CN108790159A - 一种六自由度三维打印装置及其跟随控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度三维打印装置及其跟随控制方法，属于快速成形技术领域。三维打印装置包括机架、打印头、打印平台与平动行走机构；打印头包括头座，安装在头座上的打印喷嘴，及驱动打印喷嘴相对头座绕第一摆动轴摆动的第一摆动机构；打印平台包括台座，安装在台座上的支撑平台，驱动台座绕第二摆动轴摆动的第二摆动机构，及驱动支撑平台绕旋转轴转动的旋转机构；旋转轴的轴向与第二摆动轴的轴向不平行，且垂直于打印平面。并且基于该装置利用跟随控制方法，使得装置上的标定位置能够始终逐点动态跟随对正其目标位置，提高了六自由度伺服运动精度，扩展了打印装置的适用性及灵活性，可用于零部件快速制作等领域。

Description

一种六自由度三维打印装置及其跟随控制方法

技术领域

本发明涉及快速成形技术领域，具体地说，涉及一种六自由度式三维打印装置及其跟随控制方法。

背景技术

三维打印装置是一种基于三维物体的数字模型，利用成形材料，通过逐层打印的方式构建出三维物体的设备。公告号为CN203779870U、CN107855530A等专利文献中公开了一种三维打印装置，即熔融挤压成形式三维打印装置，其包括打印平台及受行走机构控制而相对打印平台做三维空间运动的打印头，即为三自由度式三维打印装置。

对于前述三自由度式三维打印装置，打印头相对打印平台的运动通常为X-Y-Z三个轴向直线运动式自由度，能够打印但部分形状的三维物体，但对于一些特殊结构的三维物体，例如三维模型中出现与打印平台相垂直的切片层时，则无法打印，或者对于两切片层间存有大曲率部分，则只能打印出精度较为粗糙的三维物体结构，难以满足高精度需求。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种六自由度三维打印装置，以提高熔融挤压成形式三维打印装置的应用范围及打印精度；

本发明的另一目的是提供一种适于上述六自由度三维打印装置的跟随控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供的三维打印装置包括控制单元、机架及安装在机架上的打印头、打印平台与受控制单元控制的驱动打印头相对机架做三维平动运动的平动行走机构；打印头包括头座，安装在头座上的打印喷嘴，及用于驱动打印喷嘴相对头座绕第一摆动轴摆动的第一摆动机构；打印平台包括台座，安装在台座上的支撑平台，受控制单元地驱动台座绕第二摆动轴摆动的第二摆动机构，及受控制单元控制的驱动支撑平台绕旋转轴转动的旋转机构；支撑平台的台面为打印平台的打印面；旋转轴的轴向与第二摆动轴的轴向不平行，且垂直于打印平面。

通过以上运动驱动结构，可使该三维打印装置实现四个以上的运动自由度，大大扩展了打印装置的适用性及灵活性。与纯直线伺服运动的三维打印装置相比，由于增加了回转运动，产生打印头的附加运动误差。这导致打印头更换、打印头的摆长变化、载物台旋转，都必须重新进行形体模型分层切片和后处理。跟随控制是使得装置上的标定位置能够始终逐点动态跟随对正其目标位置，动态补偿打印头旋转所造成的直线轴坐标的误差变化，能够减少联动误差，保证伺服运动精度，提高成形效率。

具体的方案为第一摆动机构包括第一伺服电机、主动直齿轮、传动直齿轮、蜗轮、蜗杆及柔性导管，打印喷嘴包括喷嘴摆臂及挤出头，挤出头固设在喷嘴摆臂上，柔性导管连接于喷嘴摆臂上方且与挤出头连通；头座为腔室结构，头座上设有供进料使用的进料口，第一伺服电机固定在腔室结构内，主动直齿轮与伺服电机的转子轴固联，与主动直齿轮啮合的传动直齿轮同轴地固定在蜗杆的轴上，蜗杆及蜗轮可转动地安装在腔室结构上，喷嘴摆臂与蜗轮固联。使用一组齿轮配合以改变运动传递轴线，可以节省电机轴向空间，使机构更加紧凑，适用蜗轮蜗杆传动在大大提升传动比以降低摆速的同时，使得机构在反复摆动时冲击更小，运动精度也更高。

