3T2R五自由度回转式3D打印机的制作方法

本发明涉及的是一种3d打印领域的技术，具体是一种3t2r五自由度回转式3d打印机。

背景技术：

目前，3d打印机大多基于直角坐标系。对于回转类零件以及切片轮廓具有曲线特征零件的快速制造，打印机采用x、y轴的联动，拟合实现打印平面上的曲线绘制，在成型原理上存在一定误差。尤其在打印回转类零件以及切片轮廓具有曲线特征零件时，打印速度较慢，表面精度取决于算法的轮廓拟合精度。

叠层制造在成型原理上，存在着阶梯效应引起的误差，该误差在打印竖直方向的曲面时尤为明显。现有大部分打印机通过提高打印精度，采用多轴联动的方式实现曲面成型，或者对零件采取一定的后处理来降低阶梯效应对成型精度的影响，但无法完全消除阶梯效应。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种3t2r五自由度回转式3d打印机，能够从根本上消除现有直角坐标系打印二维平面曲线以及空间曲线时存在的拟合误差，提高打印效率和质量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种3t2r五自由度回转式3d打印机，包括：打印头、3-prs并联机构以及同轴设置的第一机架、圆柱面机架和打印平台，其中：圆柱面机架表面设有若干3-prs并联机构，打印头与3-prs并联机构固定连接，圆柱面机架与第一机架上下设置且两者之间采用圆柱副、转动副、移动副或固定连接，打印平台设置在圆柱面机架内，相应的打印平台与第一机架之间则采用固定连接、移动副、转动副或圆柱副连接，圆柱副连接与固定连接对应，转动副连接与移动副连接对应。

所述的3-prs并联机构包括：静平台、支撑板、动平台以及设有球头、连杆、滑轨和滑块的单支链结构，其中：动平台和静平台之间通过3个单支链机构相连，动平台外侧与打印头固定连接，动平台内侧设有三个球铰支座，各球铰支座分别与单支链结构的球头相连，连杆一端与球头固定连接、另一端与滑块铰接，滑块与滑轨滑动连接，滑轨末端与支撑板固定连接，支撑板与静平台通过移动副连接、运动方向与打印平台轴线方向相同。

优选地，所述3-prs并联机构的3个滑轨均垂直于支撑板，其中两个滑轨平行设置，另一个滑轨与其余两个垂直。

优选地，所述的圆柱面机架在周向开设有若干圆弧面缺口，与各3-prs并联机构的静平台通过移动副连接。

本发明涉及一种3t2r五自由度回转式3d打印机，包括：打印头、3-prs并联机构以及同轴设置的第一机架、内侧筒体和打印平台，其中：打印头与3-prs并联机构固定连接，3-prs并联机构均布在内侧筒体上，内侧筒体与第一机架采用圆柱副、转动副、移动副或固定连接，相应的打印平台与第一机架之间则采用固定连接、移动副、转动副或圆柱副连接，圆柱副连接与固定连接对应，转动副连接与移动副连接对应。

优选地，所述的第一机架上对应内侧筒体设有同轴的外侧筒体，所述的外侧筒体上对应内侧筒体在周向开设有若干圆弧面缺口，所述的圆弧面缺口对应设有3-prs并联机构、两者通过移动副连接，所述的3-prs并联机构的动平台上固定有打印头。

所述的外侧筒体与第一机架的连接方式与内侧筒体与第一机架的连接方式相同。

优选地，所述的内侧筒体为上下轴肩等间距分布的柱体，所述的两轴肩之间设置有若干3-prs并联机构。

优选地，所述的内侧筒体为三棱柱，所述的三棱柱中各棱面通过移动副与3-prs并联机构连接，运动方向与打印平台轴线方向垂直。

所述的打印头相对于打印平台的3t相对运动分别为：径向移动t^r、轴向移动t^a和沿着圆周切线方向的移动t^t，用[t^rt^at^t]表示；所述的打印头相对于搭载打印头的筒体相对运动分别为：绕打印头自身轴线的旋转r^s、绕打印头自身轴线相垂直的水平轴线的旋转r^h和绕竖直轴线方向的旋转r^v，用[r^sr^hr^v]表示，其中：r^s对于打印件成形无作用，取值0，不作考虑。故用2r表示打印头相对于搭载打印头的筒体的转动自由度。

