CN107283828B - 3d打印装置、打印方法及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D打印装置，包括：物料铺设单元和工作台；激光束成型单元；粗动单元，用于驱使激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；微动单元，用于驱使激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动；测量系统，包括粗动测量系统和微动测量系统；控制系统，分别与物料铺设单元、激光束成型单元、粗动单元、微动单元和测量系统连接，其根据待打印工件的模型控制粗动单元移动、微动单元移动和控制物料铺设单元向工作台上传送原材料，其获取测量系统的位移测量值，控制激光束成型单元完成打印。本发明引用运动系统的粗动、微动联合驱动技术，在不需要成型的结构处以粗动单元快速运动，再以微动单元精确定位，实现速度与精度的双赢。

Description

3D打印装置、打印方法及其运动控制方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，尤其是一种3D打印装置、打印方法及其运动控制方法。

背景技术

3D打印是一种快速成型“增材制造技术”，在节省耗材及复杂造型两方面表现突出，具有制造成本低、生产周期短等明显优势。而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。它是一种新兴行业，发展前景乐观，对传统制造工艺带来了革命性的挑战。目前，材料种类及性能、打印精度、金属打印力学性能及零件尺寸是制约3D打印技术快速发展的瓶颈。随着在工业领料的不断拓展，3D金属打印是重要发展方向，并对打印精度提出更高的要求，另外工件尺寸也会越来越大。

根据打印的成型工艺及材料的不同，3D打印机的具体技术方向也不同，进而各功能部件的设置及联动形式也不同。由于其逐层打印立体成型的特点，无论哪种成型工艺，都离不开运动结构单元，用于能量、物料的立体构造，如供料单元、成型单元和工作台等。三维立体的打印制件，在逐层成型的过程中，每一节点的分辨率是影响该层轮廓度的重要指标，加上纵向轮廓的分辨效果，最终决定了立体物品的整体轮廓质量，反映到设备结构中即是运动部件的定位精度问题。运动台的定位精度及各运动轴之间的联动控制是制约3D打印精度的关键因素，物料的精确定位、能量光束的精准控制至关重要。特别是金属打印设备中，金属粉末的颗粒度相当精细，对于一般精度零件来说，粉末材料的精细化已不是影响精度的瓶颈，随着金属粉末的更加精细，在微纳加工级别的3D打印领域中对设备的要求就显得非常明显了，而设备的性能又往往体现于运动部件的位置精度。

根据功能及性能需求不同，成型的三维模型结构复杂各异，若同一成型层中结构要素不连续，如孔状结构，这就要求运动轨迹能够做到快速的过渡，以保证较高产率。而当前的3D打印设备运动轴精度都是固定的，缺少柔性，当轨迹过渡时速度需求往往大于精度需求，并不需要较高的精度。

当前的3D打印设备中，在供料装置、成型装置、工作台运动系统中，多采用运动轴的开环控制，缺少运动部件位置的反馈控制，主流的高精度打印设备中有采用运动部件位置的反馈环节，也仅是单独对运动系统采用了高精度的测量系统，将采集到的位移信号作为反馈，尚没有采用对两个联合运动轴间进行直接测量的技术，通过选用更靠近成型工件的要素定位精度进行监测，能更科学的反映联动轴之间的定位误差，从而更能保证工件成型的精度。

在选择性激光烧结3D打印设备中，制约打印成型质量的另一重要因素是激光光斑的精度，运动台的定位精度与光斑的定位精度要系统匹配起来。激光光斑直径的大小对制件的精度和生产效率影响较大，水平向光斑直径越小精度越高，但生产效率低，垂向离焦量对烧结深度有影响，当激光焦点落在粉末层的不同位置，即离焦量不同时，对烧结深度的影响较大，在焦点附近，烧结深度较深,在负离焦时，热量能向下传播更远的距离，深度达到最大值。由于激光束的能量呈高斯分布规律，且停留时间极为短暂，因此烧结区域的物质密度和温度梯度巨大，扫描间隔即光斑的步进量对烧结程度影响较大。

因此，如何在不连续层结构中实现轨迹快速过渡而又不损失精度，具有较高的经济效益，是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D打印装置、打印方法及其运动控制方法，以解决现有技术中定位精度较差，无法实现轨迹快速过渡而又不损失精度的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种3D打印装置，包括：

