CN111016167A - 一种具有高响应并联调平机构的增材制造装备及调平方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高响应并联调平机构的增材制造装备及调平方法。机架的底部安装有Y向移动机构，支撑平台安装在Y向移动机构上，Z向移动机构分别安装在机架的两侧，Z向移动机构上连接安装有X向移动机构，X向移动机构上安装打印喷头和测距装置；由Z向移动机构驱动X向移动机构沿Z向竖直上下升降移动，X向移动机构驱动竖直支架及其上的打印喷头和测距装置沿X向水平移动；打印平台通过伸缩装置和虚固定杆可调节位姿地支撑安装在支撑平台上。本发明能有效提高增材制造调平的精度与响应性，从而提高增材制造的最终效果。

Description

一种具有高响应并联调平机构的增材制造装备及调平方法
技术领域
本发明涉及快速成型技术领域，具体地说，涉及一种带有打印平台调平装置与测距装置的增材制造装备，以及适用于该增材制造装备的调平方法。
背景技术
增材制造装备，通常指三维打印(3D printing,3DP)装备，是一种利用增材制造方式，将材料层层叠加成型，打印出三维物体的设备。在增材制造的过程中，打印平台是否水平与增材制造的效果与质量密切相关，打印平台的不完全水平是造成打印件产生几何形状误差的主要原因之一。在设置打印参数时，打印层厚度可设置在0.5mm以下，如果打印平台不是完全水平，最高与最低点的纵向距离大于这个值，就可能导致打印的产品在最高点熔固非常牢固，而在最低点无法与打印平台熔固；由于打印的第一层与平台的熔固强度不同，在后续打印中，打印件内部会由于热收缩等原因产生内应力，造成与平台熔固不牢的一侧产生底部翘曲；如果纵向距离相差过大，甚至有可能发生打印头运动干涉现象。这些由于打印平台不水平而造成的打印缺陷对打印质量与稳定性有十分巨大的影响。实际打印中，机械运动副旋合误差、反向旋合背隙、伺服系统热效应等复杂不确定因素，对机械装置造成运动误差累积，使得打印平台的水平度不断发生微小变化，因此，快速、精确地实现打印平台的水平度的调节，是实现高精度、高效率增材制造的重要保证。
因此，打印平台的调平对三维打印装备尤为重要，一个良好的调平装置及调平方案可以有效提高增材制造调平的精度与响应性，从而提高增材制造的最终效果。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有高响应的并联调平机构的增材制造装备和及调平方法。
本发明的并联机构区别于传统的串联机构，拥有无累计误差、承载力强、惯性小等特点，广泛应用于机器人领域和支撑结构中。将并联机构应用在增材制造调平中，可得到精度高、速度快、稳定性好的增材制造调平装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一、一种具有高响应并联调平机构的增材制造装备：
增材制造装备包括打印喷头、并联调平机构、支撑平台、打印平台、竖直支架和移动机构，并联调平机构包括伸缩装置、虚固定杆和测距装置，移动机构包括X向移动机构、Z向移动机构和Y向移动机构；机架的底部安装有Y向移动机构，支撑平台安装在Y向移动机构上，由Y向移动机构驱动支撑平台沿Y向水平移动；Z向移动机构分别安装在机架的两侧，Z向移动机构上连接安装有X向移动机构，X向移动机构上安装有竖直支架，竖直支架上安装有打印喷头和测距装置；由Z向移动机构驱动X向移动机构沿Z向竖直上下升降移动，X向移动机构驱动竖直支架及其上的打印喷头和测距装置沿X向水平移动；打印平台通过伸缩装置和虚固定杆可调节位姿地支撑安装在支撑平台上。
所述的测距装置与打印喷头均固定于竖直支架上，两者相对位置固定不变。
所述的测距装置包括舵机、连杆机构、导向座和微动开关；舵机和导向座均安装在竖直支架的底部上，舵机位于导向座上方，舵机的输出轴连接连杆机构，连杆机构包括主动杆和从动杆，主动杆的一端和舵机的输出轴同轴固接，从动杆上端开设有水平条形槽，主动杆的另一端嵌装于水平条形槽中并沿水平条形槽滑动，导轨套固定套装于导向座开设的竖直通孔中，从动杆下端活动穿过导轨套后安装有微动开关；舵机运行带动主动杆绕舵机的旋转轴旋转，经主动杆端部和从动杆上端的水平条形槽之间的连接关系，带动从动杆沿导轨套上下升降移动。
所述的伸缩装置包括三个结构相同的伸缩组件，每个伸缩组件包括伺服电机、联轴器、伸缩外壳、角接触球轴承、螺杆、螺套、支撑头、一对直齿轮和伸缩底座，伺服电机安装在伸缩底座上，伺服电机的输出轴竖直朝下并经联轴器后和一对直齿轮中的一个同轴连接；伸缩外壳竖直布置在伺服电机旁，伸缩外壳内安装有螺杆和螺套，螺杆下端和一对直齿轮中的另一个同轴连接，螺杆中部通过角接触球轴承活动套装在伸缩外壳中，伸缩外壳底端固定于伸缩底座上；螺杆上端通过螺纹套装于螺套中，螺套外壁开设凸耳，伸缩外壳内壁开设有竖直的条形槽，螺套套装在伸缩外壳中且凸耳嵌装于条形槽中形成滑动副，螺套上端穿出伸缩外壳上端开口后和支撑头固接，支撑头连接到打印平台底面；伺服电机运行经直齿轮带动螺杆旋转，进而带动螺套旋转并在滑动副限位下上下升降移动，进而经支撑头支撑升降打印平台；其中，前两个伸缩组件的伸缩底座底部通过各自铰接轴旋转铰接安装连接到支撑平台上，两根铰接轴平行但不同轴，第三个伸缩组件的伸缩底座底部球铰接安装连接到支撑平台上；前两个伸缩组件之间设有虚固定杆，虚固定杆为竖直布置的轴向杆结构，虚固定杆下端固定于支撑平台上，虚固定杆上端球铰接安装连接到打印平台底面；三个伸缩组件各自到支撑平台/打印平台的连接点形成等腰三角形布置，虚固定杆到支撑平台/打印平台的连接点位于等腰三角形的底边中点位置。
