一种基于五轴控制的并联臂式3D打印机的制作方法

本发明涉及3d打印设备技术领域，具体为一种基于熔融沉积制造技术（fuseddepositionmodeling,fdm）具有5自由度且能打印高粘度材料的并联臂式3d打印机装置。

背景技术

3d打印机，作为增材制造技术的一种机器，直接通过预先设计好的数字cad模型生产部件，无需额外的刀具切削加工或夹具定位组装技术，对于高质量且形状复杂的产品，都可以在短时间内逐层累加成型，成本低且不会浪费材料。3d打印机的成型原理多种多样，其中熔融沉积制造技术由于具有成本低、桌面级化办公、可靠性高等众多优点，广泛应用于3d打印技术中。一般的基于fdm技术的3d打印机材料上通常使用pla、abs等热塑性材料，无法打印一些高粘度的聚合物材料。

文件cn108284593a公开了一种并连杆滑块式工作台，文件cn108262967a公开了一种反式并连杆工作平台可动3d打印机，它们的原理都是打印喷头采用空间固定而打印平台在步进电机的驱动下运动，有效解决了由于打印喷头移动中易出现的拉丝现象。但是它们的设计都基于3个自由度，对于外表面不平或不规则的物体，打印时易受阶梯效应的影响而造成打印精度和产品质量的下降，同时打印时需要支撑结构来防止产品的变形和破坏。

技术实现要素：

本发明针对上述背景技术中提出的现有技术的不足，提供了一种基于五轴控制的并联臂式3d打印机。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明主要由整体三棱柱型框架、喷头挤压装置、并联机构运动平台和旋转工作平台组成。

所述的并联机构运动平台包括运动平台、运动平台支撑杆、圆柱形连接套、固定块、滑块、直线导轨和步进电机；所述直线导轨共六根，分别固定安装于整体三棱柱型框架中的三根支架的两侧；滑块套在直线导轨上的沟槽中，固定块固定安装于滑块上；运动平台支撑杆共有六根，尺寸相同，每根运动平台支撑杆两端都套有圆柱形连接套，圆柱形连接套下端通过固定块与滑块连接，上端与运动平台铰链连接；所述运动平台呈正六边形，每根运动平台支撑杆在顶点处均匀分布，且与运动平台呈120°构成并连杆机构；所述步进电机共六个，安装固定于整体三棱柱型框架中的基座中，驱动滑块在直线导轨上运动，带动并连杆从而实现运动平台的水平运动。

所述的旋转工作平台包括打印平台、末端执行器、弧形支撑架，旋转工作平台安装固定于并联机构运动平台上；所述打印平台为圆盘式平台，具有两个旋转自由度，由两个完全一致的末端执行器控制；弧形支撑架共三根，支撑打印平台的同时传递旋转动力给打印平台。

进一步说，所述的整体三棱柱型框架主要由基座、支架、顶部支撑架以及顶板组成；其中，所述基座位于框架底部，由六根6063工业铝型材与紧固件构成框架的底部支撑件；支架共三根6063工业铝型材，均匀布置于基座上预设的插槽中；顶部支撑架由三根6063工业铝型材和紧固件构成，与支架上部固定连接，顶板安装与顶部支撑架上。

进一步说，所述的喷头挤压装置主要由送料器、加热器、螺杆、进料管、喷射缸、活塞以及喷嘴组成，喷头挤压装置安装固定于整体三棱柱型框架上；其中，送料器呈圆锥形，材料以颗粒状形式由重力通过送料器输送于加热器中遇热熔融，加热器下方安装了螺杆，两者定位在相对于竖直方向45°的位置，螺杆连续旋转将熔融材料通过进料管输送于喷射缸中，喷射缸中安装有活塞，通过活塞的竖直向下运动挤压熔融材料，使其按一定速率从喷嘴处喷出。

本发明的有益效果：

1、本发明中的喷头挤压装置在空间上固定，定位精度高，可靠性强；通过采用螺杆装置连续旋转送料以及活塞装置加压挤出熔融材料的方式，能够实现挤出具有高粘度性质的混合物材料。

2、本发明采用并联机构运动平台和旋转工作平台组成了基于五轴控制的运动系统，对于外表面不平或不规则的物体，打印时可旋转倾斜打印平台，确保产品的高表面质量的要求，同时降低打印时对支撑结构的需求。