物料铺设单元和工作台，所述物料铺设单元用于将原材料传送至工作台上；

激光束成型单元，用于将工作台上的原材料烧结成型；

粗动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；

微动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动，所述微动单元的运动精度高于所述粗动单元的运动精度；

测量系统，包括用于测量所述粗动单元位移的粗动测量系统和用于测量所述微动单元位移的微动测量系统；

控制系统，分别与所述物料铺设单元、激光束成型单元、粗动单元、微动单元和测量系统连接，所述控制系统根据设定的待打印工件的模型控制所述粗动单元移动、微动单元移动和控制所述物料铺设单元向工作台上传送原材料，所述控制系统获取所述测量系统的位移测量值，控制所述激光束成型单元分别按所述第一轨迹和第二轨迹移动，并控制所述激光束成型单元完成对工作台上原材料的打印。

进一步地，所述粗动单元包括第一粗动单元和第二粗动单元，所述第一粗动单元和第二粗动单元分别在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，且所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述粗动测量系统包括用于测量第一粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量第二粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元。

进一步地，还包括机架，所述第一粗动单元与机架连接，并能够在所述机架上沿第一坐标轴的方向移动，所述第二粗动单元与第一粗动单元连接，并能够在所述第一粗动单元上沿第二坐标轴的方向移动，所述微动单元与第二粗动单元连接，并能够在所述第二粗动单元上沿第一坐标轴和第二坐标轴的方向移动，所述微动测量系统固定在第二粗动单元上，用于测量所述微动单元在第一坐标轴和第二坐标轴的方向上的位移，所述激光束成型单元固定在微动单元上。

进一步地，所述工作台固定在所述机架上，所述第一测量单元固定在机架上，所述第二测量单元固定在第一粗动单元上。

进一步地，还包括支座单元，所述支座单元通过所述粗动单元与工作台连接，并能够驱动所述工作台在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述粗动测量系统包括用于测量粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元。

进一步地，还包括机架，所述微动单元与机架连接，并能够在所述机架上沿第一坐标轴和第二坐标轴的方向移动。

进一步地，所述工作台固定在机架上，所述第一测量单元和第二测量单元分别固定在所述支座单元上。

进一步地，所述第一测量单元或第二测量单元的种类为多个。

进一步地，还包括支座单元，所述粗动单元用于承载所述支座单元，并能够驱动所述支座单元在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述支座单元通过所述微动单元与工作台连接，通过所述微动单元驱动所述工作台在第一坐标轴或第二坐标轴方向上运动，所述粗动测量系统包括用于测量粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元，所述微动测量系统固定在所述支座单元上，且包括用于测量微动单元在第一坐标轴方向上位移的第三测量单元和用于测量微动单元在第二坐标轴方向上位移的第四测量单元。

进一步地，所述第一测量单元或第二测量单元的种类为多个，所述第三测量单元或第四测量单元的种类为多个。

进一步地，还包括机架，所述激光束成型单元固定在机架上。

进一步地，所述粗动单元采用包括伺服电机及滚珠丝杠的运动系统或采用包括直线电机及气浮导轨的运动系统。

进一步地，所述微动单元采用磁浮电机运动系统或音圈电机运动系统。

进一步地，所述粗动测量系统为光栅尺测量系统或激光干涉仪测量系统。

进一步地，所述微动测量系统为霍尔传感器测量系统或电容传感器测量系统。

进一步地，还包括测量基准系统，设置在所述工作台上，用于检测激光束成型单元发出的激光相对于测量基准系统的位置偏差检测，并将检测的偏差值传送给所述控制系统。

进一步地，所述测量基准系统为PSD测量系统或四象限传感器测量系统。

进一步地，所述物料铺设单元包括供料单元和物料传送单元，所述控制系统与物料传送单元连接。

本发明还提供了一种打印方法，包括：

铺料步骤：通过所述物料铺设单元将原材料传送至工作台上；

粗动步骤：通过所述控制系统控制粗动单元驱动工作台或激光束成型单元运动，并获取所述粗动测量系统测量到的粗动单元相对于激光束成型单元的位移，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；

微动步骤：通过所述控制系统控制微动单元驱动工作台或激光束成型单元运动，并获取所述微动测量系统测量到的微动单元相对于激光束成型单元的位移，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动；