另一个具体的方案为第二摆动机构包括设于台座两侧的摆动驱动机构，摆动驱动机构包括第二伺服电机、第一支撑架、主动锥齿轮与从动锥齿轮；第一支撑架固联于机架上，第二伺服电机通过传动轴驱动主动锥齿轮转动，从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合成正交传动系，台座通过传动轴与从动锥齿轮固联。使用锥齿轮传动改变传动方向，以节省安装空间，使得打印平台的尺寸更大，使用摆臂支撑平台在为打印平台提供支撑的同时，具有更稳定的摆动结构。

另一个具体的方案为旋转机构设于台座与支撑平台间，包括两个步进电机、连接件、大齿轮及同轴地固设在步进电机的转子轴上的小齿轮；步进电机通过连接件与台座固联，大齿轮通过轴承与台座相配合，两个小齿轮对称地位于大齿轮的周向上且与大齿轮相啮合，齿轮的转轴的轴向均垂直于打印平面。使用两个小齿轮和一个大齿轮配合，不仅提升了传动平稳性，而且能使摆动角度更加精确。

再一个具体的方案为平动行走机构包括行走装置、直线导轨、第一滑块、支撑块、四根垂向导杆、两根垂向丝杆、两个与垂向丝杆旋合的垂向螺母，两根横向丝杆，两个与横向丝杆旋合的横向螺母，两根纵向丝杆及两个与纵向丝杆旋合的纵向螺母；行走装置包括第二支撑架、横向导杆、纵向导杆及正交滑块，正交滑块上设有与横向导杆相配合的横向导孔及与纵向导杆相配合的纵向导孔，正交滑块上还设有供进料使用的进料口，头座与正交滑块固定连接；直线导轨固定于第二支撑架上，第一滑块与直线导轨构成移动副，支撑块固定于滑块上，支撑块上设有与横向导杆进行固定连接及与纵向导杆进行连接的螺纹孔；第一滑块上设有与横向丝杆及纵向丝杆相旋合的螺母，固设在第二支撑架上的横向驱动电机通过同步带驱动两根横向丝杆同步转动，固设在第二支撑架上的纵向驱动电机通过同步带驱动两根纵向丝杆同步转动，固设在机架上的垂向驱动电机通过同步带驱动两根垂向丝杆同步转动。通过增加机械结构中的虚约束，使得枢轴沿X-Y-Z三个方向的运动更加平稳，使用丝杆螺母传动结构使得装置的精度更加精密，使用轴承座及直线导轨等，使得装置的零件具有更高的互换性，降低产品维护成本。

为了实现上述另一目的，本发明提供的跟随控制方法基于上述任一项权利要求所描述的三维打印装置，包括以下步骤：

获取步骤，接收经切片处理后的三维模型，从中获取所有打印点的位置坐标P＝(P_X,P_Y,P_Z)及打印点所在切片层的层面法矢构成参数集

坐标系统构建步骤，基于六自由度三维打印装置的结构尺寸参数，打印平台、打印头与支撑平台在打印初始状态时的位置参数，及三维模型的尺寸参数，构建固联于机架上的基坐标系、固联于打印头上的打印头坐标系、固联于头座上的头座坐标系、固联于支撑平台上的打印平台坐标系及固联于目标打印件上的打印件坐标系；

运动学正解获取步骤，基于构建出的各坐标系统间的转换关系，获取参数组[P_X,P_Y,P_Z,u_x,u_y,u_z]^T与六自由度三维打印装置的运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ,θ_A′,θ_A,θ_C′]^T间的坐标变换方程组，P_MX,P_MY及P_MZ为平动行走机构在每一维度上平动量的控制参数，θ_A′,θ_A及θ_C′对应为第二摆动机构、第一摆动机构及旋转机构的运动量控制参数；

