CN110202785B - 一种3d打印装置及混联机构载物装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种3D打印装置及混联机构载物装置，属于增材制造技术领域。混联机构载物装置包括混联驱动单元和载物台；混联驱动单元包括用于驱动载物台绕其自身载物面的法向轴旋转的旋转驱动单元及用于驱动载物台相对垂向轴偏转的并联驱动单元；旋转驱动单元安装在并联驱动单元的偏转输出端上；并联驱动单元包括固定底座、安装顶座及布置在该两座之间的支撑立柱与三个以上的伸缩驱动单元，通过三个以上的伸缩驱动单元的配合而驱使载物台翻转。本装置的旋转驱动单元固定在并联驱动单元上，不限制自转角的范围，在相同的喷头位姿情况下，可获得更多的相对运动自由度和可达空间，实现对复杂空间结构的精确成形，节省打印时间和提高3D打印的效率。

Description

一种3D打印装置及混联机构载物装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种3D打印用的混联机构载物装置及以该混联机构载物装置构建的3D打印装置。

背景技术

目前，以3D打印技术为代表的柔性加工技术正得到快速的发展。而六自由度3D打印机由于能显著地提高精度，并且由于具有多自由度，可以制造具有复杂曲面和曲线的零件而受到了广泛的关注。例如，专利文本CN108790159A公开了一种六自由度三维打印装置。

上述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。并基于跟随控制方法，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。但是，其在打印过程中，要基于打印喷嘴的偏转以实现倾斜物体的打印，容易存在干涉的问题，降低了打印空间结构复杂模型、回转体类模型的效率。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种3D用的混联机构载物装置，以能提高用其构建的3D打印装置的打印效率；

本发明的另一目的是提供一种以上述混联机构载物装置构建的3D打印装置。

为了实现上述主要目的，本发明提供的混联机构载物装置包括驱动单元和载物台；驱动单元为混联驱动单元，包括用于驱动载物台绕其自身载物面的法向轴旋转的旋转驱动单元及用于驱动载物台相对垂向轴偏转的并联驱动单元；旋转驱动单元安装在并联驱动单元的偏转输出端上；旋转驱动单元的旋转输出端构成驱动输出端；并联驱动单元包括固定底座、安装顶座及布置在该两座之间的支撑立柱与三个以上的伸缩驱动单元；支撑立柱的底端固定在固定底座上；三个以上的伸缩驱动单元环绕支撑立柱的中心轴线布置；伸缩驱动单元的基体通过虎克铰铰接在固定底座上；安装顶座的底面通过第一球铰机构铰接在支撑立柱的顶端上，周缘部通过第二球铰机构铰接在伸缩驱动单元的伸缩驱动端上；旋转驱动单元的基体固定在安装顶座上。

通过以上驱动装置，可使载物台绕其自身载物面的法向轴旋转并相对垂向轴偏转进行偏转，打印头只需做三维平动运动，相对于现有技术中的需要通过打印头进行偏转来实现六自由度三维打印的装置，有效减少了打印头打印时干涉情况的发生，以提高空间结构复杂模型、回转体类模型等的打印效率。

具体方案为载物台包括下托盘、用于承载打印物的承载盘及上挡环，三者自下而上，依序布置；下托盘的上盘面的中部区域内凹地形成有定位槽，定位槽的中心区域设有第三安装通孔；承载盘的下表面凸起地套装在定位槽内的定位部，上挡环的下表面与承载盘的载物面贴合，并通过紧固件对三者在轴向上进行固定连接；穿过第三安装通孔的紧固件将下托盘固定在旋转输出端上。三者固定连接后形成保护性护栏，防止打印物掉出载物台，利用承载盘与下托盘构建台体结构，能便于将其安装在旋转驱动输出端上，且不会破坏载物面的平面性。

进一步的方案为第一球铰机构包括轴承座、端盖、球铰总成及套装在轴承座上的安装槽内的轴承；轴承的内圈套装有套筒，球铰总成的球铰座固定在支撑立柱上，球头销套装地固定在套筒内；安装顶座固定在轴承座上。基于球铰与轴承串联构建的球铰机构，使作用在顶座与支撑立柱上的反力比较均匀，支撑立柱在支撑安装顶座的同时，安装顶座能随旋转驱动机构绕垂向轴旋转。

进一步的方案为第二球铰机构包括鱼眼轴承和接头支撑座；伸缩驱动单元的伸缩驱动端和鱼眼轴承的轴承座固定连接；鱼眼轴承的内圈与接头支撑座上的球铰轴套接；支撑座与安装顶座固定连接，且接头支撑座的顶面倾斜布置地贴合在安装顶座的侧面上。通过鱼眼轴承连接伸缩驱动单元和安装顶座，作用在两者上的反力比较均匀，并能适应任意方向的转角要求。