打印步骤：通过所述激光束成型单元将工作台上的原材料烧结成型。

进一步地，粗动步骤具体包括：

通过所述控制系统控制粗动单元驱动工作台或激光束成型单元运动，并获取所述微动测量系统测量到的微动单元相对于激光束成型单元的位移，且使得所述激光束成型单元移动至其发出的激光能够覆盖在工作台上的测量基准系统上的位置处，并在该位置处通过所述控制系统获取激光束成型单元相对于测量基准系统的位置偏差，继续驱动所述激光束成型单元使其相对工作台按设定的第一轨迹移动。

进一步地，所述控制系统包括用于进行粗动控制的粗动控制单元、用于进行微动控制的微动控制单元和用于进行粗微动分配的控制分配单元。

进一步地，所述粗微动控制分配单元用于根据待打印工件的连续打印区域和非连续打印区域进行分配，使得在连续打印区域采用所述微动控制单元控制微动单元运动，在非连续打印区域采用所述粗动控制单元控制粗动单元运动，所述粗微动控制分配单元还用于根据待打印工件的关键打印区域和非关键打印区域进行分配，使得在关键打印区域采用所述微动控制单元控制微动单元运动，在非关键打印区域采用所述粗动控制单元控制粗动单元运动。

进一步地，所述粗动控制单元根据待打印工件形貌计算下一个增材区域的起始位置并定位至烧结光斑边缘的设备空间位置，并跟踪检测当前增材烧结区域沿增材微动轨迹至非连续或非关键增材区域的距离，当距离为零时，向粗动单元发出将工件下一增材区域的起始位置定位至烧结光斑边缘位置的信号。

进一步地，所述微动控制单元用于跟踪检测当前烧结光斑已遍历工件增材区域的位置，且根据当前烧结光斑已遍历工件增材区域的位置以及工件需连续增材区域的面型，计算将工件下一个连续增材区域移入烧结光斑需要工件进行微动定位的位置，当位移大于零时，向微动单元发出定位至该位置的信号，否则可连续增材区域已被烧结光斑遍历，需要粗定位至下一个增材区域。

本发明还提供了一种运动控制方法，包括：

所述工作台上设置有测量基准系统，用于检测激光束成型单元发出的激光相对于测量基准系统的位置偏差检测，并将检测的偏差值传送给所述控制系统，所述控制系统包括粗动控制系统和微动控制系统，将粗动单元的位置设定值Long_pos_Step及其加速度设定值Long_acc_Step输入粗动控制系统，第一控制器将加速度信号转换成粗动单元的输出力Long_F，并驱动第一执行器，将位置设定值Long_pos_Step与粗动测量系统测量的结果进行比对获得定位误差Long_RF_pos_error，所述定位误差通过所述第一控制器控制第一执行器作动，将微动单元的位置设定值Short_pos_Step、微动单元的加速度设定值Short_acc_Step、所述定位误差Long_RF_pos_error以及测量基准系统的偏差设定值RF_Step输入微动控制系统，第二控制器将微动单元的加速度设定值转换成微动单元的输出力Short_F，并驱动第二执行器，将微动测量系统测量的结果反馈至微动控制系统的输入端，进行比对且将比对结果输入第二控制器中，所述第二控制器基于该比对结果控制第二执行器作动。

本发明提供了一种3D打印装置、打印方法及其运动控制方法，该打印装置中引用了运动系统的粗动、微动联合驱动技术，可以根据打印层结构的特点，在不需要成型的结构处以粗动单元快速运动，再以微动单元进行精确定位，实现速度与精度的双赢；提出在线对准方案，实现运动台间的在线检测与对准，保证工件的精确定位。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的打印装置的立体图；

图2为本发明实施例二提供的打印装置的立体图；

图3为本发明实施例三提供的打印装置的立体图；

图4为本发明实施例一提供的工件上光斑位置控制的示意图；

图5为本发明实施例一提供的运动控制方法中涉及的控制系统的原理图。

图中，100：工件，1：第一粗动单元，2：第二粗动单元，3：微动单元，4：激光束成型单元，5：工作台，6：供料单元，7：粗动测量系统，71：第一测量单元，72：第二测量单元，8：机架，9：支座单元，10：测量基准系统，11：第三测量单元，12：第四测量单元。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

请参考图1，本发明提供了一种3D打印装置，包括：

物料铺设单元和工作台5，所述物料铺设单元用于将原材料传送至工作台5上；

激光束成型单元4，用于将工作台5上的原材料烧结成型；

粗动单元，用于驱动所述工作台5或激光束成型单元4运动，且使得所述激光束成型单元4相对工作台5按设定的第一轨迹移动；

微动单元3，用于驱动所述工作台5或激光束成型单元4运动，且使得所述激光束成型单元4相对工作台5按设定的第二轨迹移动，所述微动单元3的运动精度高于所述粗动单元的运动精度；