运动学逆解获取步骤，基于坐标变换方程组及六自由度三维打印装置的具体机械结构参数，获取运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ,θ_A′,θ_A,θ_C′]^T关于参数组[P_X,P_Y,P_z,u_x,u_y,u_z]^T的逆解；

打印控制步骤，以运动控制参数[P_MX，P_MY,P_MZ,θ_A′,θ_A,θ_C′]^T控制平动行走机构、第二摆动机构、第一摆动机构及旋转机构动作，同时控制打印喷嘴挤出呈熔融状态的成形材料，以打印对应打印点。

具体的方案为打印头坐标系的原点设在打印喷嘴的喷口中心，其初始坐标轴方向与基坐标系一致；头座坐标系的原点设在喷嘴摆臂的摆动中心,其初始坐标轴方向与基坐标系一致；打印平台坐标系的原点过第二摆动轴与旋转轴交点的直线与打印面的交点，其初始坐标轴方向与基坐标系一致；打印件坐标系的初始坐标轴方向及坐标系位置与打印平台坐标系一致。

另一个具体的方案为跟随控制的运动学正解获取步骤包括：

基于六自由度三维打印装置及坐标系统，构建打印点位置坐标P＝(P_X,P_Y,P_Z)与层面法矢与运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ,θ_A′,θ_A,θ_C′]^T间的坐标变换方程组为：

其中,θ_A′为台座绕第一摆动轴摆动的角度，θ_A为打印喷嘴绕第二摆动轴摆动的角度，θ_C＇为支撑平台绕旋转轴旋转的角度；表示从打印平台坐标系变换到基坐标系；表示从打印头坐标系变换到打印平台坐标系，表示打印喷嘴的喷口中心点在打印头坐标系下的位置矢量，表示从头座坐标系变换到基坐标系,表示从打印件坐标系变换到头座坐标系,表示打印点在打印件坐标系下的位置坐标，表示喷嘴摆臂在打印头坐标系下的方向矢量，表示在打印件坐标系下的方向矢量。

再一个具体的方案为跟随控制的运动学逆解获取步骤包括：

根据层面法矢的u_x,u_y分量按下式确定θ_C′的唯一最优解，

其中，β的计算公式为，

根据层面法矢的u_x,u_y,u_z分量按下式确定θ_A及θ_A′的解，

其中，α的计算公式为，

根据求得的控制参数[θ_A′,θ_A,θ_C′]^T求解坐标变换方程组，获得运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ]^T。

附图说明

图1为本发明实施例中六自由度三维打印装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中打印头的结构示意图；

图3为本发明实施例中打印平台的结构分解示意图；

图4为本发明实施例中跟随控制方法的坐标系统示意图；

图5为本发明实施例中跟随控制方法的位置坐标变换示意图；

图6为本发明实施例中跟随控制方法的方向矢量坐标变换示意图；

图7为本发明实施例中跟随控制方法的求逆解过程所用方向矢量示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

本发明主要对用于驱动打印喷嘴相对打印平台做多自由度运动的行走机构的结构进行改进，以能驱动打印喷嘴相对打印平台做四自由度以上运动，从而提高该六自由度三维打印装置的适用范围，并提高一些三维模型的打印精度，置于打印喷嘴、热熔装置、机架及供料装置的结构可参照现有产品进行设计。

实施例

参见图1、图2及图3，本六自由度三维打印装置1包括控制单元、机架2及安装在机架2上的平动行走机构3、打印头4与打印平台5。控制单元包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序。

平动行走机构3，包括横向行走机构31、纵向行走机构32、垂向行走机构33及第二支撑架34、直线导轨35、滑块36、支撑块37、导杆38，轴承座39。横向行走机构31、纵向行走机构32、垂向行走机构33通过轴承座39固设于第二支撑架34上，支撑块37通过螺栓连接固设于滑块36上，导杆38和支撑块37通过螺纹进行连接，支撑块37和打印头4通过轴承进行装配连接。