技术效果

与现有技术相比，本发明基于柱面坐标，通过3-prs并联机构驱动打印头运动，可以采用多层多头或单层单头等打印头空间布置形式，适用于回转类零件、切片轮廓具有曲线特征的零件和具有空间曲面的零件的快速制造，能够消除现有直角坐标系打印水平面曲线轮廓时，x轴与y轴联动进行曲线拟合过程中出现的误差；本发明可根据打印件的成型需要，采取不同的驱动方式，提高了适用性和打印效率：叠层制造回转类零件时，同步驱动3-prs并联机构3支链上的3个移动副和打印平台；打印空间曲线时，差动控制3-prs并联机构3支链上的3个移动副，实现打印头的转动，并与打印平台联动，实现曲面打印。本发明可以进行xy平面填充、沿着z方向的叠层制造。也可以用于沿着回转式打印机径向切片的叠层制造，即打印头沿着竖直方向轮廓曲线进行上下打印，填充柱面切片，每打印完一层，打印机沿着径向移动一个层厚(由里向外或者由外向里或者两者相结合)，从而有效消除原有沿着z方向切片方式引起的大曲率表面存在的阶梯效应。本发明针可以对不同的打印件的结构、曲面特性，选取不同的结构布置方式，从而实现具有外侧空间曲面或者具有内侧空间曲面或者具有内、外侧空间曲面的零件的快速制造。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例2的结构示意图；

图3为实施例3的结构示意图；

图4为实施例4的结构示意图；

图5为实施例5的结构示意图；

图6为实施例6的结构示意图；

图7为实施例7的结构示意图；

图8为实施例8的结构示意图；

图9为实施例9的结构示意图；

图10为实施例10的结构示意图；

图11为实施例11的结构示意图；

图12为实施例12的结构示意图；

图13为本发明中3-prs并联机构的结构示意图；

图14为本发明中3-prs并联机构的单支链结构示意图；

图15为本发明中3-prs并联机构的支撑板示意图；

图中：圆柱面机架1、打印平台2、3-prs并联机构3、打印头4、静平台5、动平台6、滑轨7、滑块8、连杆9、球头10、支撑板11、内侧筒体12、外侧筒体13、第一机架14。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，下述实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下述实施例中，t^r、t^a和t^t的取值可以是c或p，其中：c表示自由度布置在搭载打印头的筒体上，p表示自由度布置在打印平台上；所述的打印头相对于搭载打印头的筒体相对运动分别为：绕打印头自身轴线的旋转r^s、绕打印头自身轴线相垂直的水平轴线的旋转r^h和绕竖直轴线方向的旋转r^v，其中：r^s对于打印件成形无作用，取值0，不作考虑，故用2r分别表示打印头相对于搭载打印头的筒体的转动自由度r^h，绕竖直轴线方向的旋转r^v。r^h和r^v均取值为h，h表示该自由度布置于打印头上。

下述实施例中i表示打印方式在径向上由里向外，ii表示打印方式在径向上由外向里，iii表示打印方式在径向上由外向里与由里向外相结合。

为实现打印头相对于打印平台具备空间任意位置和2r自由度，具体实施方式不局限于3-prs并联机构，可采用类似的具有1t2r末端自由度的机构。

实施例1

如图1所示，本实施例采用了两层四头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、圆柱面机架1和打印平台2，其中：圆柱面机架1表面阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为4个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，圆柱面机架1与第一机架14上下设置且两者之间采用圆柱副连接，打印平台2设置在圆柱面机架1内，相应的打印平台2与第一机架14固定连接。

如图13、14和15所示，所述的3-prs并联机构包括：静平台5、支撑板11、动平台6以及设有球头10、连杆9、滑轨7和滑块8的单支链结构，其中：动平台6和静平台5之间通过3个单支链机构相连，动平台6外侧与打印头4固定连接，动平台6内侧设有三个球铰支座，各球铰支座分别与单支链结构的球头10相连，连杆9一端与球头10固定连接、另一端与滑块8铰接，滑块8与滑轨7滑动连接，滑轨7末端与支撑板11固定连接，支撑板11与静平台5通过移动副连接、运动方向与打印平台轴线方向相同，实现3-prs并联机构3沿圆柱面机架1轴线的局部升降运动。