测量系统，包括用于测量所述粗动单元位移的粗动测量系统7和用于测量所述微动单元3位移的微动测量系统(未在图1中示意出)；

控制系统(未图示)，分别与所述物料铺设单元、激光束成型单元4、粗动单元、微动单元3和测量系统连接，所述控制系统根据设定的待打印工件100的模型控制所述粗动单元移动、微动单元3移动和控制所述物料铺设单元向工作台5上传送原材料，所述控制系统获取所述测量系统的位移测量值，控制所述激光束成型单元4分别按所述第一轨迹和第二轨迹移动，并控制所述激光束成型单元4完成对工作台5上原材料的打印。

在本实施例中，所述粗动单元包括第一粗动单元1和第二粗动单元2，所述第一粗动单元1和第二粗动单元2分别在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，且所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴y和第二坐标轴x，所述粗动测量系统包括用于测量第一粗动单元1在第一坐标轴y方向上位移的第一测量单元71和用于测量第二粗动单元2在第二坐标轴x方向上位移的第二测量单元72。

进一步地，所述3D打印装置还包括机架8，所述第一粗动单元1与机架8连接，并能够在所述机架上沿第一坐标轴y的方向移动，所述第二粗动单元2与第一粗动单元1连接，并能够在所述第一粗动单元1上沿第二坐标轴x的方向移动，所述微动单元3与第二粗动单元2连接，并能够在所述第二粗动单元2上沿第一坐标轴y和第二坐标轴x的方向移动，所述微动测量系统固定在第二粗动单元2上，用于测量所述微动单元3在第一坐标轴y和第二坐标轴x的方向上的位移，所述激光束成型单元4固定在微动单元上。

第一粗动单元1用于承载第二粗动单元2、微动单元3及激光束成型单元4，并完成y向长行程快速移动及粗略定位，第二粗动单元2用于承载微动单元3及激光束成型单元4，并完成x向长行程快速移动及粗略定位。第一粗动单元1与机架8之间以及第二粗动单元2与第一粗动单元1之间可以有多种连接方式。例如，可以是滑动连接、滚动连接、气浮连接或磁浮连接，但不局限于此。作为非限制性的例子，第一粗动单元1(第二粗动单元2同理)可以为包括伺服电机及滚珠丝杠的运动系统，也可以为包括直线电机及气浮导轨的运动系统。微动单元3用于承载激光束成型单元4，并完成短行程高精度定位，微动单元3可以是高精度磁浮电机运动系统，也可以是高精度音圈电机运动系统，功能是完成短行程的精确定位，但微动单元3运动系统不局限于上述两种。

进一步地，所述工作台5固定在所述机架8上，所述第一测量单元71固定在机架上，所述第二测量单元72固定在第一粗动单元1上。

所述粗动测量系统7和微动测量系统可以有多种选择。例如，所述粗动测量系统7为光栅尺测量系统或激光干涉仪测量系统，所述微动测量系统为霍尔传感器测量系统或电容传感器测量系统，但不限于此。优选地，微动测量系统的测量精度比粗动测量系统7的测量精度高一个数量级。

进一步地，所述3D打印装置还包括测量基准系统10，设置在所述工作台5上，用于检测激光束成型单元4发出的激光相对于测量基准系统10的位置偏差检测，并将检测的偏差值传送给所述控制系统。通过测量基准系统10对激光束成型单元4发出的激光束进行在线对准，完成激光束成型单元4与工作台5的位置标定。测量基准系统10可以是PSD测量系统，也可以是四象限传感器测量系统，功能是完成激光束的在线对准，但不限于上述两种。

进一步地，所述物料铺设单元包括供料单元6和物料传送单元(未图示)，所述控制系统与物料传送单元连接。工作台5与供料单元6配合动作完成打印原料的供给，借助物料传送单元实现打印原料从供料单元6到工作台5的传送。

本发明还提供了一种打印方法，包括：

铺料步骤：通过所述物料铺设单元将原材料传送至工作台5上；

粗动步骤：通过所述控制系统控制粗动单元驱动工作台5或激光束成型单元4运动，并获取所述粗动测量系统7测量到的粗动单元相对于激光束成型单元4的位移，且使得所述激光束成型单元4相对工作台5按设定的第一轨迹移动；