3、本发明采用六根支撑杆并联机构链接运动平台结构，六根杆尺寸一样，均匀分布，协同工作，每两根组成一个平行四边形闭环，保证了平台升降时运行的水平以及平稳性要求，同时旋转工作平台整体安装固定于并联机构运动平台上，其旋转中心与运动平台的中心保持在相对同一条竖直线上，从而提高了打印精度。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的总体结构示意图；

图3是本发明的喷头挤压装置结构示意图；

图4是本发明的并联机构运动平台结构示意图；

图5是本发明的旋转工作平台结构示意图；

以下附图中使用的标记如下：1-喷头挤压装置、2-顶板、3-顶部支撑架、4-整体三棱柱型框架、5-旋转工作平台、6-并联机构运动平台、7-支架、8-步进电机、9-定制紧固件、10-基座、11-送料器、12-加热器、13-螺杆、14-进料管、15-喷射缸、16-活塞、17-喷嘴、18-运动平台、19-运动平台支撑杆、20-直线导轨、21-圆柱形连接套、22-固定块、23-滑块、24-末端执行器、25-打印平台、26-弧形支撑架。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例中一种基于五轴控制的并联臂式3d打印机，主要由整体三棱柱型框架4、喷头挤压装置1、并联机构运动平台6和旋转工作平台5组成；所述的整体三棱柱型框架4主要由基座10、支架7、顶部支撑架3以及顶板2组成；其中，所述基座10位于框架底部，由六根6063工业铝型材与定制紧固件9构成框架的底部支撑件；支架7共三根6063工业铝型材，均匀布置于基座10上预设的插槽中；顶部支撑架3由三根6063工业铝型材和定制紧固件9构成，与支架7上部固定连接，顶板2安装与顶部支撑架3上。

如图3所示，喷头挤压装置1主要由送料器11、加热器12、螺杆13、进料管14、喷射缸15、活塞16以及喷嘴17组成，整体安装固定于顶板2上；喷头挤压装置送料的过程：材料以颗粒的形式储存在圆锥形送料器11中，送料器下方设有缺口，材料由于重力作用输送于加热器12中，完成送料过程；喷头挤压装置材料熔融进料的过程：材料在加热器12中预热熔融，熔融温度一般控制在200℃左右，加热器12下方安装了螺杆13，螺杆13连续旋转对熔融材料进行输送、压实、搅拌和施压，通过进料管14最后将熔融材料输送于喷射缸15中，完成材料熔融进料的过程；喷头挤压装置挤出熔融材料的过程：喷射缸15中安装有活塞16，整体像一个注射器装置，通过活塞16的竖直向下运动挤压熔融材料，使其按一定速率从喷嘴17处喷出。

如图4所示，并联机构运动平台6包括运动平台18、运动平台支撑杆19、圆柱形连接套21、固定块22、滑块23、直线导轨20、步进电机8；并联机构运动平台6机构具有3个自由度，主要实现运动平台6在x、y、z轴方向上的平动，其工作原理是：六根运动平台支撑杆19每两根组成一个平行四边形闭环，分成三组与运动平台18呈120°均匀分布形成并联臂，上端与运动平台10以转动副（s）的形式链接，下端与固定块22也是转动副（s）链接，固定块22固定安装于滑块23上，滑块23与直线导轨20形成移动副（p），整体三棱柱型框架4作为静平台，运动平台10作为动平台，从而整体组成了3-sps并联臂机构，通过对3-sps并联臂机构进行位置、速度求解的基础上来建立雅克比矩阵，从而得到运动平台6中心坐标位置与滑块23运动位置的关系，在计算机编好的程序控制下，由步进电机8驱动滑块23在直线导轨20上运动，进而将滑块23的直线升降运动转变为运动平台10的水平运动，使运动平台10按照所预定的轨迹水平运动。

如图5所示，旋转工作平台5主要包括打印平台25、末端执行器24、弧形支撑架26，整体安装固定于并联机构运动平台6上；打印平台5为圆盘式平台，具有两个旋转自由度，其工作原理为：通过对旋转工作平台进行位置、速度求解的基础上建立雅克比矩阵，确定相应的控制参数θ1与θ2给末端执行器24，从而实现打印平台25在空间上按预定角度进行旋转运动；弧形支撑架26共三根，支撑打印平台的同时传递旋转动力给打印平台。