所述的3个单支链机构的滑轨7均垂直于支撑板11，其中两个滑轨7平行设置，滑轨中心处于同一直径上，另一个滑轨7与其余两个垂直，且三个滑轨到支撑板11中心的距离相等。

优选地，所述的圆柱面机架1在周向均布有上下两层共8个圆弧面缺口，所述的各圆弧面缺口与3-prs并联机构3的静平台5通过移动副连接，实现3-prs并联机构绕圆柱面机架1轴线的局部旋转运动。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3和圆柱面机架1的控制数据，以此来确保圆柱面机架1与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由里向外的打印。

实施例2

如图2所示，本实施例采用了两层四头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、圆柱面机架1和打印平台2，其中：圆柱面机架1表面阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为4个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，圆柱面机架1与第一机架14上下设置且两者之间采用转动副连接，打印平台2设置在圆柱面机架1内，相应的打印平台2与第一机架14采用移动副连接。

优选地，所述的圆柱面机架1在周向均布有上下两层共8个圆弧面缺口，所述的各圆弧面缺口与3-prs并联机构3的静平台5通过移动副连接，实现3-prs并联机构绕圆柱面机架1轴线的局部旋转运动。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3、打印平台2和圆柱面机架1的控制数据，以此来确保圆柱面机架1、打印平台2与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由里向外的打印。

实施例3

如图3所示，本实施例采用了两层四头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、圆柱面机架1和打印平台2，其中：圆柱面机架1表面阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为4个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，圆柱面机架1与第一机架14上下设置且两者之间固定连接，打印平台2设置在圆柱面机架1内，相应的打印平台2与第一机架14采用圆柱副连接。

优选地，所述的圆柱面机架1在周向均布有上下两层共8个圆弧面缺口，所述的各圆弧面缺口与3-prs并联机构3的静平台5通过移动副连接，实现3-prs并联机构绕圆柱面机架1轴线的局部旋转运动。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3和打印平台2的控制数据，以此来确保打印平台2与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由里向外的打印。

实施例4

如图4所示，本实施例采用了两层四头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、圆柱面机架1和打印平台2，其中：圆柱面机架1表面阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为4个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，圆柱面机架1与第一机架14上下设置且两者之间采用移动副连接，打印平台2设置在圆柱面机架1内，相应的打印平台2与第一机架14采用转动副连接。

优选地，所述的圆柱面机架1在周向均布有上下两层共8个圆弧面缺口，所述的各圆弧面缺口与3-prs并联机构3的静平台5通过移动副连接，实现3-prs并联机构绕圆柱面机架1轴线的局部旋转运动。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3、打印平台2和圆柱面机架1的控制数据，以此来确保圆柱面机架1、打印平台2与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由里向外的打印。

实施例5

如图5和图13所示，本实施例采用了两层三头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、内侧筒体12和打印平台2，其中：内侧筒体12表面阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为3个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，内侧筒体12与第一机架14之间采用圆柱副连接，打印平台2与第一机架14固定连接。

所述的内侧筒体12为上下轴肩等间距分布的圆柱体。

所述内侧筒体12在轴肩表面设有上下两层圆弧面缺口，所述的圆弧面缺口与3-prs并联机构3的静平台5通过移动副连接，实现3-prs并联机构绕内侧筒体12轴线的局部旋转运动，带动3-prs并联机构3以及打印头4绕中心轴线进行旋转。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3和内侧筒体12的控制数据，以此来确保内侧筒体12与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由外向里的打印。

实施例6

如图6所示，本实施例采用了两层三头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、内侧筒体12和打印平台2，其中：内侧筒体12表面阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为3个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，内侧筒体12与第一机架14之间采用移动副连接，打印平台2与第一机架14采用转动副连接。