微动步骤：通过所述控制系统控制微动单元3驱动工作台5或激光束成型单元4运动，并获取所述微动测量系统测量到的微动单元3相对于激光束成型单元4的位移，且使得所述激光束成型单元4相对工作台5按设定的第二轨迹移动；

打印步骤：通过所述激光束成型单元4将工作台5上的原材料烧结成型。

在本实施例中，工作台上设置有测量基准系统10，粗动步骤具体包括：

通过所述控制系统控制粗动单元驱动工作台5或激光束成型单元4运动，并获取所述微动测量系统测量到的微动单元3相对于激光束成型单元4的位移，且使得所述激光束成型单元4移动至其发出的激光能够覆盖在工作台上的测量基准系统10上的位置处，并在该位置处通过所述控制系统获取激光束成型单元4相对于测量基准系统10的位置偏差，继续驱动所述激光束成型单元4使其相对工作台5按设定的第一轨迹移动。

也就是，在本实施例中，通过粗动单元控制激光束成型单元4先进行初始对准，以使得其发射的激光束能覆盖在测量基准系统10上。通过测量基准系统10获得激光束至测量基准系统10参考点的位置偏差，该偏差为RF_Step，参考点可以选取为测量基准系统10的中心，但不限于此。优选地，在初始对准的过程，还可以进一步通过微动单元3调整使得所述位置偏差为零。

在完成初始对准的过程后，再继续驱动所述激光束成型单元4使其相对工作台5按设定的第一轨迹移动。这里的第一轨迹包括初始对准过程中的一部分运动轨迹和从对准位置出发进行打印的后续轨迹。对于第二轨迹，如果初始对准过程中没有进行微动调整，则在对准之后的打印过程中按该第二轨迹进行微动操作；如果初始对准过程中具有微动调整，则第二轨迹同理包括初始对准过程中的一部分运动轨迹和后续打印过程需要的轨迹。

在本实施例中，所述控制系统包括用于进行粗动控制的粗动控制单元、用于进行微动控制的微动控制单元和用于进行粗微动分配的控制分配单元。

请参考图4，所述粗微动控制分配单元用于根据待打印工件的连续打印区域和非连续打印区域进行分配，使得在连续打印区域采用所述微动控制单元控制微动单元运动，在非连续打印区域采用所述粗动控制单元控制粗动单元运动，所述粗微动控制分配单元还用于根据待打印工件的关键打印区域和非关键打印区域进行分配，使得在关键打印区域采用所述微动控制单元控制微动单元运动，在非关键打印区域采用所述粗动控制单元控制粗动单元运动。

所述粗动控制单元根据待打印工件形貌计算下一个增材区域的起始位置Pnext1并定位至烧结光斑边缘的设备空间位置PL1，并跟踪检测当前增材烧结区域沿增材微动轨迹至非连续或非关键增材区域的距离L，当距离L为零时，向粗动单元发出将工件下一增材区域的起始位置Pnext2定位至烧结光斑边缘位置PL2的信号。

所述微动控制单元用于跟踪检测当前烧结光斑已遍历工件增材区域的位置PS1，且根据当前烧结光斑已遍历工件增材区域的位置以及工件需连续增材区域的面型，计算将工件下一个连续增材区域移入烧结光斑需要工件进行微动定位的位置PS2，当位移大于零时，向微动单元发出定位至该位置PS2的信号，否则可连续增材区域已被烧结光斑遍历，需要粗定位至下一个增材区域。

供料单元6及工作台5配合完成打印原料在工作台5表面的铺层动作，控制系统将激光成型单元的光束打到测量基准系统10上，第一粗动单元1承载第二粗动单元2、微动单元3及激光束成型单元4快速移动y向距离dy1,第二粗动单元2用于承载微动单元3及激光束成型单元4快速移动x向距离dx1。微动单元3用于承载激光束成型单元4进行微小移动，提高运动精度调节并分别产生xy向位移dx2、dy2，激光束成型单元4发出激光束至测量基准系统10，测量基准系统10测得光束在xy向偏移距离分别为△x1、△y1，控制系统用于驱动微动单元3完成位移补偿至设定精度，完成激光光束与工作台5的精确定位，控制系统驱动粗动单元和微动单元协调完成后续打印成型功能。激光光束与工作台5的精确定位在水平向保证扫描间隔L小于光斑直径D，同时光斑的垂向离焦量应保证光斑重复区域高度H大于成型粉末层的厚度h，以保证烧结区域熔池内粉末全部能发生烧结。