这样结构的并联调平机构设计下使得打印平台在具有并联结构的同时也具有很好的刚度，同时也能实现便捷有效的调平。
所述的Y向移动机构包括Y向底座和安装在Y向底座上的Y向电机、两个Y向同步带轮、Y向同步带、Y向导向轴；Y向电机输出轴和其中一个Y向同步带轮同轴连接，两个Y向同步带轮之间通过Y向同步带同步连接传动，形成Y向带传动副，Y向同步带的两侧固定设有水平的Y向导向轴，支撑平台的中部和Y向同步带固定连接，支撑平台的两侧活动套装在Y向导向轴上；通过Y向电机带动Y向同步带轮转动，再经Y向同步带的Y向带传动副带动支撑平台沿Y向导向轴做Y向移动。
所述的Z向移动机构包括Z向电机、Z向同步带轮、Z向同步带、丝杠、丝杠螺母和Z向导向轴；Z向同步带轮安装在机架的底部，两侧的丝杠底端和Z向同步带轮之间通过Z向同步带同步传动连接，形成Z向带传动副；机架的两侧均竖直安装有丝杠和Z向导向轴，两侧的丝杠和Z向导向轴均安装连接有一个丝杠螺母，丝杠螺母的中部通过螺纹套装在丝杠上形成Z向丝杠螺母副，丝杠螺母的侧部活动套装于Z向导向轴，两侧的丝杠螺母之间连接安装X向移动机构；Z向移动机构通过Z向电机带动Z向同步带轮转动，经Z向同步带的Z向带传动副带动两侧的丝杠同步转动，再经Z向丝杠螺母副带动丝杠螺母及其上X向移动机构沿Z向导向轴作Z向移动。
所述的X向移动机构包括X向电机、两个X向同步带轮、X向同步带和X向导向轴；两个X向同步带轮铰接安装在Z向移动机构两侧的丝杠螺母上，X向电机本体固定安装在Z向移动机构一侧的丝杠螺母上；X向电机输出轴和其中一个X向同步带轮同轴连接，两个X向同步带轮之间通过X向同步带同步连接传动，形成X向带传动副，X向同步带的两侧固定设有水平的X向导向轴，竖直支架的中部和X向同步带固定连接，竖直支架的两侧活动套装在X向导向轴上；通过X向电机带动X向同步带轮转动，再经X向同步带的X向带传动副带动竖直支架及其上的打印喷头和测距装置沿X向导向轴做X向移动。
所述伸缩组件与支撑平台通过转轴或球铰连接，可绕安装位置相对转动，其中位于等腰三角形底角的两个伸缩组件只能绕Y轴转动；位于等腰三角形顶角的伸缩组件可绕任意方向转动；该结构布置方式适用于打印平台做Y向移动，打印喷头做X、Z向移动的打印装备，可提高调平装置与打印平台的刚度，减小由于平台Y向移动对调平造成的影响。
本发明中由三个伸缩组件和一个虚固定杆构成了调平装置。其中，三个伸缩组件到打印平台/支撑平台的支撑点构成等腰三角形，虚固定杆到打印平台/支撑平台的支撑点在等腰三角形底边中点处。
本发明调平结构适用于使用所述调平装置与测距装置的高响应的并联调平机构。
二、一种增材制造装备的高响应并联调平方法：
包括测距步骤S1、调整步骤S2、检测步骤S3三个步骤：
测距步骤S1，
S1.1、打印平台的位姿固定，然后控制测距装置的微动开关下降刚接触到打印平台，以微动开关到打印平台上的接触点作为测距点，根据移动机构的电机数据转换获得的竖直支架空间位置以及测距装置相对于竖直支架的固定位置关系获得测距点的空间位置坐标；
测距装置在执行测距步骤S1过程中，测距装置随竖直支架移动到测距点上方后，竖直支架下降直至测距装置的微动开关被触发，记录此时的测距装置的舵机和移动机构的XYZ三个方向的移动机构的电机数据转换获取此时的微动开关下端的高度。
S1.2、保持打印平台的位姿固定，通过移动机构移动竖直支架带动测距装置的微动开关接触到打印平台的三处不同位置重复步骤S1.1进行测量，获得三个测距点的空间位置坐标，根据测距点的空间位置坐标计算出打印平台的倾斜角度；
调整步骤S2，
根据打印平台的倾斜角度处理获得将打印平台调整为水平面所需的各个伸缩组件的伸缩量，控制各个伸缩组件分别进行伸缩，直至打印平台调整为水平；
所述的调平装置在执行调整步骤S2过程中，伸缩组件在调整过程中可绕旋转轴或球副进行转动；虚固定杆只能在Z轴方向上进行运动，无法沿X轴或Y轴运动。
检测步骤S3，
再次重复步骤S1获取打印平台上三个测距点的空间位置坐标，并根据测距点的空间位置坐标获得调平后打印平台的倾斜角度，判断倾斜角度是否满足精度要求，若满足则完成调平，若未满足要求则再次回到进入调整步骤S2，直至倾斜角度是否满足精度要求。
测距步骤S1，
获得三个测距点的空间位置坐标，分别为P1、P2和P3：
P1＝(X1,Y1,Z1)，P2＝(X2,Y2,Z2)，P3＝(X3,Y3,Z3)
其中，X1,Y1,Z1分别第一个测距点沿XYZ方向的坐标，X2,Y2,Z2分别第二个测距点沿XYZ方向的坐标，X3,Y3,Z3分别第三个测距点沿XYZ方向的坐标；一般取P3测距点为虚固定杆与打印平台的连接点D，连接点D位于空间坐标系的Z轴上，坐标为(0,0,ZD)。
然后根据三个测距点的空间位置坐标计算出打印平台的倾斜角度：
Figure BDA0002331254950000051
Figure BDA0002331254950000052