横向行走机构31受横向步进电机311驱动，控制打印头4相对机架2沿图示的X轴平动。参见图1，具体的为，横向行走机构31包括横向步进电机311、两根横向丝杆312、两个与横向丝杆312旋合的横向螺母313，固设在第二支撑架34上的横向步进电机311通过横向同步带314驱动两根横向丝杆312同步转动，从而带动打印头4相对机架2沿图示的X轴平动。

纵向行走机构32受纵向步进电机321驱动，控制打印头4相对机架2沿图示的Y轴平动。参见图1及图4，具体的为，纵向行走机构32包括纵向步进电机321、两根纵向丝杆322、两个与纵向丝杆322旋合的纵向螺母323，固设在第二支撑架34上的纵向步进电机321通过纵向同步带324驱动两根纵向丝杆322同步转动，从而带动打印头4相对机架2沿图示的Y轴平动。

垂向行走机构33受垂向步进电机331驱动，控制打印头4相对机架2沿图示的Z轴平动。参见图1及图4，具体的为，垂向行走机构33包括垂向步进电机331、两根垂向丝杆332、两个与垂向丝杆332旋合的垂向螺母333、四根垂向导杆335，垂向导杆335通过轴承座39和第二支撑架34进行连接，固设在机架2上的垂向步进电机331通过垂向同步带334驱动两根垂向丝杆332同步转动，从而带动打印头4相对机架2沿图示的Z轴平动。

打印头4包括头座41、打印喷嘴42、加热熔融装置43、散热装置44、第一摆动机构45及柔性导管46。其中打印喷嘴42包括喷嘴摆臂421和挤出头422，挤出头422和喷嘴摆臂421通过螺纹进行连接，柔性导管46和喷嘴摆臂421上方进行连接。第一摆动机构45受第一伺服电机451驱动，以控制打印喷嘴42相对打印头4的头座41绕X轴做摆动运动。参见图2及图4，具体的为，第一摆动机构45包括第一伺服电机451，主动直齿轮452，传动直齿轮453，蜗杆454及蜗轮455。第一伺服电机451固定于头座41内部，主动直齿轮452与第一伺服电机451转轴固联在一起，与主动直齿轮452相啮合的传动直齿轮453固定于蜗杆454轴上，蜗杆454与头座41通过轴承转动配合，蜗轮455与头座41通过轴承转动配合，打印喷嘴42与蜗轮455固联于一起。打印喷嘴42通过第一伺服电机451驱动、齿轮组452、453传动及蜗轮蜗杆454、455传动完成绕头座41的X轴的摆动运动。两个啮合的直齿轮中心距为36mm，且二者齿轮结构相同，均是齿数为24、模数为1.5mm、齿顶圆直径为39mm、变位系数为0与分度圆直径为36mm，即两者间的传动比为1:1。啮合的蜗杆蜗轮中心距为24mm、蜗杆头数为3、轴向模数为1mm、直径系数为18、螺旋线方向为右旋、轴面压力角即齿廓角为20°、分度圆直径为18mm、齿顶圆直径为20mm，蜗轮齿数为30、齿宽为14mm、分度圆直径为30mm、齿顶圆直径为32mm。

第二摆动机构51受第二伺服电机511驱动，以控制台座516相对机架3做摆动运动，从而驱动支撑平台522绕X轴向摆动。参见图2及图4，具体的为，第二摆动机构51包括两个第二伺服电机511，第一支撑架512，两组锥齿轮513、514，四根传动轴515及台座516。第二摆动机构51由两组中心对称的锥齿轮513、514传递运动，第一支撑架512固联于机架2上，两组锥齿轮513、514通过键连接分别固定于两根传动轴515上，从动锥齿轮514与主动锥齿轮513啮合成正交传动系，台座516与两根传动轴515固联在一起，台座516通过第二伺服电机511驱动及锥齿轮组513、514传动进行摆动运动。两锥齿轮的结构参数相同，即二者间的传动比为1:1，结构参数均是齿数为22、模数为2.5、分度圆锥面圆锥角为45°、分度圆直径为55mm与齿顶圆直径为58.54mm。