进一步的方案为旋转驱动单元包括电机底座、驱动电机、行星轮系和端盖；行星轮系包括内齿轮、上轴承座、下轴承座及布置在该两轴承座之间的太阳齿轮与行星齿轮；电机底座为块状结构，固定在安装顶座上，其上端面内凹地设有用于容纳驱动电机的容纳腔；容纳腔的上端口处设有内肩台及位于内肩台下侧的隔板部，内肩台上方的敞口部设置有与内齿轮的外周面配合的圆槽部；下轴承座的本体为板体结构，板体结构上设有第一安装通孔及环绕第一安装通孔均匀布置的第一轴承安装通孔；板体结构的顶面凸起地设有三个环绕该第一安装通孔均匀布置的间隔挡块，间隔挡块位于相邻两个第一轴承安装通孔之间；三个间隔挡块的外周面共同一圆柱面，且圆柱面的直径小于内齿轮的内环面；上轴承座的本体为板体结构，其板面的中部区域设有第二安装通孔及三个环绕第二安装通孔均匀布置的第二轴承安装通孔；第二安装通孔及该三个第二轴承安装通孔的位置与下轴承座上的第一安装通孔以及三个第一轴承安装通孔的位置相匹配；下轴承座固定在隔板部上；上轴承座固定在间隔挡块上，且在间隔挡块的间隔支撑下，下轴承座和上轴承座之间形成用于容纳齿轮的架空层结构；太阳齿轮套装并固连在第一齿轮轴的上端部上，第一齿轮轴可转动地套装在第一安装通孔内，传递齿轮套装并固连在第一齿轮轴的下端部上，使太阳齿轮与传递齿轮被止挡在第一安装通孔的两侧；传递齿轮与套装地固设在驱动电机的转子轴上的传递齿轮之间通过花键套传动连接；内齿轮套装在三个间隔挡块的外周上；行星齿轮套装在第二齿轮轴外且与之固定连接，在第二齿轮轴的上端部过盈配合地套装有第二轴承，下端部过盈配合地套装有第一轴承，并使第一轴承套装在第一轴承安装通孔内，第二轴承套装在第二轴承安装通孔内，使三个行星齿轮分别位于两个相邻间隔挡块之间，且通过伸出间隔挡块外的齿部与太阳齿轮同步地啮合；内齿轮可转动地套装在容纳腔的敞口处的圆槽部内；端盖固定在电机底座的上端面上，以将内齿轮可转动地限位于端盖与内肩台之间；载物台的下托盘固定在内齿轮上。使用行星轮系减速结构，不仅传动效率高，结构紧凑，而且利用多个行星轮来分担载荷，形成了功率分流，并通过内啮合齿轮传动实现无径向载荷的转矩传递，承载能力强。

进一步的方案为法向轴为所述载物面的中心轴线；三个以上的伸缩驱动单元环绕支撑立柱的中心轴线均匀布置；使得载物台在被伸缩驱动单元控制偏转时，受力更加均匀；伸缩驱动单元为伸缩杆。

为了实现上述另一目的，本发明提供的3D打印装置包括机架及安装在机架上的打印头、控制单元、行走机构及载物装置，行走机构用于驱使打印头相对机架移动；固定底座固定在机架上。

通过以上驱动装置，可使载物台绕其自身载物面的法向轴旋转并相对垂向轴偏转进行偏转，打印头只需做三维平动运动，相对于现有技术中的需要通过打印头进行偏转来实现六自由度三维打印的装置，有效减少了打印头打印时干涉情况的发生，以提高空间结构复杂模型、回转体类模型等的打印效率。

具体的方案为控制单元包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时，能实现以下步骤：

通过并联驱动单元驱使载物台的载物面调整至其法向沿垂向布置，及通过行走机构驱使打印头移动至位于载物面的中心区域处，再按照所导入的打印模型的切片数据，打印出打印物；

模型包括延伸方向沿载物面的法向布置的基底部及相对载物面的法向倾斜布置的倾斜体部；获取切片数据的步骤包括：(1)将倾斜体部分割成本体部及用于连接本体部与基底部的连接部后，连接部与本体部的连接面为法向沿倾斜体部的延伸方向布置的倾斜平面；(2)以沿基底部的延伸方向为切片法向，对基底部与连接部进行切片处理，及以倾斜体部的延伸方向为切片法向，对本体部进行切片处理；

打印出打印物的步骤包括：(1)控制并联驱动单元将载物面调整至沿水平面布置，再在载物面上逐层地打印出基底部与连接部的切片层；(2)控制并联驱动单元驱使载物面偏转至连接部上的连接面沿水平面布置，再控制打印头按照预设轨迹移动，以打印出本体部。