其中，α表示打印平台绕Y向移动机构的Y方向轴的旋转角，β表示打印平台绕X向移动机构的X方向轴的旋转角；
Figure BDA0002331254950000053
表示Z方向的单位向量，
Figure BDA0002331254950000054
为打印平面法向量，
Figure BDA0002331254950000055
和
Figure BDA0002331254950000056
分表示打印平面法向量
Figure BDA0002331254950000057
在XOZ和YOZ平面内的投影，计算为：
Figure BDA0002331254950000058
Figure BDA0002331254950000059
Figure BDA0002331254950000061
调整步骤S2，
根据打印平台的倾斜角度按照以下公式处理获得各个伸缩组件的长度：
Figure BDA0002331254950000062
Figure BDA0002331254950000063
Figure BDA0002331254950000064
其中，lEA表示第三个伸缩组件的长度，lFB、lGC表示前两个伸缩组件的长度，lBC表示前两个伸缩组件上端到打印平台的连接点的间距，lAD表示第三个伸缩组件上端到打印平台的连接点与前两个伸缩组件上端到打印平台的连接点连线的垂直距离，ZD表示虚固定杆与打印平台的连接点D的Z向坐标值，lEH表示第三个伸缩组件上端到支撑平台的连接点与前两个伸缩组件上端到支撑平台的连接点连线的垂直距离，lFG表示前两个伸缩组件上端到支撑平台的连接点的间距；
上式给出了打印平台倾斜角度与伸缩组件长度之间的对应关系。接下来给出打印平台的期望调平轨迹，即打印平台倾斜角度变化轨迹和打印平台高度变化轨迹，其中平台高度用虚固定杆与打印平台的连接点D的高度来表示。最后可得到与打印平台期望调平轨迹对应的伸缩组件长度变化轨迹，控制伸缩组件按照长度变化轨迹进行运动，使打印平台按照期望调平轨迹进行调平。
检测步骤S3，
重复测距步骤S1再次获取调整后打印平台上三个测距点的空间位置坐标，记为P1′、P2′和P3′，从而得到调整后打印平台法向量
Figure BDA0002331254950000065
根据调整后打印平台法向量
Figure BDA0002331254950000066
获得与Z方向的单位向量之间的夹角θ：
Figure BDA0002331254950000067
若夹角θ未达到调平预设的精度阈值，则再次进入调整步骤S2；若夹角θ达到调平预设的精度阈值，则结束调平过程。
优选的方案为测距装置在获得触发信号时，获得增材制造装备控制模块中打印喷头所处的空间位置，通过打印喷头与测距装置的相对位置即可得到测距装置所处的空间位置，无需再单独设计测距装置空间位置判断模块，以减小系统复杂度，从而减小误差。
另一优选的方案为调平后打印平台的高度同步调整控制，在调整步骤S2中获得的各个伸缩组件的伸缩量基础上加入高度调整量，一次调平即可同时完成打印平台的水平调整以及打印平台的高度调整。
所述增材制造装备驱动打印喷头在X方向、Z方向移动，驱动打印平台在Y方向移动；打印平台通过并联调平机构进行高响应调平。
具体实施中，向所述移动机构中的电机输出控制信号，控制电机转动一定的圈数，从而控制移动机构进行位移运动；向伸缩装置的伺服电机输出控制信号，控制伺服电机的输出轴转动圈数，将转动的圈数转换为螺套的移动量，由于螺套与支撑头固定连接，将螺套的移动量即为支撑点的位移；向测距装置的舵机输出控制信号，控制舵机转动，将舵机的转动角度转换为Z方向的升降位移。
本发明的有益效果是：
(1)本发明解决了增材制造机调平难的问题，目前大多增材制造机采用人工调平方式，人工调平受调平人员经验、状态等因素影响，调平精度较低，速度较慢。部分增材制造机带有自动调平功能，但仍需人工辅助调平，且打印平台在打印过程中易受平台移动等影响易造成调平失效。
(2)本发明提供的带有并联调平机构的增材制造装备，并联机构的伸缩组件的转动副方向与平台可移动方向相同，且带有虚固定杆，由于这种结构特点，平台移动对打印平台的影响小，调平完成后在后续的打印过程中能够保持良好的调平效果。
(3)本调平机构具有高响应、小惯量、无累计误差等优点，能够实现速度快，精度高的打印平台自动调平。本调平机构还能够实现打印平台高度的调整，适用于需要改变打印平台高度的场合，且打印平台高度调整与打印平台调平能够同时完成。
本发明能有效提高增材制造调平的精度与响应性，从而提高增材制造的最终效果。
附图说明
图1为本发明实施例中增材制造装备结构示意图；
图2为本发明实施例中增材制造装备俯视图；
图3为本发明实施例中测距装置的示意图；
图4为本发明实施例中测距装置的结构分解图；
图5为本发明实施例中伸缩组件的示意图；
图6为本发明实施例中伸缩组件的结构分解图；
图7为本发明实施例中调平装置的示意图；
图8为本发明实施例中调平装置性能变化曲线图；
图9为本发明实施例中平面倾斜示意图；
图10为本发明实施例中平台倾斜角度变化轨迹图；
图11为本发明实施例中平台高度变化轨迹图；
图12为本发明实施例中伸缩组件长度变化轨迹图。