旋转机构52受步进电机521驱动，以控制支撑平台522相对台座516做旋转运动，在支撑平台522的打印平面沿水平面布置时，绕Z轴向转动自由度。参见图3及图4，具体的为，旋转机构52设于台座516与支撑平台522间，包括两个步进电机521、连接件525、大齿轮523及同轴地固设在步进电机521的转子轴上的小齿轮524；步进电机521通过连接件525与台座516固联，大齿轮523通过轴承与台座516相配合，两个小齿轮524对称地位于大齿轮523的周向上且与大齿轮523相啮合，齿轮的转轴的轴向均垂直于支撑平台522的打印面。两啮合齿轮传动比为2:1、中心距为71.25mm，其中大齿轮模数为2.5mm、齿数为38、变位系数为0、分度圆直径为95mm、齿顶圆直径为100mm、小齿轮模数为2.5mm、齿数为19、变位系数为0、分度圆直径为47.5mm、齿顶圆直径为52.5mm。

即，行走机构3驱动打印头4相对打印平台5做六自由度运动，包括三个相互正交的平动、一个转动及两个摆动。

由于在本发明中，打印装置包含六个运动自由度，对应的驱动电机一共有六个，因此对应六个控制参数，需要一种相应的跟随控制方法。对前述六自由度三维打印装置进行运动控制的步骤包括获取步骤S1、坐标系统构建步骤S2、获取跟随控制的运动学正解步骤S3、获取跟随控制的运动学逆解步骤S4及打印控制步骤S5，即存储于存储器内的计算机程序被处理器执行时能够实现前述五个步骤。

获取步骤S1，接收经切片处理后的三维模型，从中获取所有打印点的位置坐标P＝(P_X,P_Y,P_Z)及所述打印点所在切片层的层面法矢构成参数组集

对于层面法矢的获取，为参照公开号为CN106600710A的专利文献《一种几何网格模型邻接拓扑关联的层切多连通域构建方法》所述方法获得打印件的切片数据，具体为按照所述专利中发明内容[0009]步骤，分层方向可与专利中所述原始几何网格模型的三个主方向成任意角度，据此确定旋转变换矩阵R。所述P点的三个参数P_X,P_Y,P_Z可根据所述专利方法直接获得，所述的三个参数u_x,u_y,u_z可由公式计算，所述公式为：

所述切片数据为所有打印点的位置坐标P＝(P_X,P_Y,P_Z)和所述打印点所在打印基准面法矢共同构成的数据集

坐标系统构建步骤S2，参见图4，构建坐标系统如下：其中基坐标系为OXYZ坐标系；O_nX_nY_nZ_n为打印头坐标系，其原点设在打印喷嘴喷口中心，其初始坐标轴方向与基坐标系一致；O_m2X_m2Y_m2Z_m2是与头座固联头座坐标系，其原点O_m2为喷嘴摆臂摆动中心,其初始坐标轴方向与基坐标系一致；O_m1X_m1Y_m1Z_m1是与打印平台两个回转轴及打印平台固联的打印平台坐标系，其原点O_m1为垂直于两回转轴、过其交点的直线与打印平台放置物体表面的交点，其初始坐标轴方向与基坐标系一致；打印件坐标系为O_pX_pY_pZ_p，打印头位置坐标P＝(P_X,P_Y,P_Z)及打印基准面法矢在该坐标系中给出，其初始坐标轴方向及坐标系位置与打印平台坐标系一致。打印平台处于设定好的初始位置时，回转轴A′、A、C′相对于初始状态的角度均为0°，这里的三个角度构成三个运动控制参数。设打印喷嘴长度为L，O_m1在基坐标系下的矢量表示为头座相对于初始位置的位移量即平动行走机构的XYZ方向位移表示为这里的三个位移量构成另外三个运动控制参数。在打印头坐标系中，喷口中心位置点和喷头方向矢量分别为[0 0 0]^T和[0 0 1]^T，O_m1与支撑平台放置物体表面中心的垂向距离为H。