进一步的方案为基底部为圆柱体结构，在载物面上逐层地打印出基底部与连接部的切片层的步骤包括：

控制旋转驱动单元驱动载物台转动的同时，驱使打印头逐层地间歇性地外移，以在载物台上打印出基底部的单个切片层结构，并逐层地叠加而打印出基底部；

控制旋转驱动单元停止，再控制打印头按照预设轨迹移动，在基底部上打印出连接部。

附图说明

图1为本发明实施例的立体图；

图2为本发明实施例中并联驱动单元的立体图；

图3为本发明实施例中载物台的爆炸图；

图4为本发明实施例中固定支撑机构的立体图；

图5为图4中的D局部放大图；

图6为本发明实施例中固定支撑机构的局部爆炸图；

图7为本发明实施例中伸缩驱动机构的立体图；

图8为图2中的A局部放大图；

图9为图2中的B局部放大图；

图10为图2中的C局部放大图；

图11为本发明实施例中并联驱动单元的位置逆解时所建立坐标系的示意图；

图12为本发明实施例中旋转驱动单元的爆炸图；

图13为图12中的E局部放大图；

图14为图12中的F局部放大图；

图15为图14中的G局部放大图；

图16为采用本发明实施例所打印的空间非对称回转结构模型的圆柱体状部分的立体图；

图17为采用本发明实施例所打印的空间非对称回转结构模型的立体图；

图18为本发明的载物台顶座的转角ψ＝0°时的最大极限翻转姿态表示图。

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。

参见图1至图15，本发明3D打印用的混联机构载物装置1包括混联驱动单元11和安装在混联驱动单元11的驱动输出端上的载物台10，混联驱动单元11用于驱动控制载物台10绕载物面1010的法向1000旋转及相对垂向轴1001偏转，其中，载物面1010为载物台10的打印支撑面。

参见图3，载物台10用于承载打印物，自下而上，包括依序布置的下托盘102、承载盘101及上挡环100；下托盘102为圆盘结构，其上盘面的中部区域内凹地形成有圆盘状定位槽1021；承载盘101为圆盘结构，其下表面凸起地设有套装在该圆盘状定位槽1021内的圆盘状定位部；上挡环100的下表面与承载盘101的载物面1010贴合，以形成保护性护栏，防止打印物掉出载物台10。圆盘状定位槽1021的中心区域设有多个环绕其中心轴线均匀布置的沉头通孔1020，在本实施例中，该沉头通孔1020的数量为6个。上挡环100、承载盘101和下托盘102的边缘区域设置有多个环绕承载盘101的中心轴线均匀设置的通孔，在本实施例中，该通孔的数量为8个。沿法向1000布置的螺栓105穿过前述通孔，与螺母104和弹簧垫圈103配合，将下托盘100、承载盘101及上挡环100固定连接成整体结构。

参见图1，混联驱动单元11包括并联驱动单元3和旋转驱动单元2，旋转驱动单元2安装在并联驱动单元3的偏转输出端上，即并联驱动单元3用于驱使旋转驱动单元2相对垂向轴1001偏转，旋转驱动单元2的旋转输出端构成本实施例中的驱动输出端。

参见图2，并联驱动单元3包括固定支撑机构31、安装顶座32、固定底座33和三个伸缩驱动机构30。在本实施例中，固定底座33为Y型面板，其固定在3D打印设备的机架上，安装顶座32为六棱台结构。

参见图4至图10，固定支撑机构31包括连接机构310、端盖313、球头销312、球铰座314和支承立柱311。支承立柱311的底面设有多个环绕该立柱的中轴线均匀布置的螺纹孔3110；本实施例中的螺纹孔3110为4个。支承立柱311的顶面内凹地设有套孔，该套孔的内孔壁上设有内螺纹。连接机构310包括轴承座3100与套装在该轴承座3100的安装槽内的轴承3101；轴承座3100的边缘区域设有多个环绕其中轴线均匀设置的通孔31000，在本实施例中，通孔31000为4个。

通过螺钉与设于支承立柱311上的螺纹孔3110配合，将固定支撑机构31固定在固定底座33的上方，且使其沿着固定底座33的顶面的法向布置；球铰座314的下端部设有外螺纹，该外螺纹与设于支承立柱311的套孔上的内螺纹旋合，而使两者可拆地固定连接；球头销312与球铰座314球铰；端盖313通过螺纹结构而与球铰座314旋接，在内部形成容纳区域，以将球头销312包含在该容纳区域内，而防止球头销312脱落；连接套筒31010与球头销312的销轴部相套接，并通过沿径向布置的方头紧定螺钉315进行固定连接；轴承3101的内圈过盈配合地套装在连接套筒31010外。基于穿过通孔31000的螺钉316与设于安装顶座32上的螺孔的配合，而将安装顶座32固定安装在轴承座3100上，即固定在固定支撑机构31上。