图中：打印喷头1、测距装置2、伸缩装置3、虚固定杆4、支撑平台5、打印平台6、竖直支架7、X向移动机构01、Z向移动机构02、Y向移动机构03；X向电机011、两个X向同步带轮012、X向同步带013、X向导向轴014；Z向电机021、Z向同步带轮022、Z向同步带023、丝杠024、丝杠螺母025、Z向导向轴026；Y向电机031、两个Y向同步带轮032、Y向同步带033、Y向导向轴034；舵机21、连杆机构22、导向座23、微动开关24；伺服电机31、联轴器32、伸缩外壳33、角接触球轴承34、螺杆35、螺套36、支撑头37、直齿轮38、伸缩底座39。
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2，本发明包括打印喷头1、并联调平机构、支撑平台5、打印平台6、竖直支架7和移动机构，并联调平机构包括伸缩装置3、虚固定杆4和测距装置2，移动机构包括X向移动机构01、Z向移动机构02和Y向移动机构03；机架的底部安装有Y向移动机构03，支撑平台5安装在Y向移动机构03上，由Y向移动机构03驱动支撑平台5沿Y向水平移动；Z向移动机构02分别安装在机架的两侧，Z向移动机构02上连接安装有X向移动机构01，X向移动机构01上安装有竖直支架7，竖直支架7上安装有打印喷头1和测距装置2；由Z向移动机构02驱动X向移动机构01沿Z向竖直上下升降移动，X向移动机构01驱动竖直支架7及其上的打印喷头1和测距装置2沿X向水平移动；打印平台6通过伸缩装置3和虚固定杆4可调节位姿地支撑安装在支撑平台5上。
本发明中的X向、Z向、Y向分别为打印空间三维坐标系的三个方向，Z向沿竖直方向，X向和Y向为沿水平面的两个相垂直方向。
测距装置2与打印喷头1均固定于竖直支架7上，两者相对位置固定不变。测距装置2朝下探测接触打印平台6，打印喷头1朝下进行打印。
参见图3至图4，测距装置2包括舵机21、连杆机构22、导向座23和微动开关24；舵机21和导向座23均通过固定螺栓20安装在竖直支架7的底部上，舵机21位于导向座23上方，舵机21的输出轴211连接连杆机构22，连杆机构22包括主动杆221和从动杆222，主动杆221的一端和舵机21的输出轴211同轴固接，从动杆222上端开设有水平条形槽，主动杆221的另一端嵌装于水平条形槽中并沿水平条形槽滑动，导轨套231通过固定螺栓20固定套装于导向座23开设的竖直通孔中，从动杆222下端活动穿过导轨套231后安装有微动开关24；微动开关24作为触发装置通过固定螺栓20安装在从动杆222的末端；舵机21运行带动主动杆221绕舵机21的旋转轴旋转，经主动杆221端部和从动杆222上端的水平条形槽之间的连接关系，带动从动杆222沿导轨套231上下升降移动。
若微动开关24下端接触到打印平台6，则微动开关24输出触发信号，打印喷头1在移动机构驱动停止下降，并根据微动开关24相对于移动机构的位置和移动机构各个方向的电机当前数据获得微动开关24下端的测距点高度和三维位置。
具体实施中，连杆机构的从动杆222沿Z方向移动到最低位置时，固定安装从动杆222下端的微动开关24位置低于打印喷头1的喷嘴最低位置。
参见图5至图7，伸缩装置3包括三个结构相同的伸缩组件，每个伸缩组件包括伺服电机31、联轴器32、伸缩外壳33、角接触球轴承34、螺杆35、螺套36、支撑头37、一对直齿轮38和伸缩底座39，伺服电机31安装在伸缩底座39上，伺服电机31的输出轴竖直朝下并经联轴器32后和一对直齿轮38中的一个同轴连接；伸缩外壳33竖直布置在伺服电机31旁，伸缩外壳33内安装有螺杆35和螺套36，螺杆35下端和一对直齿轮38中的另一个同轴连接，螺杆35中部通过角接触球轴承34活动套装在伸缩外壳33中，伸缩外壳33底端固定于伸缩底座39上；螺杆35上端设置为螺纹段，螺套36内孔设置为螺纹孔，螺杆35上端通过螺纹套装于螺套36中，螺套36外壁开设凸耳，伸缩外壳33内壁开设有竖直的条形槽，螺套36套装在伸缩外壳33中且凸耳嵌装于条形槽中形成滑动副，伸缩外壳33上端开口，螺套36上端穿出伸缩外壳33上端开口后和支撑头37固接，支撑头37顶接连接到打印平台6底面，支撑头37为半球面结构这样实质形成球铰接到打印平台6底面；伺服电机31运行经直齿轮38带动螺杆35旋转，进而带动螺套36旋转并在滑动副限位下上下升降移动，进而经支撑头37支撑升降打印平台6。
其中，前两个伸缩组件的伸缩底座39底部通过各自铰接轴旋转铰接安装连接到支撑平台5上，两根铰接轴平行但不同轴，第三个伸缩组件的伸缩底座39底部球铰接安装连接到支撑平台5上，第三个伸缩组件连接到支撑平台5上的连接点位于前两个伸缩组件连接到支撑平台5上的连接点之间的连线之外，三个伸缩组件各自到支撑平台5/打印平台6的连接点均位于支撑平台5和打印平台6的边缘处；前两个伸缩组件之间的连线上设有虚固定杆4，虚固定杆4为竖直布置的轴向杆结构，虚固定杆4下端固定于支撑平台5上，虚固定杆4上端球铰接安装连接到打印平台6底面；三个伸缩组件各自到支撑平台5/打印平台6的连接点形成等腰三角形布置，虚固定杆4到支撑平台5/打印平台6的连接点位于等腰三角形的底边中点位置。
具体实施中，X向移动机构01、Z向移动机构02、Y向移动机构03可以设计为螺杆、带传动的结构。