获取跟随控制的运动学正解步骤S3，参见图5及图6,步骤如下：根据实施例中的六自由度三维打印装置及对应的坐标系统，按照坐标系统间的变换关系，得出如下坐标变换方程组

对应具体变换关系,可得本实施例中的坐标变换方程组为：

上式的计算方向为从右至左，其中有关平移和回转运动的齐次坐标变换矩阵为：

因此可求得跟随控制的运动学正解为

获取跟随控制的运动学逆解步骤S4，该步骤共包括三个子步骤，分别为求解θ_C′的唯一最优解步骤S41，求解θ_A及θ_A′的解步骤S42，求解平动运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ]^T步骤S43。参见图7,具体为：

求解θ_C′的唯一最优解步骤S41，步骤如下：根据打印基准面法矢的u_x,u_y分量及按下式确定θ_C′的唯一最优解，

其中，β的计算公式为，

可以解出θ_C＇具体的一系列数值解，于是可求出sinθ_C′、cosθ_C′的具体一系列数值解，从而使得正解方程组中消去一个变量θ_C′。

求解θ_A及θ_A＇的解步骤S42，步骤如下：根据打印基准面法矢的u_x,u_y,u_z分量，按下式确定θ_A及θ_A′的解，

其中，α及i的计算公式为，

可以解出θ_A及θ_A′具体的一系列数值解，于是可求出sinθ_A′、cosθ_A′、sinθ_A、cosθ_A的具体一系列数值解，从而使得正解方程组中再消去两个变量θ_A及θ_A′。

求解平动运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ]^T步骤S43，步骤如下：在经过步骤S41及步骤S42消去三个变量θ_C′、θ_A及θ_A′后，正解方程组变为简单的三元非齐次线性方程组，此时只包含P_MX,P_MY,P_MZ三个变量，因此可以按照消元法求解出来，获得一系列P_MX,P_MY,P_MZ的解。最后将这些解按照切片数据中生成矩阵数据集的方向性排列起来，即得到控制实施例中六自由度三维打印装置运动的六个参数所构成的解集

打印控制步骤S5，以所述运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ,θ_A′,θ_A,θ_C′]^T控制所述平动行走机构、所述第二摆动机构、所述第一摆动机构及所述旋转机构动作，同时控制打印喷嘴挤出呈熔融状态的成形材料，以打印对应打印点。

对于传统切片软件生成的切片数据只针对X-Y-Z型三维打印装置进行三个方向的运动控制，若应用于六自由度三维打印装置，则不能发挥多自由度的灵活性与高适用性，若直接针对六自由度三维打印装置及打印件手工进行运动控制程序的编写，则程序编制繁琐复杂。因此提出该六自由度三维打印装置的运动跟随控制方法，以期编写程序直接生成控制代码，提高效率。

在本发明中，基于前述行走机构改进的三维打印装置，即打印喷嘴相对打印平台能够实现六自由度，并提出一种跟随控制方法，在该跟随控制方法指导下生成可控制该六自由度三维打印装置运动的参数表。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种六自由度三维打印装置，包括控制单元、机架及安装在所述机架上的打印头、打印平台与受所述控制单元控制地驱动所述打印头相对所述机架做三维平动运动的平动行走机构，其特征在于：