在本实施例中，伸缩驱动机构30的数量为三个，且结构相同，三者沿固定支撑机构31的周向均匀布置。参见图7至图11，伸缩驱动机构30包括虎克铰300、鱼眼轴承301、接头支撑座302、电动推杆303和连接套304。虎克铰300包括转动座3003、固定座3005和连接座3004。其中，电动推杆303构成本发明中的伸缩杆，即构成本发明伸缩驱动单元的一个示例性结构，此外，还可采用直线电机、油缸、气缸等设备进行构建。

虎克铰300的固定座3005与固定底座33的Y型面板的3个突出段通过螺钉3003固定连接；虎克铰300具有两个自由度，即绕垂向轴30011转动的自由度及绕横向轴30012转动的自由度，具体为连接座3004与固定座3005通过沿垂向布置的铰轴而可转动地铰接，该铰轴的轴向沿垂向轴线30011布置；转动座3003与连接座3004通过横向轴而可转动地铰接，该横向轴沿横向轴线30012布置。

电动推杆303的固定端通过螺钉3001与虎克铰300的转动座3004固定，使得电动推杆303可绕垂向轴旋转及相对垂向轴偏转。连接套304套装在电动推杆303的输出轴外，上端部通过螺纹结构与鱼眼轴承301旋接，鱼眼轴承301的内圈与接头支撑座302上的球铰轴30201套接，支撑座302通过螺钉3020固定在安装顶座32上，并布置在侧面320处，且支撑座302的顶面倾斜布置地贴合在该侧面320上，以使电动推杆303的输出端与安装顶座32铰接。通过驱动电动推杆303伸缩端的伸缩移动，以驱动与支撑座302固定连接的安装顶座32相对垂向轴偏转。

即在本实施例中，伸缩驱动机构30的基体通过虎克铰300和固定底座33固定连接，输出端通过球铰机构与安装顶座32铰接，3个伸缩驱动机构30沿固定支撑机构31的周向均匀布置。

参见图12至图15，旋转驱动单元2包括电机底座4、伺服电机5、电机安装支架6、行星轮系7、内齿轮8和端盖9。其中，伺服电机5构成本发明中的驱动电机。

如图12所示，在本实施例中，电机底座4为块状结构，其上端面内凹地设有用于容纳伺服电机5的容纳腔43，该容纳腔43的上端口处设有内肩台42及位于内肩台42下侧的隔板部44，在隔板部44上设有矩形安装通孔440，容纳腔43位于内肩台42上方的敞口部为与内齿轮8的外周面配合的圆槽部。

伺服电机5通过螺钉22固定在电机安装支架6上，并从前述矩形安装通孔装入容纳腔43内，该容纳腔43的腔壁上设置有多个螺纹孔，用于固定电机安装支架6，即通过螺钉26与前述多个螺纹孔的配合，而将电机安装支架6固定在容纳腔43的腔壁上。

行星齿轮系7包括上轴承座70、下轴承座71、三个行星齿轮73和太阳齿轮72。

下轴承座71的本体为板体结构，该板体结构上设有安装通孔711及环绕该安装通孔711均匀布置的轴承安装通孔712，顶面凸起地设有三个环绕该中心通孔均匀布置的间隔挡块713，三个间隔挡块713的外周面共同一圆柱面，且该圆柱面的直径小于内齿轮8的内环面，每个间隔块713位于相邻两个轴承安装通孔712之间；每个间隔挡块713的上端面内凹地设置有多个螺孔7130；在本实施例中，螺孔7130的数量为3个。

上轴承座70的本体为板体结构，其板面的中部区域设有安装通孔701及三个环绕该安装通孔701均匀布置的轴承安装通孔700，安装通孔701及该三个轴承安装通孔700的位置与下轴承座71上的安装通孔711以及三个轴承安装通孔702的位置相匹配，具体为在板面上的投影相重合；在上轴承座70的边缘区域处设有多个环绕安装通孔701布置的螺钉安装通孔703；本实施例中螺钉安装通孔703的数量为9个，相邻两个轴承安装通孔701之间布设有三个螺钉安装通孔703。

在安装过程中，基于穿过设于下轴承座71上的安装通孔714且与设于隔板部44上的螺孔440旋合的螺钉，将下轴承座71固定在电机底座4上；螺钉28穿过螺钉安装通孔703与螺孔7130旋合，将上轴承座70固定在间隔块713上，且在间隔块713的间隔支撑下，两个轴承座之间形成用于容纳齿轮的架空层结构。

齿轮轴720可转动地套装在安装通孔711内，太阳齿轮72套装在齿轮轴720的上端部上且与之固定连接，传递齿轮721套装在齿轮轴720的下端部上且与之固定连接，且使太阳齿轮72与传递齿轮721被止挡在安装通孔711的两侧。传递齿轮721与套装地固设在伺服电机5的转子轴上的传递齿轮501之间通过花键套23传动连接，以能更好地调节伺服电机5与太阳齿轮72之间的位置，并减少伺服电机5在转动过程中的轴向窜动传递至太阳齿轮72上。