参见图1至图2，Y向移动机构03包括Y向底座和安装在Y向底座上的Y向电机031、两个Y向同步带轮032、Y向同步带033、Y向导向轴034；两个Y向同步带轮032铰接安装在Y向底座的两端，Y向电机031本体固定在Y向底座上，Y向电机031输出轴和其中一个Y向同步带轮032同轴连接，两个Y向同步带轮032之间通过Y向同步带033同步连接传动，形成Y向带传动副，Y向同步带033的两侧固定设有水平的Y向导向轴034，Y向导向轴034两端水平支撑在Y向底座两端之间，支撑平台5的中部和Y向同步带033固定连接，支撑平台5的两侧活动套装在Y向导向轴034上；通过Y向电机031带动Y向同步带轮032转动，再经Y向同步带033的Y向带传动副带动支撑平台5沿Y向导向轴034做Y向移动。
Z向移动机构02包括Z向电机021、Z向同步带轮022、Z向同步带023、丝杠024、丝杠螺母025、Z向导向轴026；Z向同步带轮022安装在机架的底部，两侧的丝杠024底端和Z向同步带轮022之间通过Z向同步带023同步传动连接，形成Z向带传动副；机架的两侧均竖直安装有丝杠024和Z向导向轴026，Z向导向轴026位于丝杠024旁，两侧的丝杠024和Z向导向轴026均安装连接有一个丝杠螺母025，丝杠螺母025的中部通过螺纹套装在丝杠024上形成Z向丝杠螺母副，丝杠螺母025的侧部活动套装于Z向导向轴026，两侧的丝杠螺母025之间连接安装X向移动机构01；Z向移动机构02通过Z向电机021带动Z向同步带轮022转动，经Z向同步带023的Z向带传动副带动两侧的丝杠024同步转动，再经Z向丝杠螺母副带动丝杠螺母025及其上X向移动机构01沿Z向导向轴026作Z向移动。
X向移动机构01包括X向电机011、两个X向同步带轮012、X向同步带013和X向导向轴014；两个X向同步带轮012铰接安装在Z向移动机构02两侧的丝杠螺母025上，X向电机011本体固定安装在Z向移动机构02一侧的丝杠螺母025上；X向电机011输出轴和其中一个X向同步带轮012同轴连接，两个X向同步带轮012之间通过X向同步带013同步连接传动，形成X向带传动副，X向同步带013的两侧固定设有水平的X向导向轴014，X向导向轴014水平支撑连接在Z向移动机构02两侧的丝杠螺母025之间，竖直支架7的中部和X向同步带013固定连接，竖直支架7的两侧活动套装在X向导向轴014上；通过X向电机011带动X向同步带轮012转动，再经X向同步带013的X向带传动副带动竖直支架7及其上的打印喷头1和测距装置2沿X向导向轴014做X向移动。
参见图7，调平结构按固定位置布置：位于等腰三角形底角两个伸缩组件底端与支撑平台通过转轴连接，记为F、G。F、G的转动方向相同，均可绕Y轴转动，距离为lFG；虚固定杆布置于GF连线中点H处，只能沿Z轴移动，不可进行转动。位于等腰三角形顶角的伸缩组件底端与支撑平台通过球铰连接，记为E，E可绕任一方向进行转动，E于H的距离为lEH；三个伸缩组件和虚固定杆的顶端与打印平台均由球铰连接，连接点记为A、B、C和D。其中，三角形ABC与三角形EFG为全等三角形，D为BC连线的中点。BC的距离为lBC，AD的距离为lAD。lAD＝lEH，lBC＝lFG。
这样，三个伸缩组件到支撑平台的三个连接点构成了等腰三角形EFG，三个伸缩组件到打印平台的三个连接点构成了等腰三角形ABC，等腰三角形EFG与等腰三角形ABC为全等三角形，且按照此三角形布置的调平装置在调平方面具有最优的性能。
本实施例调平方案包括测距步骤S1、调整步骤S2以及检测步骤S3。
参见图9。测距步骤S1首先获取打印平台上三个测距点的空间位置坐标，固定安装在打印喷头上的测距装置2随着打印喷头1移动到打印平台三个测距点的上方，之后跟随打印喷头下降，直至收到微动开关24发出的触发信号后停止下降，记录打印喷头在增材制造装备控制模块中的位置坐标，并根据测距装置与打印喷头的相对位置得到对应打印平台上测距点的位置坐标，记为P1、P2和P3，其中取P3测距点为虚固定杆与打印平台的连接点D。测距点的坐标分别为：
P1＝(X1,Y1,Z1)，P2＝(X2,Y2,Z2)，P3＝(0,0,ZD)
设
Figure BDA0002331254950000121
为打印平面法向量，其在XOZ和YOZ平面内的投影分别为
Figure BDA0002331254950000122
和
Figure BDA0002331254950000123
Figure BDA0002331254950000124
Figure BDA0002331254950000125
Figure BDA0002331254950000126
设
Figure BDA0002331254950000127
为Z向的单位向量。设此时的打印平面经由标准水平面先绕X轴转动β，再绕Y轴转动α后得到：
Figure BDA0002331254950000128
Figure BDA0002331254950000129
本实施例中，初始测距点的坐标参数(mm)为：
P1＝(-81,128,128)，P2＝(76,154,106)，P3＝(0,0,119)
计算得到平台初始倾斜角度(rad)为：
α＝0.1365,β＝-0.0165