依照上述步骤完成一层粉末打印成型后，重复上述动作，完成下一层的精确打印，至产品完成。

请参考图5，本发明还提供了一种运动控制方法，包括：

所述工作台上设置有测量基准系统，用于检测激光束成型单元发出的激光相对于测量基准系统的位置偏差检测，并将检测的偏差值传送给所述控制系统，所述控制系统包括粗动控制系统和微动控制系统，将粗动单元的位置设定值Long_pos_Step及其加速度设定值Long_acc_Step输入粗动控制系统，第一控制器将加速度信号转换成粗动单元的输出力Long_F，并驱动第一执行器，将位置设定值Long_pos_Step与粗动测量系统测量的结果进行比对获得定位误差Long_RF_pos_error，所述定位误差通过所述第一控制器控制第一执行器作动，将微动单元的位置设定值Short_pos_Step、微动单元的加速度设定值Short_acc_Step、所述定位误差Long_RF_pos_error以及测量基准系统的偏差设定值RF_Step输入微动控制系统，第二控制器将微动单元的加速度设定值转换成微动单元的输出力Short_F，并驱动第二执行器，将微动测量系统测量的结果反馈至微动控制系统的输入端，进行比对且将比对结果输入第二控制器中，所述第二控制器基于该比对结果控制第二执行器作动。

实施例二

本实施例提供了另一种不同于实施例一中3D打印装置的结构。

与实施例一不同，请参考图2，本实施例中的3D打印装置还包括支座单元9，所述支座单元9通过所述粗动单元(未在图2中示意出)与工作台5连接，并能够驱动所述工作台5在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元4的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴y和第二坐标轴x，所述粗动测量系统包括用于测量粗动单元在第一坐标轴y方向上位移的第一测量单元71和用于测量粗动单元在第二坐标轴x方向上位移的第二测量单元72。

进一步地，3D打印装置还包括机架8，所述微动单元3与机架8连接，并能够在所述机架8上沿第一坐标轴y和第二坐标轴x的方向移动，所述工作台5固定在机架8上，所述第一测量单元71和第二测量单元72分别固定在所述支座单元9上。

第一测量单元71和第二测量单元72的种类可以为一个或多个。优选地，所述第一测量单元71或第二测量单元72的种类为多个。在本实施例中，第二测量单元72的种类为多个，以其种类为两个为例，第二测量单元72用于测量工作台5相对于支座单元9的x向位移x1、x2，并可计算出工作台的Rz转角。

对于本实施例中其他技术方案，本领域技术人员参考实施例一可以直接毫无疑义获得，故在此不再赘述。

实施例三

本实施例提供了另一种不同于实施例一中3D打印装置的结构。

与实施例一不同，

请参考图3，本实施例中是3D打印装置还包括支座单元9，所述粗动单元(未在图3中示意)用于承载所述支座单元9，并能够驱动所述支座单元9在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元4的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴y和第二坐标轴x，所述支座单元9通过所述微动单元(未在图3中示意)与工作台5连接，通过所述微动单元驱动所述工作台5在第一坐标轴y或第二坐标轴x方向上运动，所述粗动测量系统7包括用于测量粗动单元在第一坐标轴y方向上位移的第一测量单元71和用于测量粗动单元在第二坐标轴x方向上位移的第二测量单元72，所述微动测量系统固定在所述支座单元9上，用于测量所述微动单元在第一坐标轴y和第二坐标轴x的方向上的位移。

所述微动测量系统包括用于测量微动单元在第一坐标轴y方向上位移的第三测量单元11和用于测量微动单元在第二坐标轴x方向上位移的第四测量单元12。

同理，所述第一测量单元71、第二测量单元72、所述第三测量单元11或第四测量单元12的种类可以为一个或多个。优选地，所述第一测量单元71或第二测量单元72的种类为多个，所述第三测量单元11或第四测量单元12的种类为多个。也就是，通过粗动测量系统能获得支座单元9的Rz转角，通过微动测量系统能获得工作台5的Rz转角。