所述打印头包括头座，安装在所述头座上的打印喷嘴，及受所述控制单元控制地驱动所述打印喷嘴相对所述头座绕第一摆动轴摆动的第一摆动机构；

所述打印平台包括台座，安装在所述台座上的支撑平台，受所述控制单元控制地驱动所述台座绕第二摆动轴摆动的第二摆动机构，及受所述控制单元控制地驱动所述支撑平台绕旋转轴转动的旋转机构；所述支撑平台的台面为所述打印平台的打印平面；

所述旋转轴的轴向与所述第二摆动轴的轴向不平行，且垂直于所述打印平面。

2.根据权利要求1所述的六自由度三维打印装置，其特征在于：

所述第一摆动机构包括第一伺服电机、主动直齿轮、传动直齿轮、蜗轮、蜗杆及柔性导管，所述打印喷嘴包括喷嘴摆臂及挤出头，所述挤出头固设在所述喷嘴摆臂上，所述柔性导管连接于所述喷嘴摆臂上方且与所述挤出头连通；

所述头座为腔室结构，头座上设有供进料使用的进料口，所述第一伺服电机固定在所述腔室结构内，所述主动直齿轮与所述伺服电机的转子轴固联，与所述主动直齿轮啮合的传动直齿轮同轴地固定在所述蜗杆的轴上，所述蜗杆及所述蜗轮可转动地安装在所述腔室结构上，所述喷嘴摆臂与所述蜗轮固联。

3.根据权利要求1或2所述的六自由度三维打印装置，其特征在于：

所述第二摆动机构包括设于所述台座两侧的摆动驱动机构，所述摆动驱动机构包括第二伺服电机、第一支撑架、主动锥齿轮与从动锥齿轮；

所述第一支撑架固联于所述机架上，所述第二伺服电机通过传动轴驱动所述主动锥齿轮转动，所述从动锥齿轮与所述主动锥齿轮啮合成正交传动系，所述台座通过传动轴与所述从动锥齿轮固联。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的六自由度三维打印装置，其特征在于：

所述旋转机构设于所述台座与所述支撑平台间，包括两个步进电机、连接件、大齿轮及同轴地固设在所述步进电机的转子轴上的小齿轮；

所述步进电机通过所述连接件与所述台座固联，所述大齿轮通过轴承与所述台座相配合，两个所述小齿轮对称地位于所述大齿轮的周向上且与所述大齿轮相啮合，齿轮的转轴的轴向均垂直于所述打印平面。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的六自由度三维打印装置，其特征在于：

所述平动行走机构包括行走装置，直线导轨，第一滑块，支撑块，四根垂向导杆，两根垂向丝杆，两个与所述垂向丝杆旋合的垂向螺母，两根横向丝杆，两个与所述横向丝杆旋合的横向螺母，两根纵向丝杆及两个与所述纵向丝杆旋合的纵向螺母；

所述行走装置包括第二支撑架、横向导杆、纵向导杆及正交滑块，所述正交滑块上设有与所述横向导杆相配合的横向导孔及与所述纵向导杆相配合的纵向导孔，所述正交滑块上还设有供进料使用的进料口，所述头座与所述正交滑块固定连接；

所述直线导轨固定于所述第二支撑架上，所述第一滑块与所述直线导轨构成移动副，所述支撑块固定于所述正交滑块上，所述支撑块上设有与所述横向导杆进行固定连接及与所述纵向导杆进行连接的螺纹孔；

所述第一滑块上设有与所述横向丝杆及所述纵向丝杆相旋合的螺母，固设在所述第二支撑架上的横向驱动电机通过同步带驱动两根所述横向丝杆同步转动，固设在所述第二支撑架上的纵向驱动电机通过同步带驱动两根所述纵向丝杆同步转动，固设在所述机架上的垂向驱动电机通过同步带驱动两根所述垂向丝杆同步转动。