行星齿轮73套装在齿轮轴730外且与之固定连接，在齿轮轴730的上端部过盈配合地套装有轴承21，下端部过盈配合地套装有轴承20，并使轴承20套装在轴承安装通孔712内，并在下端口处用卡簧200进行止挡限位固定，轴承21套装在轴承安装通孔700内，且在上端口处用卡簧210进行止挡限位固定；从而使三个行星齿轮73分别位于两个相邻间隔挡块713之间，且具有伸出间隔挡块713外的齿部，即位于三个间隔挡块713外周面所在圆柱面之外，并同步地与太阳齿轮72啮合。

内齿轮8可转动地套装在容纳腔43的敞口处的圆槽部内。基于穿过设于端盖9上的通孔90且与螺孔40旋合的螺钉95，而将端盖9固定在电机底座4的上端面上，且将内齿轮8可转动地限位于端盖9与内肩台42之间，并使内齿轮8套装在三个间隔挡块713的外周上，且使其内齿部与三个行星齿轮73伸出间隔挡块713外的齿部同步地啮合。

如图3、图12及图13所示，基于穿过设于下托盘102上的通孔1020且与设于内齿轮8上的螺孔801的配合，而将载物台10固定在内齿轮8上。在工作过程中，行星轮系7和内齿轮8构成了行星轮减速结构，并传递至载物台10，而使载物台10绕法向1000旋转。

参见图16至图17，基于本混联机构载物装置的三维打印装置的具体打印过程如下，具体为以打印如图17所示模型的打印物为例进行说明：

通过并联驱动单元3驱使载物台10的载物面1010调整至其法向沿垂向布置，及通过行走机构驱使打印头移动至位于载物面1010的中心区域处，再按照所导入的打印模型的切片数据，打印出打印物；

模型包括延伸方向沿载物面1010的法向布置的基底部161及相对载物面1010的法向倾斜布置的倾斜体部；获取切片数据的步骤包括：

(1)将倾斜体部割成本体部163及用于连接本体部163与基底部161的连接部162后，连接部162与本体部163的连接面为法向沿倾斜体部的延伸方向布置的倾斜平面；

(2)以沿基底部161的延伸方向为切片法向，对基底部161与连接部162进行切片处理，及以倾斜体部的延伸方向为切片法向，对本体部163进行切片处理；

打印出打印物的步骤包括：

(1)控制并联驱动单元3将载物面1010调整至沿水平面布置，再在载物面1010上逐层地打印出基底部161与连接部162的切片层；

(2)控制并联驱动单元3驱使载物面1010偏转至连接部162上的连接面沿水平面布置，再控制打印头按照预设轨迹移动，以打印出本体部163。

本实施例中，基底部161为圆柱体结构，在载物面1010上逐层地打印出基底部161与连接部162的切片层的步骤包括：

控制旋转驱动单元驱动载物台10转动的同时，驱使打印头逐层地间歇性地外移，以在载物台10上打印出基底部161的单个切片层结构，并逐层地叠加而打印出基底部161；

控制旋转驱动单元停止，再控制打印头按照预设轨迹移动，在基底部161上打印出连接部162。

具体的步骤为：

1、将如图17所示的打印模型导入分析单元中。

2、对模型结构进行分析，将模型分割成基底部161、连接部162和本体部163。本体部163包括块状本体部1631和管状本体部1632，其中，连接部162的外周面为倾斜面，该倾斜面的法向沿其上所附着的本体部163的延伸方向布置。

3、以沿基底部161的轴向为法向，对基底部161与连接部162进行切片处理，及以本体部163的延伸方向为切片法向，对本体部163进行切片处理。

4、控制并联驱动单元3驱使载物台的载物面1010调整至其法向沿垂向布置，以及通过行走机构驱动打印头移动至位于载物面的中心区域，即位于旋转驱动单元2的转动轴线上，再控制旋转驱动单元2驱动载物台10转动的同时，驱使打印头逐层地间歇性的外移，以在载物台10上打印出基底部161的单个切片层结构，并逐层地叠加而打印出整个基底部161。

5、旋转驱动单元停止，控制打印头按照预设轨迹移动打印出连接部162，并在连接部162的侧面上成形出倾斜面1620。

6、控制并联驱动单元3驱使载物面偏转至倾斜面1620沿水平面布置。

7、控制打印头按照预设轨迹移动打印出本体部163。

8、控制单元通过旋转驱动单元2和并联驱动单元3，控制载物台10旋转另一基准面沿水平面布置；重复步骤7，打印喷头单元打印出本体部163中的其他块状本体部1631和管状本体部1632。

在上述三维打印装置的具体打印过程的步骤6中，并联驱动单元3需要驱动载物面相对垂向轴偏转，需要运用到并联结构的位置逆解，算法如下。参见图11，本发明中的并联驱动单元3包括三个伸缩驱动机构30和一条固定支撑机构31。三个伸缩驱动机构30的运动副的元素相同，都是由一个虎克铰副，一个移动副和一个球面副组成。并联驱动单元3的安装顶座32和固定底座33之间由一个球面副的固定支撑机构31连接。