进一步地，3D打印装置还包括机架8，所述激光束成型单元4固定在机架8上。

对于本实施例中其他技术方案，本领域技术人员参考实施例一可以直接毫无疑义获得，故在此不再赘述。

本发明提供了一种3D打印装置、打印方法及其运动控制方法，该打印装置中引用了运动系统的粗动、微动联合驱动技术，可以根据打印层结构的特点，在不需要成型的结构处以粗动单元快速运动，再以微动单元进行精确定位，实现速度与精度的双赢；提出在线对准方案，实现运动台间的在线检测与对准，保证工件的精确定位。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种3D打印装置，其特征在于，包括：

物料铺设单元和工作台，所述物料铺设单元用于将原材料传送至工作台上；

激光束成型单元，用于将工作台上的原材料烧结成型；

粗动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；

微动单元，用于驱动所述工作台或激光束成型单元运动，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动，所述微动单元的运动精度高于所述粗动单元的运动精度；

测量系统，包括用于测量所述粗动单元位移的粗动测量系统和用于测量所述微动单元位移的微动测量系统；

控制系统，分别与所述物料铺设单元、激光束成型单元、粗动单元、微动单元和测量系统连接，所述控制系统根据设定的待打印工件的模型控制所述粗动单元移动、微动单元移动和控制所述物料铺设单元向工作台上传送原材料，所述控制系统获取所述测量系统的位移测量值，控制所述激光束成型单元分别按所述第一轨迹和第二轨迹移动，并控制所述激光束成型单元完成对工作台上原材料的打印；

测量基准系统，设置在所述工作台上，用于检测激光束成型单元发出的激光相对于测量基准系统的位置偏差检测，并将检测的偏差值传送给所述控制系统。

2.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述粗动单元包括第一粗动单元和第二粗动单元，所述第一粗动单元和第二粗动单元分别在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，且所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述粗动测量系统包括用于测量第一粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量第二粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元。

3.如权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，还包括机架，所述第一粗动单元与机架连接，并能够在所述机架上沿第一坐标轴的方向移动，所述第二粗动单元与第一粗动单元连接，并能够在所述第一粗动单元上沿第二坐标轴的方向移动，所述微动单元与第二粗动单元连接，并能够在所述第二粗动单元上沿第一坐标轴和第二坐标轴的方向移动，所述微动测量系统固定在第二粗动单元上，用于测量所述微动单元在第一坐标轴和第二坐标轴的方向上的位移，所述激光束成型单元固定在微动单元上。

4.如权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，所述工作台固定在所述机架上，所述第一测量单元固定在机架上，所述第二测量单元固定在第一粗动单元上。

5.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括支座单元，所述支座单元通过所述粗动单元与工作台连接，并能够驱动所述工作台在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述粗动测量系统包括用于测量粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元。

6.如权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于，还包括机架，所述微动单元与机架连接，并能够在所述机架上沿第一坐标轴和第二坐标轴的方向移动。

7.如权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于，所述工作台固定在机架上，所述第一测量单元和第二测量单元分别固定在所述支座单元上。

8.如权利要求7所述的3D打印装置，其特征在于，所述第一测量单元或第二测量单元的种类为多个。

9.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，还包括支座单元，所述粗动单元用于承载所述支座单元，并能够驱动所述支座单元在空间直角坐标系的两个不同坐标轴方向上运动，所述激光束成型单元的轴向分别垂直于所述两个坐标轴方向，两个坐标轴分别为第一坐标轴和第二坐标轴，所述支座单元通过所述微动单元与工作台连接，通过所述微动单元驱动所述工作台在第一坐标轴或第二坐标轴方向上运动，所述粗动测量系统包括用于测量粗动单元在第一坐标轴方向上位移的第一测量单元和用于测量粗动单元在第二坐标轴方向上位移的第二测量单元，所述微动测量系统固定在所述支座单元上，且包括用于测量微动单元在第一坐标轴方向上位移的第三测量单元和用于测量微动单元在第二坐标轴方向上位移的第四测量单元。

10.如权利要求9所述的3D打印装置，其特征在于，所述第一测量单元或第二测量单元的种类为多个，所述第三测量单元或第四测量单元的种类为多个。

11.如权利要求9所述的3D打印装置，其特征在于，还包括机架，所述激光束成型单元固定在机架上。

12.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述粗动单元采用包括伺服电机及滚珠丝杠的运动系统或采用包括直线电机及气浮导轨的运动系统。

13.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述微动单元采用磁浮电机运动系统或音圈电机运动系统。

14.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述粗动测量系统为光栅尺测量系统或激光干涉仪测量系统。

15.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述微动测量系统为霍尔传感器测量系统或电容传感器测量系统。