6.一种三维打印装置的跟随控制方法，基于权利要求1至5任一项权利要求所述的六自由度三维打印装置，其特征在于，包括以下步骤：

获取步骤，接收经切片处理后的三维模型，从中获取所有打印点的位置坐标P＝(P_X,P_Y,P_Z)及所述打印点所在切片层的层面法矢构成参数集

坐标系统构建步骤，基于所述六自由度三维打印装置的结构尺寸参数，所述打印平台、所述打印头与所述支撑平台在打印初始状态时的位置参数，及所述三维模型的尺寸参数，构建固联于所述机架上的基坐标系、固联于所述头座上的头座坐标系、固联于所述打印头上的打印头坐标系、固联于所述支撑平台上的打印平台坐标系及固联于目标打印件上的打印件坐标系；

运动学正解获取步骤，基于构建出的各坐标系统间的转换关系，获取参数组[P_X,P_Y,P_Z,u_x,u_y,u_z]^T与所述六自由度三维打印装置的运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ,θ_A′,θ_A,θ_C′]^T间的坐标变换方程组，P_MX,P_MY及P_MZ为所述平动行走机构在每一维度上平动量的控制参数，θ_A′,θ_A及θ_C′对应为所述第二摆动机构、所述第一摆动机构及所述旋转机构的运动量控制参数；

运动学逆解获取步骤，基于所述坐标变换方程组及所述六自由度三维打印装置的具体机械结构参数，获取所述运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ,θ_A′,θ_A,θ_C′]^T关于所述参数组[P_X,P_Y,P_Z,u_x,u_y,u_z]^T的逆解；

打印控制步骤，以运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ,θ_A′,θ_A,θ_C′]^T控制所述平动行走机构、所述第二摆动机构、所述第一摆动机构及所述旋转机构动作，同时控制打印喷嘴挤出呈熔融状态的成形材料，以打印对应打印点。

7.根据权利要求6所述的跟随控制方法，其特征在于，所述坐标系统构建步骤包括：

所述打印头坐标系的原点设在所述打印喷嘴的喷口中心，其初始坐标轴方向与所述基坐标系一致；所述头座坐标系的原点设在喷嘴摆臂的摆动中心,其初始坐标轴方向与所述基坐标系一致；所述打印平台坐标系的原点过所述第二摆动轴与所述旋转轴交点的直线与所述打印平面的交点，其初始坐标轴方向与所述基坐标系一致；所述打印件坐标系的初始坐标轴方向及坐标系位置与所述打印平台坐标系一致。

8.根据权利要求6所述的跟随控制方法，其特征在于，所述运动学正解获取步骤包括：

基于所述六自由度三维打印装置及所述坐标系统，构建打印点的位置坐标P＝(P_X,P_Y,P_Z)与层面法矢与运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ,θ_A′,θ_A,θ_C′]^T间的坐标变换方程组为：

其中,θ_A′为所述台座绕所述第一摆动轴摆动的角度，θ_A为所述打印喷嘴绕所述第二摆动轴摆动的角度，θ_C＇为所述支撑平台绕所述旋转轴旋转的角度；表示从所述打印平台坐标系变换到所述基坐标系；表示从所述打印头坐标系变换到打印平台坐标系，表示所述打印喷嘴的喷口中心点在所述打印头坐标系下的位置矢量，表示从所述头座坐标系变换到所述基坐标系,表示从所述打印件坐标系变换到所述头座坐标系,表示打印点在所述打印件坐标系下的位置坐标，表示喷嘴摆臂在所述打印头坐标系下的方向矢量，表示在所述打印件坐标系下的方向矢量。

9.根据权利要求6所述的跟随控制方法，其特征在于，所述运动学逆解获取步骤包括：

根据层面法矢的u_x,u_y分量按下式确定θ_C′的唯一最优解，

其中，β的计算公式为，

根据层面法矢的u_x,u_y,u_z分量，按下式确定θ_A及θ_A′的解，

其中，α及i的计算公式为，

根据求得的控制参数[θ_A′,θ_A,θ_C′]^T求解所述坐标变换方程组，获得运动控制参数[P_MX,P_MY,P_MZ]^T。