根据机构自由度计算公式-修正的Grubler-kutzbach公式计算自由度，并联驱动单元3具有三个自由度：

其中，M、d、n、g分别是并联驱动单元3的自由度的数量、阶数、构件数及运动副数。f_i为第i个运动副的自由度，v为机构冗余约束的数量，ξ为机构局部自由度的数量。由于并联驱动单元3为空间三维机构，因此该机构的阶数为6，即d＝6，机构的活动构件的数量为n＝8，运动副包括3个移动副，4个球铰副，3个虎克铰副，因此g＝10。其中移动副的自由度为1，虎克铰副的自由度为2，球铰副的自由度为3。因此，该并联驱动单元3的自由度数为：

M＝6×(8-10-1)+3×1+3×2+4×3+0-0＝3

固定支撑机构31限制了安装顶座32的三个移动自由度，因此并联驱动单元3的安装顶座32具有三个转动的自由度。

对并联驱动单元3进行运动学分析，对本发明中的并联驱动单元3底座进行逆解。并联驱动单元3的位置分析是对机构的输入与输出构件之间位置关系的求解，本发明专利的说明书对作为底座的并联驱动单元3进行位置逆解，即已知各个输出的参数(在本发明中为并联驱动单元3的安装底座32在空间的姿态)求得输出构件的位置参数。

建立坐标系：将参考坐标系和动坐标系的原点分别设在作为并联驱动单元3的安装底座32的几何形心O_m点与中间支撑球铰的中心点O_b，建立参考坐标系O_m-X_mY_mZ_m和动坐标系O_b-X_bY_bZ_b，其中，X_m轴与O_mB₁两点连线所在直线重合，Z_m轴与静平台所在的平面正交垂直向上，Y_m满足坐标系右手法则。同理，轴与O_bM₁两点连线所在直线重合，Z_b轴与该机构动平台所在的平面正交垂直向上，Y_b同样满足坐标系右手法则。

选用此倾斜扭转角法来描述并联机构的姿态工作空间，并联驱动单元3的动平台相对于固定坐标系地姿态变换矩阵为：

T(αβγ)＝[u v w]

其中：

u_3×1＝[cos(a)*cos(b)*cos(c-a)-sin(a)*sin(c-a)

sin(a)*cos(b)*cos(c-a)+cos(a)*sin(c-a)

-sin(b)*cos(c-a)]

v_3×1＝[-cos(a)*cos(b)*sin(c-a)-sin(a)*cos(c-a)

-sin(a)*cos(b)*sin(c-a)+cos(a)*cos(c-a)

sin(b)*sin(c-a)]

w_3×1＝[cos(a)*sin(b)

sin(a)*sin(b)

cos(b)]

其中α＝a；β＝b；γ＝c。

并联驱动单元3的安装底座32的半径为r，固定底座33的半径为R，三条运动支链的长度为l_i，中间球铰副的中心到动平台的距离为h，到静平台的距离为H。根据已经建立的参考坐标系与动坐标系，那么动平台的三个球铰位置点的坐标在动坐标系下的位置矢量为：

静平台的三个虎克铰点在参考坐标系下的位置矢量为：

动平台的三个球铰中心相对于运动坐标系地位置矢量在参考坐标系下的位置矢量可以表示为：

^mM_i＝T·M_i(i＝1，2，3)

运动坐标系原点的位置矢量在参考坐标系中可以表示为：

^mO_b＝(0 0 H)^T

因此该并联驱动单元3的三个驱动分支在参考坐标系下的位置矢量为：

L_i＝T·M_i+^mO_b-B_i(i＝1，2，3)

上式就是该并联驱动单元3的运动学逆解，即在已知末端执行器的三个输出参数α，β，γ时，进一步地，可求解出机构三个作为驱动分支的伸缩驱动机构30的位置矢量。

三个伸缩驱动机构30的长度为：

l_i＝‖L_i‖(i＝1，2，3)

综上所述，并联驱动单元3的位置逆解已经得到，对于所设的参数并联驱动单元3的安装底座32的半径为r，固定底座33的半径为R，中间球铰副的中心到动平台的距离为h，到静平台的距离为H在结构设计时已经得到，只需要代入计算就可以得到作为驱动分支的三条伸缩驱动机构30的长度，就可以控制电动推杆对下一时刻运动支链的长度进行快速反应。更进一步地，因为已经建立了并联驱动单元3位置逆解的数学模型，所以可以设计多组参数，每组参数对应一种尺寸的并联驱动单元3，以适应不同3D打印设备的尺寸型号和打印要求。