调整步骤S2根据S1得到的平面倾斜角度以及期望的平台调整轨迹后，计算出将平面调整为水平所需要的每个伸缩组件的运动轨迹。控制模块对伸缩装置3的伺服电机31输出控制信号，控制伺服电机31转动，螺杆35在联轴器32和直齿轮38的作用下随着伺服电机输出轴311作相同的转动，梯形丝杠副作为运动转换机构，将给定的转动转换为螺套36沿着轴向的直线位移，即伸缩装置的伸缩量，最终调整平面为水平。
在支撑平台和打印平台上分别建立定坐标系和动坐标系，根据并联机构运动学分析，可得到伸缩组件EA、FB、GC的长度分别为：
Figure BDA0002331254950000131
Figure BDA0002331254950000132
Figure BDA0002331254950000133
由此得到了打印平台的运动学反解。
参见图10、图11和图12。接下来给出打印平台的期望调平轨迹，即打印平台倾斜角度变化轨迹图10和打印平台高度变化轨迹图11，通过上式可得到与之对应的伸缩组件长度变化轨迹图12，并控制伸缩组件按照长度变化轨迹进行运动，使打印平台按照期望调平轨迹进行调平。
检测步骤S3对调整步骤S2的调平效果进行检测，重复S1测距步骤再次获取调整后打印平台上三个测距点的空间位置坐标，记为P1′、P2′和P3′，从而得到调整后打印平台法向量
Figure BDA0002331254950000134
打印平台法向量
Figure BDA0002331254950000135
与Z向的单位向量夹角为θ：
Figure BDA0002331254950000136
如果此时θ角未满足调平要求，则再次进入调整步骤S2；如果此时θ角已满足调平要求，则结束调平。
本调平机构的性能可通过并联机构的性能参数进行评价。机构的响应速度可由并联机构的雅可比矩阵的条件数k评价，条件数越小表示较小的输入速度可得到较大的平台速度，即机构响应速度越快。承载能力可由并联机构的最大承载力Fmax评价，最大承载力越大表示机构的承载能力越强。抗变形能力可由并联机构的变形极限Dmax评价。变形极限越大表示机构的抗变形能力越差。
本实施例中，调平机构的雅可比矩阵JP为：
Figure BDA0002331254950000141
Figure BDA0002331254950000142
其中，
Figure BDA0002331254950000143
为伸缩装置的伸缩速度，
Figure BDA0002331254950000144
为平台速度，
Figure BDA0002331254950000145
为平台平动速度，ω为平台翻转速度，R为平台旋转矩阵，a1、a2、a3分别为三个伸缩组件与打印平台的铰点在动坐标系中的坐标，l1、l2、l3分别为三个伸缩组件的矢量。由此可得到本实施例中调平装置的性能参数。
作为应用于增材制造装备打印平台调平的并联机构，其应具有一定的承载能力、较大的抗变形能力以及较小的响应速度。其中抗变形能力越大，机构刚度越高；响应速度越小，调平精度越高。
参见图7和图8。本实施例的调平装置的机构布置位置可由三角形ABC与三角形EFG的底边和高来描述。通过改变机构布置三角形的大小，即改变lAD和lBC，可得到不同的布置位置下调平装置的性能参数。图8为不同布置位置下调平装置的性能变化曲线，其中各性能参数数值经由归一化处理后压缩于[0，1]之间，便于相互比较。观察可知当lAD和lBC增大时，调平装置的承载能力和响应速度的变化曲线趋于一条上升直线。变形变化曲线趋于一条斜率不断增大的曲线。为得到性能最优的调平装置布置位置，分析性能变化曲线，可知当变形变化曲线与承载能力和响应速度变化曲线斜率相同时，lAD＝lBC＝155mm。选择该点作为调平装置的布置位置，此时调平装置的变形增大不多，但承载力和调平精度却得到了很好的改善，综合考虑下在该点处调平装置拥有最优的性能。
由此本发明带有本并联调平机构的增材制造装备能够使用本调平方案对打印平台进行很好的调平，并同时调整平台到期望高度。且调平方案带有误差判定步骤，能够很好的控制调平效果。
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 (8)

1.一种具有高响应并联调平机构的增材制造装备，其特征在于：包括打印喷头(1)、并联调平机构、支撑平台(5)、打印平台(6)、竖直支架(7)和移动机构，并联调平机构包括伸缩装置(3)、虚固定杆(4)和测距装置(2)，移动机构包括X向移动机构(01)、Z向移动机构(02)和Y向移动机构(03)；机架的底部安装有Y向移动机构(03)，支撑平台(5)安装在Y向移动机构(03)上，由Y向移动机构(03)驱动支撑平台(5)沿Y向水平移动；Z向移动机构(02)分别安装在机架的两侧，Z向移动机构(02)上连接安装有X向移动机构(01)，X向移动机构(01)上安装有竖直支架(7)，竖直支架(7)上安装有打印喷头(1)和测距装置(2)；由Z向移动机构(02)驱动X向移动机构(01)沿Z向竖直上下升降移动，X向移动机构(01)驱动竖直支架(7)及其上的打印喷头(1)和测距装置(2)沿X向水平移动；打印平台(6)通过伸缩装置(3)和虚固定杆(4)可调节位姿地支撑安装在支撑平台(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种具有高响应并联调平机构的增材制造装备，其特征在于：所述的测距装置(2)与打印喷头(1)均固定于竖直支架(7)上，两者相对位置固定不变。