16.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述测量基准系统为PSD测量系统或四象限传感器测量系统。

17.如权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，所述物料铺设单元包括供料单元和物料传送单元，所述控制系统与物料传送单元连接。

18.一种打印方法，采用如权利要求1～17中任一项所述的3D打印装置打印，其特征在于，包括：

铺料步骤：通过所述物料铺设单元将原材料传送至工作台上；

粗动步骤：通过所述控制系统控制粗动单元驱动工作台或激光束成型单元运动，并获取所述粗动测量系统测量到的粗动单元相对于激光束成型单元的位移，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第一轨迹移动；

微动步骤：通过所述控制系统控制微动单元驱动工作台或激光束成型单元运动，并获取所述微动测量系统测量到的微动单元相对于激光束成型单元的位移，且使得所述激光束成型单元相对工作台按设定的第二轨迹移动；

打印步骤：通过所述激光束成型单元将工作台上的原材料烧结成型。

19.如权利要求18所述的打印方法，其特征在于，粗动步骤具体包括：

通过所述控制系统控制粗动单元驱动工作台或激光束成型单元运动，并获取所述微动测量系统测量到的微动单元相对于激光束成型单元的位移，且使得所述激光束成型单元移动至其发出的激光能够覆盖在工作台上的测量基准系统上的位置处，并在该位置处通过所述控制系统获取激光束成型单元相对于测量基准系统的位置偏差，继续驱动所述激光束成型单元使其相对工作台按设定的第一轨迹移动。

20.如权利要求18所述的打印方法，其特征在于，所述控制系统包括用于进行粗动控制的粗动控制单元、用于进行微动控制的微动控制单元和用于进行粗微动分配的控制分配单元。

21.如权利要求20所述的打印方法，其特征在于，所述粗微动控制分配单元用于根据待打印工件的连续打印区域和非连续打印区域进行分配，使得在连续打印区域采用所述微动控制单元控制微动单元运动，在非连续打印区域采用所述粗动控制单元控制粗动单元运动，所述粗微动控制分配单元还用于根据待打印工件的关键打印区域和非关键打印区域进行分配，使得在关键打印区域采用所述微动控制单元控制微动单元运动，在非关键打印区域采用所述粗动控制单元控制粗动单元运动。

22.如权利要求21所述的打印方法，其特征在于，所述粗动控制单元根据待打印工件形貌计算下一个增材区域的起始位置并定位至烧结光斑边缘的设备空间位置，并跟踪检测当前增材烧结区域沿增材微动轨迹至非连续或非关键增材区域的距离，当距离为零时，向粗动单元发出将工件下一增材区域的起始位置定位至烧结光斑边缘位置的信号。

23.如权利要求21所述的打印方法，其特征在于，所述微动控制单元用于跟踪检测当前烧结光斑已遍历工件增材区域的位置，且根据当前烧结光斑已遍历工件增材区域的位置以及工件需连续增材区域的面型，计算将工件下一个连续增材区域移入烧结光斑需要工件进行微动定位的位置，当位移大于零时，向微动单元发出定位至该位置的信号，否则可连续增材区域已被烧结光斑遍历，需要粗定位至下一个增材区域。

24.一种运动控制方法，应用在如权利要求1～17中任一项所述的3D打印装置上，其特征在于，包括：

所述工作台上设置有测量基准系统，用于检测激光束成型单元发出的激光相对于测量基准系统的位置偏差检测，并将检测的偏差值传送给所述控制系统，所述控制系统包括粗动控制系统和微动控制系统，将粗动单元的位置设定值Long_pos_Step及其加速度设定值Long_acc_Step输入粗动控制系统，第一控制器将加速度信号转换成粗动单元的输出力Long_F，并驱动第一执行器，将位置设定值Long_pos_Step与粗动测量系统测量的结果进行比对获得定位误差Long_RF_pos_error，所述定位误差通过所述第一控制器控制第一执行器作动，将微动单元的位置设定值Short_pos_Step、微动单元的加速度设定值Short_acc_Step、所述定位误差Long_RF_pos_error以及测量基准系统的偏差设定值RF_Step输入微动控制系统，第二控制器将微动单元的加速度设定值转换成微动单元的输出力Short_F，并驱动第二执行器，将微动测量系统测量的结果反馈至微动控制系统的输入端，进行比对且将比对结果输入第二控制器中，所述第二控制器基于该比对结果控制第二执行器作动。

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