所述的内侧筒体12为正三棱柱。

所述的3-prs并联机构3中，静平台5为平板结构，平板结构两侧均设有移动副，分别与支撑板11、内侧筒体12连接，实现3-prs并联机构3沿内侧筒体12轴线的局部升降运动与沿内侧筒体12表面的水平移动。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3、打印平台2和内侧筒体12的控制数据，以此来确保内侧筒体12、打印平台2与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由外向里的打印。

实施例7

如图7所示，本实施例采用了两层三头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、内侧筒体12和打印平台2，其中：内侧筒体12表面阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为3个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，内侧筒体12与第一机架14之间采用转动副连接，打印平台2与第一机架14采用移动副连接。

所述的内侧筒体12为上下轴肩等间距分布的圆柱体。

所述内侧筒体12在轴肩表面设有上下两层圆弧面缺口，所述的圆弧面缺口与3-prs并联机构3的静平台5通过移动副连接，实现3-prs并联机构绕内侧筒体12轴线的局部旋转运动，带动3-prs并联机构3以及打印头4绕中心轴线进行旋转。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3、打印平台2和内侧筒体12的控制数据，以此来确保内侧筒体12、打印平台2与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由外向里的打印。

实施例8

如图8所示，本实施例采用了两层三头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、内侧筒体12和打印平台2，其中：内侧筒体12表面阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为3个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，内侧筒体12与第一机架14之间固定连接，打印平台2与第一机架14采用圆柱副连接。

所述的内侧筒体12为上下轴肩等间距分布的圆柱体。

所述内侧筒体12在轴肩表面设有上下两层圆弧面缺口，所述的圆弧面缺口与3-prs并联机构3的静平台5通过移动副连接，实现3-prs并联机构绕内侧筒体12轴线的局部旋转运动，带动3-prs并联机构3以及打印头4绕中心轴线进行旋转。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3和打印平台2的控制数据，以此来确保打印平台2与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由外向里的打印。

实施例9

如图9所示，本实施例采用了两层三头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、外侧筒体13、内侧筒体12和打印平台2，其中：外侧筒体13和内侧筒体12表面均阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为3个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，外侧筒体13、内侧筒体12与第一机架14之间均采用圆柱副连接，打印平台2与第一机架14固定连接。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3、外侧筒体13和内侧筒体12的控制数据，以此来确保外侧筒体13、内侧筒体12与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由外向里与由里向外相结合的打印。

实施例10

如图10所示，本实施例采用了两层三头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、外侧筒体13、内侧筒体12和打印平台2，其中：外侧筒体13和内侧筒体12表面均阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为3个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，外侧筒体13、内侧筒体12与第一机架14之间均采用移动副连接，打印平台2与第一机架14之间采用转动副连接。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3、外侧筒体13、内侧筒体12和打印平台2的控制数据，以此来确保外侧筒体13、内侧筒体12、打印平台2与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由外向里与由里向外相结合的打印。

实施例11

如图11所示，本实施例采用了两层三头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、外侧筒体13、内侧筒体12和打印平台2，其中：外侧筒体13和内侧筒体12表面均阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为3个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，外侧筒体13、内侧筒体12与第一机架14之间均采用转动副连接，打印平台2与第一机架14之间采用移动副连接。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3、外侧筒体13、内侧筒体12和打印平台2的控制数据，以此来确保外侧筒体13、内侧筒体12、打印平台2与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由外向里与由里向外相结合的打印。

实施例12

如图12所示，本实施例采用了两层三头的打印头布置形式，包括：打印头4、3-prs并联机构3以及同轴设置的第一机架14、外侧筒体13、内侧筒体12和打印平台2，其中：外侧筒体13和内侧筒体12表面均阵列有两层3-prs并联机构3，每层数量均为3个，打印头4与3-prs并联机构3固定连接，外侧筒体13、内侧筒体12与第一机架14之间均为固定连接，打印平台2与第一机架14之间采用圆柱副连接。

本实施例根据零件三维模型成型要求，结合该零件的cad数据，通过算法得到3-prs并联机构3和打印平台2的控制数据，以此来确保打印平台2与打印头4的运动，从而实现水平面内轮廓和空间轮廓的填充，以此实现整个零件在径向上由外向里与由里向外相结合的打印。