3.根据权利要求1所述的一种具有高响应并联调平机构的增材制造装备，其特征在于：所述的测距装置(2)包括舵机(21)、连杆机构(22)、导向座(23)和微动开关(24)；舵机(21)和导向座(23)均安装在竖直支架(7)的底部上，舵机(21)位于导向座(23)上方，舵机(21)的输出轴(211)连接连杆机构(22)，连杆机构(22)包括主动杆(221)和从动杆(222)，主动杆(221)的一端和舵机(21)的输出轴(211)同轴固接，从动杆(222)上端开设有水平条形槽，主动杆(221)的另一端嵌装于水平条形槽中并沿水平条形槽滑动，导轨套(231)固定套装于导向座(23)开设的竖直通孔中，从动杆(222)下端活动穿过导轨套(231)后安装有微动开关(24)；舵机(21)运行带动主动杆(221)绕舵机(21)的旋转轴旋转，经主动杆(221)端部和从动杆(222)上端的水平条形槽之间的连接关系，带动从动杆(222)沿导轨套(231)上下升降移动；
所述的伸缩装置(3)包括三个结构相同的伸缩组件，每个伸缩组件包括伺服电机(31)、联轴器(32)、伸缩外壳(33)、角接触球轴承(34)、螺杆(35)、螺套(36)、支撑头(37)、一对直齿轮(38)和伸缩底座(39)，伺服电机(31)安装在伸缩底座(39)上，伺服电机(31)的输出轴竖直朝下并经联轴器(32)后和一对直齿轮(38)中的一个同轴连接；伸缩外壳(33)竖直布置在伺服电机(31)旁，伸缩外壳(33)内安装有螺杆(35)和螺套(36)，螺杆(35)下端和一对直齿轮(38)中的另一个同轴连接，螺杆(35)中部通过角接触球轴承(34)活动套装在伸缩外壳(33)中，伸缩外壳(33)底端固定于伸缩底座(39)上；螺杆(35)上端通过螺纹套装于螺套(36)中，螺套(36)外壁开设凸耳，伸缩外壳(33)内壁开设有竖直的条形槽，螺套(36)套装在伸缩外壳(33)中且凸耳嵌装于条形槽中形成滑动副，螺套(36)上端穿出伸缩外壳(33)上端开口后和支撑头(37)固接，支撑头(37)连接到打印平台(6)底面；伺服电机(31)运行经直齿轮(38)带动螺杆(35)旋转，进而带动螺套(36)旋转并在滑动副限位下上下升降移动，进而经支撑头(37)支撑升降打印平台(6)；其中，前两个伸缩组件的伸缩底座(39)底部通过各自铰接轴旋转铰接安装连接到支撑平台(5)上，两根铰接轴平行但不同轴，第三个伸缩组件的伸缩底座(39)底部球铰接安装连接到支撑平台(5)上；前两个伸缩组件之间设有虚固定杆(4)，虚固定杆(4)为竖直布置的轴向杆结构，虚固定杆(4)下端固定于支撑平台(5)上，虚固定杆(4)上端球铰接安装连接到打印平台(6)底面；三个伸缩组件各自到支撑平台(5)/打印平台(6)的连接点形成等腰三角形布置，虚固定杆(4)到支撑平台(5)/打印平台(6)的连接点位于等腰三角形的底边中点位置。
4.根据权利要求1所述的一种具有高响应并联调平机构的增材制造装备，其特征在于：所述的Y向移动机构(03)包括Y向底座和安装在Y向底座上的Y向电机(031)、两个Y向同步带轮(032)、Y向同步带(033)、Y向导向轴(034)；Y向电机(031)输出轴和其中一个Y向同步带轮(032)同轴连接，两个Y向同步带轮(032)之间通过Y向同步带(033)同步连接传动，形成Y向带传动副，Y向同步带(033)的两侧固定设有水平的Y向导向轴(034)，支撑平台(5)的中部和Y向同步带(033)固定连接，支撑平台(5)的两侧活动套装在Y向导向轴(034)上；通过Y向电机(031)带动Y向同步带轮(032)转动，再经Y向同步带(033)的Y向带传动副带动支撑平台(5)沿Y向导向轴(034)做Y向移动。
5.根据权利要求1所述的一种具有高响应并联调平机构的增材制造装备，其特征在于：所述的Z向移动机构(02)包括Z向电机(021)、Z向同步带轮(022)、Z向同步带(023)、丝杠(024)、丝杠螺母(025)和Z向导向轴(026)；Z向同步带轮(022)安装在机架的底部，两侧的丝杠(024)底端和Z向同步带轮(022)之间通过Z向同步带(023)同步传动连接，形成Z向带传动副；机架的两侧均竖直安装有丝杠(024)和Z向导向轴(026)，两侧的丝杠(024)和Z向导向轴(026)均安装连接有一个丝杠螺母(025)，丝杠螺母(025)的中部通过螺纹套装在丝杠(024)上形成Z向丝杠螺母副，丝杠螺母(025)的侧部活动套装于Z向导向轴(026)，两侧的丝杠螺母(025)之间连接安装X向移动机构(01)；Z向移动机构(02)通过Z向电机(021)带动Z向同步带轮(022)转动，经Z向同步带(023)的Z向带传动副带动两侧的丝杠(024)同步转动，再经Z向丝杠螺母副带动丝杠螺母(025)及其上X向移动机构(01)沿Z向导向轴(026)作Z向移动；