参见图1，旋转驱动单元2可以使得载物台10绕空间竖轴转动任意角度。因此整个混联驱动单元11围绕空间竖轴旋转的角度等于旋转驱动单元2旋转的角度与并联驱动单元3绕空间竖轴旋转的角度之和，混联驱动单元11围绕空间中另外两轴旋转的角度与并联驱动单元3围绕空间中另外两轴旋转的角度一致。

参见图18，本发明的混联结构载物台由旋转结构和并联结构混联而成。随着载物台的自转角|ψ|的增大，平台的翻转能力会下降，工作空间截面逐渐减小，所以在ψ＝0°时的工作空间截面最大。平台的翻转能力由绕固定坐标系的Y轴旋转角θ来表示，θ越大表示平台的翻转能力越强。本发明的装置存在并能够保持一定区间内的三个对称的最大极限翻转姿态，分别是θ为45.1°时，动平台绕固定坐标系的z轴旋转角

为[44.6°，75.6°]，[164.6°，195.6°]，[284.6°，315.6°]。

本发明的旋转驱动单元2固定在并联驱动单元3的动平台上，可以绕动平台的Z轴转动任意角度，在θ和

为任意确定值时，不限制自转角ψ的范围，使ψ可以达到[0°，360°]区间内任意角度，扩展了并联机构的工作空间。因此，本发明的载物台与XYZ型、柱坐标型、并联结构型的3D打印装置的载物台相比，提供了更广的可达域，更加灵活，累积误差小，反应迅速。在相同的喷头位姿情况下，可获得更多的相对运动自由度和可达空间，减少外部支撑的使用，实现对复杂空间结构的精确成形，节省打印时间和提高3D打印的效率。

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3D打印用的混联机构载物装置，包括驱动单元及安装在所述驱动单元的驱动输出端上的载物台；其特征在于:

所述驱动单元为混联驱动单元，包括用于驱动所述载物台绕其自身载物面的法向轴旋转的旋转驱动单元及用于驱动所述载物台相对垂向轴偏转的并联驱动单元；所述旋转驱动单元安装在所述并联驱动单元的偏转输出端上；所述旋转驱动单元的旋转输出端构成所述驱动输出端；

所述并联驱动单元包括固定底座、安装顶座及布置在该两座之间的支撑立柱与三个以上的伸缩驱动单元；所述支撑立柱的底端固定在所述固定底座上；所述三个以上的伸缩驱动单元环绕所述支撑立柱的中心轴线布置；所述伸缩驱动单元的基体通过虎克铰铰接在所述固定底座上；所述安装顶座的底面通过第一球铰机构铰接在所述支撑立柱的顶端上，周缘部通过第二球铰机构铰接在所述伸缩驱动单元的伸缩驱动端上；所述旋转驱动单元的基体固定在所述安装顶座上；

所述旋转驱动单元包括电机底座、驱动电机、行星轮系和端盖；所述行星轮系包括内齿轮、上轴承座、下轴承座及布置在该两轴承座之间的太阳齿轮与行星齿轮；

所述电机底座为块状结构，固定在所述安装顶座上，其上端面内凹地设有用于容纳所述驱动电机的容纳腔；所述容纳腔的上端口处设有内肩台及位于所述内肩台下侧的隔板部，所述内肩台上方的敞口部设置有与所述内齿轮的外周面配合的圆槽部；

所述下轴承座的本体为板体结构，所述板体结构上设有第一安装通孔及环绕所述第一安装通孔均匀布置的第一轴承安装通孔；所述板体结构的顶面凸起地设有三个环绕该所述第一安装通孔均匀布置的间隔挡块，所述间隔挡块位于相邻的两个所述第一轴承安装通孔之间；三个所述间隔挡块的外周面共同一圆柱面，且所述圆柱面的直径小于所述内齿轮的内环面；所述上轴承座的本体为板体结构，其板面的中部区域设有第二安装通孔及三个环绕所述第二安装通孔均匀布置的第二轴承安装通孔；所述第二安装通孔及三个所述第二轴承安装通孔的位置与所述下轴承座上的第一安装通孔以及三个所述第一轴承安装通孔的位置相匹配；所述下轴承座固定在所述隔板部上；所述上轴承座固定在所述间隔挡块上，且在所述间隔挡块的间隔支撑下，所述下轴承座和所述上轴承座之间形成用于容纳齿轮的架空层结构；

所述太阳齿轮套装并固连在第一齿轮轴的上端部上，所述第一齿轮轴可转动地套装在所述第一安装通孔内，一个传递齿轮套装并固连在所述第一齿轮轴的下端部上，使所述太阳齿轮与所述传递齿轮被止挡在所述第一安装通孔的两侧；所述传递齿轮与套装地固设在所述驱动电机的转子轴上的传递齿轮之间通过花键套传动连接；

