑台101、支撑臂103、支撑板105和2个杆端关节轴承102、104。

直线滑台101含有滑块和驱动电机。通过直线滑台101内的驱动电机带动对应的滑块前后移动。

通过第三杆端关节轴承104将支撑臂103的顶部与支撑板105相连，支撑板105与承载主平台3相连接。

通过第四杆端关节轴承102将支撑臂103的底部与直线滑台101内的滑块相连，直线滑台101与支撑平台4相连接。

当驱动电机运转时，与滑块相连的直线滑台101带动支撑臂103共同做上升或下降的动作，进而带动承载主平台3相对支撑平台4上升或下降动作。

进一步说，3套一级运动机构1呈三角形分布，一级运动机构1的顶端与承载主平台3的底面活动连接，一级运动机构1的底端与支撑平台4固定连接。

参见图1和2，进一步说，直线滑台101为滚珠丝杆型。

3块支撑板105固定安装在承载主平台3上，与三个直线滑台101一一对应。3个直线滑台101配套有3组支撑臂103，即一个直线滑台对应一组支撑臂，每组支撑臂103的一端通过第四杆端关节轴承102与相应直线滑台101上的滑块相连接，另一端通过第三杆端关节轴承104与支撑板105相连接。

根据所需打印零件的尺寸选择直线滑台101的行程，从而解决工作空间较小的问题。即通过同步控制直线滑台101内的驱动电机，实现由一级运动机构1驱动承载主平台3竖直升降运动。

参见图1和3，进一步说，设有3套二级运动机构2。 3套二级运动机构2共同构成Delta并联机械臂。

每套二级运动机构2均包括伺服电机201、联轴器202、上臂203、下臂204和2个杆端关节轴承205、206。

通过第一杆端关节轴承205将上臂203的底端与下臂204的顶端活动连接。

通过联轴器202将上臂203的顶端与伺服电机201输出轴相连接。

通过第二杆端关节轴承206将下臂204的底端与末端执行平台207可拆卸地连接在一起。

3个伺服电机201分别提供驱动力，再经与伺服电机201相连的联轴器202、上臂203和下臂204将驱动力传递至末端执行平台5，令末端执行平台5水平或/和竖直方向运动。

参见图1和3，进一步说，在末端执行平台207的底部可拆卸地安装有末端执行器，如图4所示。所述末端执行器为打印喷头208。通过3个二级运动机构2共同驱动与末端执行平台207相连的打印喷头208在XYZ方向上移动。

进一步说，打印喷头采用模块化设计，根据打印精度要求可更换不同的打印喷头。

参见图1和3，进一步说，在承载主平台3的边缘设有3个U型槽，每个U型槽与一个二级运动机构2相对应。通过U型槽，一方面向二级运动机构2提供工作/运动空间，另一方面起到减载的作用。

进一步说，在承载主平台3上安装有3个伺服电机201以及控制系统部件，控制系统部件与3个伺服电机201相连接。伺服电机201的数量与Delta并联机构的机械臂的数量一致，一个伺服电机201驱动一组机械臂，且每个伺服电机201均通过联轴器202连接到上臂203的一端。由于上臂203工作需要一定空间，故在承载主平台3上开有3个U型槽， U型槽还起到减载的作用。

参见图1、2和3，进一步说，发明的典型实施方案是：

在承载主平台3与支撑平台4之间，设有3套一级运动机构1。3套一级运动机构1之间为品字形分布。3套一级运动机构1共同构成PUU运动链结构。其中，每套一级运动机构1均包括直线滑台101、支撑臂103、支撑板105、第三杆端关节轴承104和第四杆端关节轴承102。

直线滑台101含有滑块和驱动电机。通过直线滑台101内的驱动电机带动对应的滑块前后移动。

通过第三杆端关节轴承104将支撑臂103的顶部与支撑板105相连，支撑板105与承载主平台3相连接。

通过第四杆端关节轴承102将支撑臂103的底部与直线滑台101内的滑块相连，直线滑台101与支撑平台4相连接。

当驱动电机运转时，与滑块相连的直线滑台101带动支撑臂103共同做上升或下降的动作，进而带动承载主平台3相对支撑平台4上升或下降动作。

在承载主平台3与末端执行平台5之间，设有3套二级运动机构2。3套二级运动机构2之间为品字形分布。3套二级运动机构2共同构成Delta并联机械臂。其中，每套二级运动机构2均包括伺服电机201、联轴器202、上臂203、下臂204、第一杆端关节轴承205和第二杆端关节轴承206。

通过第一杆端关节轴承205将上臂203的底端与下臂204的顶端活动连接。

通过联轴器202将上臂203的顶端与伺服电机201输出轴相连接。

通过第二杆端关节轴承206将下臂204的底端与末端执行平台5可拆卸地连接在一起。3个伺服电机201分别提供驱动力，再经与伺服电机201相连的联轴器202、上臂203和下臂204将驱动力传递至末端执行平台5，令末端执行平台5水平或/和竖直方向运动。