所述的X向移动机构(01)包括X向电机(011)、两个X向同步带轮(012)、X向同步带(013)和X向导向轴(014)；两个X向同步带轮(012)铰接安装在Z向移动机构(02)两侧的丝杠螺母(025)上，X向电机(011)本体固定安装在Z向移动机构(02)一侧的丝杠螺母(025)上；X向电机(011)输出轴和其中一个X向同步带轮(012)同轴连接，两个X向同步带轮(012)之间通过X向同步带(013)同步连接传动，形成X向带传动副，X向同步带(013)的两侧固定设有水平的X向导向轴(014)，竖直支架(7)的中部和X向同步带(013)固定连接，竖直支架(7)的两侧活动套装在X向导向轴(014)上；通过X向电机(011)带动X向同步带轮(012)转动，再经X向同步带(013)的X向带传动副带动竖直支架(7)及其上的打印喷头(1)和测距装置(2)沿X向导向轴(014)做X向移动。
6.一种应用于权利要求1-5任一所述增材制造装备的高响应并联调平方法，其特征在于：包括测距步骤S1、调整步骤S2、检测步骤S3三个步骤：
测距步骤S1，
S1.1、打印平台(6)的位姿固定，然后控制测距装置(2)的微动开关(24)下降刚接触到打印平台(6)，以微动开关(24)到打印平台(6)上的接触点作为测距点，根据移动机构获得的竖直支架(7)空间位置以及测距装置(2)相对于竖直支架(7)的固定位置关系获得测距点的空间位置坐标；
S1.2、保持打印平台(6)的位姿固定，通过移动机构移动竖直支架(7)带动测距装置(2)的微动开关(24)接触到打印平台(6)的三处不同位置重复步骤S1.1进行测量，获得三个测距点的空间位置坐标，根据测距点的空间位置坐标计算出打印平台的倾斜角度；
调整步骤S2，
根据打印平台(6)的倾斜角度处理获得将打印平台(6)调整为水平面所需的各个伸缩组件的伸缩量，控制各个伸缩组件分别进行伸缩，直至打印平台(6)调整为水平；
检测步骤S3，
再次重复步骤S1获取打印平台(6)上三个测距点的空间位置坐标，并根据测距点的空间位置坐标获得调平后打印平台(6)的倾斜角度，判断倾斜角度是否满足精度要求，若满足则完成调平，若未满足要求则再次回到进入调整步骤S2，直至倾斜角度是否满足精度要求。
7.根据权利要求6所述的高响应并联调平方法，其特征在于：方法具体包括：测距步骤S1，
获得三个测距点的空间位置坐标，分别为P1、P2和P3：
P1＝(X1，Y1，Z1)，P2＝(X2，Y2，Z2)，P3＝(X3，Y3，Z3)
其中，X1，Y1，Z1分别第一个测距点沿XYZ方向的坐标，X2，Y2，Z2分别第二个测距点沿XYZ方向的坐标，X3，Y3，Z3分别第三个测距点沿XYZ方向的坐标；
然后根据三个测距点的空间位置坐标计算出打印平台(6)的倾斜角度：
Figure FDA0002331254940000041
Figure FDA0002331254940000042
其中，α表示打印平台(6)绕Y向移动机构(03)的Y方向轴的旋转角，β表示打印平台(6)绕X向移动机构(01)的X方向轴的旋转角；
Figure FDA0002331254940000043
表示Z方向的单位向量，
Figure FDA0002331254940000044
为打印平面法向量，
Figure FDA0002331254940000045
和
Figure FDA0002331254940000046
分表示打印平面法向量
Figure FDA0002331254940000047
在XOZ和YOZ平面内的投影，计算为：
Figure FDA0002331254940000048
Figure FDA0002331254940000049
Figure FDA00023312549400000410
调整步骤S2，
根据打印平台(6)的倾斜角度按照以下公式处理获得各个伸缩组件的长度：
Figure FDA0002331254940000051
Figure FDA0002331254940000052
Figure FDA0002331254940000053
其中，lEA表示第三个伸缩组件的长度，lFB、lGC表示前两个伸缩组件的长度，lBC表示前两个伸缩组件上端到打印平台的连接点的间距，l4D表示第三个伸缩组件上端到打印平台的连接点与前两个伸缩组件上端到打印平台的连接点连线的垂直距离，ZD表示虚固定杆与打印平台的连接点D的Z向坐标值，lEH表示第三个伸缩组件上端到支撑平台的连接点与前两个伸缩组件上端到支撑平台的连接点连线的垂直距离，lFG表示前两个伸缩组件上端到支撑平台的连接点的间距；
检测步骤S3，
重复测距步骤S1再次获取调整后打印平台(6)上三个测距点的空间位置坐标，记为P1′、P2′和P3′，从而得到调整后打印平台法向量
Figure FDA0002331254940000054
根据调整后打印平台法向量
Figure FDA0002331254940000055
获得与Z方向的单位向量之间的夹角θ：
Figure FDA0002331254940000056
若夹角θ未达到调平预设的精度阈值，则再次进入调整步骤S2；若夹角θ达到调平预设的精度阈值，则结束调平过程。
8.根据权利要求6所述的高响应并联调平方法，其特征在于：方法具体包括：调平后打印平台的高度同步调整控制，在调整步骤S2中获得的各个伸缩组件的伸缩量基础上加入高度调整量，一次调平即可同时完成打印平台的水平调整以及打印平台的高度调整。
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