所述内齿轮套装在三个所述间隔挡块的外周上；所述行星齿轮套装在第二齿轮轴外且与之固定连接，在所述第二齿轮轴的上端部过盈配合地套装有第二轴承，下端部过盈配合地套装有第一轴承，并使所述第一轴承套装在所述第一轴承安装通孔内，所述第二轴承套装在所述第二轴承安装通孔内，使三个所述行星齿轮分别位于两个相邻的所述间隔挡块之间，且通过伸出所述间隔挡块外的齿部与所述太阳齿轮同步地啮合；

所述内齿轮可转动地套装在所述容纳腔的敞口处的圆槽部内；所述端盖固定在所述电机底座的上端面上，以将所述内齿轮可转动地限位于所述端盖与所述内肩台之间；所述载物台的下托盘固定在所述内齿轮上。

2.根据权利要求1所述的混联机构载物装置，其特征在于：

自下而上，所述载物台包括依序布置的下托盘、用于承载打印物的承载盘及上挡环；所述下托盘的上盘面的中部区域内凹地形成有定位槽，所述定位槽的中心区域设有第三安装通孔；所述承载盘的下表面凸起地设有套装在所述定位槽内的定位部，所述上挡环的下表面与所述承载盘的载物面贴合，并通过紧固件对三者在轴向上进行固定连接；穿过所述第三安装通孔的紧固件将所述下托盘固定在所述旋转输出端上。

3.根据权利要求2所述的混联机构载物装置，其特征在于：

所述第一球铰机构包括轴承座、端盖、球铰总成及套装在所述轴承座上的安装槽内的轴承；所述轴承的内圈套装有套筒，所述球铰总成的球铰座固定在所述支撑立柱上，球头销套装地固定在所述套筒内；所述安装顶座固定在所述轴承座上。

4.根据权利要求1所述的混联机构载物装置，其特征在于：

所述第一球铰机构包括轴承座、端盖、球铰总成及套装在所述轴承座上的安装槽内的轴承；所述轴承的内圈套装有套筒，所述球铰总成的球铰座固定在所述支撑立柱上，球头销套装地固定在所述套筒内；所述安装顶座固定在所述轴承座上。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的混联机构载物装置，其特征在于：

所述第二球铰机构包括鱼眼轴承和接头支撑座；所述伸缩驱动单元的伸缩驱动端和所述鱼眼轴承的轴承座固定连接；所述鱼眼轴承的内圈与所述接头支撑座上的球铰轴套接；所述支撑座与所述安装顶座固定连接，且所述接头支撑座的顶面倾斜布置地贴合在所述安装顶座的侧面上。

6.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的混联机构载物装置，其特征在于：

所述法向轴为所述载物面的中心轴线；

所述三个以上的伸缩驱动单元环绕所述支撑立柱的中心轴线均匀布置；

所述伸缩驱动单元为伸缩杆。

7.一种3D打印装置，包括机架及安装在所述机架上的打印头、控制单元、行走机构及载物装置，所述行走机构用于驱使所述打印头相对所述机架移动；

其特征在于：

所述载物装置为权利要求1至6任一项权利要求所述的混联机构载物装置；

所述固定底座固定在所述机架上。

8.根据权利要求7所述的3D打印装置，所述控制单元包括处理器与存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，能实现以下步骤：

通过所述并联驱动单元驱使所述载物台的载物面调整至其法向沿垂向布置，及通过所述行走机构驱使所述打印头移动至位于所述载物面的中心区域处，再按照所导入的打印模型的切片数据，打印出打印物；

所述打印模型包括延伸方向沿所述载物面的法向布置的基底部及相对所述载物面的法向倾斜布置的倾斜体部；获取所述切片数据的步骤包括：(1)将所述倾斜体部分割成本体部及用于连接所述本体部与所述基底部的连接部后，所述连接部与所述本体部的连接面为法向沿所述倾斜体部的延伸方向布置的倾斜平面；(2)以沿所述基底部的延伸方向为切片法向，对所述基底部与所述连接部进行切片处理，及以所述倾斜体部的延伸方向为切片法向，对所述本体部进行切片处理；

所述打印出打印物的步骤包括：(1)控制所述并联驱动单元将所述载物面调整至沿水平面布置，再在所述载物面上逐层地打印出所述基底部与所述连接部的切片层；(2)控制所述并联驱动单元驱使所述载物面偏转至所述连接部上的连接面沿水平面布置，再控制所述打印头按照预设轨迹移动，以打印出所述本体部。

9.根据权利要求8所述的3D打印装置，其特征在于，所述基底部为圆柱体结构，所述在所述载物面上逐层地打印出所述基底部与所述连接部的切片层的步骤包括：

控制所述旋转驱动单元驱动所述载物台转动的同时，驱使所述打印头逐层地间歇性地外移，以在所述载物台上打印出所述基底部的单个切片层结构，并逐层地叠加而打印出所述基底部；

控制所述旋转驱动单元停止，再控制所述打印头按照预设轨迹移动，在所述基底部上打印出所述连接部。

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