在承载主平台3的边缘设有3个U型槽，每个U型槽与一个二级运动机构2相对应。通过U型槽，一方面向上臂203提供工作/运动空间，另一方面起到减载的作用。

承载主平台3和支撑平台4均为六边形的平板。

当一级运动机构1驱动承载主平台3相对于支撑平台4做竖直升降时，二级运动机构2不运行。当二级运动机构2驱动末端执行平台5相对于支撑平台4做竖直升降或/和水平移动时，一级运动机构1不运行。

采用本发明所述基于Delta机构的并联装置的3D打印机，包括监测模块、控制模块和送料模块。送料模块安装在承载主平台3下侧中间位置，监测模块与控制模块相连接，控制模块分别与一级运动机构1、二级运动机构2相连接。

控制模块包括电机驱动器和运动控制板卡，运动控制板卡接收监测模块传来的信息，将信息中所包含的数据实时处理成控制指令，并将控制指令实时发送给各个电机驱动器，从而控制与电机驱动器相连的各个电机的运行。

监测模块包括倾角传感器、红外测距传感器、温度传感器和光电编码器。其中，倾角传感器安装在承载主平台3的底部，采集承载主平台3相对于水平面的角度信息。红外测距传感器安装在末端执行平台207与支撑平台4上，采集末端执行平台在空间中的位置信息。温度传感器安装在打印喷头208上，采集打印喷头的温度信息。光电编码器安装在各个电机尾部，采集各个电机输出轴的几何机械量。监测模块将采集到的信息传递到控制模块，控制模块根据传递过来的数据控制各个电机的工作。

如图1到图4所示，本实例所述的基于Delta机构的并联3D打印机的机械结构，包括基于3-PUU运动链结构的一级运动机构1，基于3-RUU运动链的Delta并联结构的二级运动机构2，两级机构通过承载主平台连接在一起。所述的Delta型并联机构装载于承载主平台3上，并由主平台上的高精度伺服电机201驱动，送料机构501、502、503安装在承载主平台下方。所述主平台由基于3-PUU运动链结构的主平台支撑臂103支撑，故使得打印喷头207具有三个自由度，可以上下以及在水平面内移动，并且两级运动相结合使得末端执行器的运动范围大大增加，改进了Delta机构运动空间狭窄的缺点，并且并联机构承载能力高、刚度大,而且性能上更加稳定。一级运动机构1中，三组完全相同的运动支链，均包括直线滑台101、第四杆端关节轴承102、支撑臂103、第三杆端关节轴承104、支撑板105，三组支链呈三角形分布，通过底部支撑平台固定，大大提高了整个系统的稳定性。二级运动机构2中，主体部分为Delta并联机构，含有三组完全相同的运动支链，均包括伺服电机201、联轴器202、上臂203、下臂204、第一杆端关节轴承205、第二杆端关节轴承206，三组运动支链共同驱动打印喷头工作。两级运动机构通过承载主平台连接，承载主平台上开有三个U型槽，用以放置Delta机构的上臂，可视具体情况增大U型槽，一定程度上起到减载的作用，减少执行元件的惯性，节省材料，提升系统的稳定性。承载主平台中间开有小孔，是打印条料进入送料机构的通道。送料机构501、502、503整个装置固定在主平台下方，驱动方式选择步进电机，电机输出轴上安装送料齿轮501，在这个机构中，主动轮是送料齿轮501，负责给条料的进给提供动力，U型槽轴承503起定位导向的作用。轴承与齿轮之间的距离要略小于条料的直径，条料在进给的过程中会受到来自两侧的压力，从而产生摩擦力，促使条料按特定的方向平稳运动。

工作原理：一级运动机构1与二级运动机构2互相独立且不同时工作，一级运动机构1主要实现承载主平台3的水平升降运动，通过同步控制每组运动链中直线滑台101配套的驱动电机，在对应电机的驱动下，滑台将沿着丝杆直线移动，带动支撑臂103移动，从而实现主平台3的升降运动。由于误差的存在，承载主平台3可能会倾斜一定角度，杆端关节轴承102、104的存在消除了卡死的可能性，监测模块设置的倾角传感器实时监测承载主平台的倾斜角度，并将监测结果反馈到控制系统，若承载主平台倾斜角度超过设置范围，控制系统将控制相应运动支链的驱动电机，以保持承载主平台3维持水平的状态。监测模块的倾角传感器实时监测承载主平台的倾斜角度，根据所要打印零件的尺寸调整好承载主平台的位置后，一级运动机构1将停止工作，此时，二级运动机构2开始工作，控制系统通过控制每组运动支链的伺服电机201，对每个电机输入不同的控制量，通过联轴器202驱动Delta机构的上臂203与下臂204的移动，三组运动支链共同驱动打印喷头在空间范围内移动。

在采用以上方案后，通过两级运动的配合，实现了打印喷头207的三个自由度，一级运动机构1实现大范围的运动，二级运动机构2实现小范围的精确运动，从而增大了打印喷头207的工作空间。本发明相对于现有技术，具有相同的功能，但结构上更加简洁，节省成本，更容易实现对其精确控制，简化控制系统，具有较高的精度和稳定性，实用性较高。