CN116714237A - 一种多轴3d打印机及打印方法 - Google Patents

一种多轴3d打印机及打印方法 Download PDF

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韩江
马丁逸飞
田晓青
黄少奇
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Hefei University of Technology
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Abstract

本发明提供一种多轴3D打印机及打印方法，可应用于3D打印技术领域，所述多轴3D打印机包括：材料挤出装置，用以输出打印材料；多轴运动平台，其输出端连接所述材料挤出装置，用以驱动所述材料挤出装置移动；以及控制系统，电连接所述材料挤出装置和所述多轴运动平台，用以提取线条截面信息和根据待打印件的三维模型数据生成所述多轴运动平台的运动数据，并基于打印工艺参数生成所述待打印零件的立体打印数据，以控制所述材料挤出装置和所述多轴运动平台之间协调运动。本发明可实现变截面打印，提高了打印精度，避免了打印过程中出现台阶误差和特征缺失等缺陷。

Description

一种多轴3D打印机及打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种多轴3D打印机及打印方法。
背景技术
3D(3-dimension，三维)打印技术又称增材制造技术，它是一种以数学模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。因其简单快速的特点，因此广泛应用于航空航天、医疗、建筑、生物等领域。现有技术中，3D打印机多为三轴结构，只能沿着x,y,z三个方向移动，无法实现复杂零件的高精度加工。另外，当前的打印方法多是定截面打印，易造成了台阶误差、特征缺失等缺陷。因此，存在待改进之处。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多轴3D打印机及打印方法，用于解决现有技术中三轴结构的3D打印机无法实现复杂零件的高精度加工的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多轴3D打印机，包括：
材料挤出装置，用以输出打印材料；
多轴运动平台，其输出端连接所述材料挤出装置，用以驱动所述材料挤出装置移动；以及
控制系统，电连接所述材料挤出装置和所述多轴运动平台，用以提取线条截面信息和根据待打印件的三维模型数据生成所述多轴运动平台的运动数据，并基于打印工艺参数生成所述待打印零件的立体打印数据，以控制所述材料挤出装置和所述多轴运动平台之间协调运动。
在本发明一实施例中，所述多轴运动平台包括：
框架组件，包括固定框架和摆动框架；
平面移动组件，连接于所述固定框架和所述材料挤出装置之间；
竖向移动组件，连接于所述固定框架和所述摆动框架之间；
摆动组件，连接于所述摆动框架上；
转动组件，连接于所述摆动组件上；以及
打印平台，连接于所述转动组件上；
其中，所述平面移动组件驱动所述材料挤出装置沿平面移动，所述竖向移动组件驱动所述摆动框架沿竖向移动，所述摆动组件驱动所述转动组件摆动，所述转动组件驱动所述打印平台转动。
在本发明一实施例中，所述平面移动组件包括：
多个纵向导轨，连接于所述固定框架上；
多个纵向滑块，每个所述纵向滑块滑动连接一个所述纵向导轨；
至少一个横向导轨，连接全部的所述纵向滑块，所述横向导轨与所述纵向导轨垂直；
横向滑块，滑动连接所述横向导轨，所述材料挤出装置连接于所述横向滑块上，以及
至少两个平面驱动电机，通过传动带连接所述横向滑块和每个所述纵向滑块。
在本发明一实施例中，所述竖向移动组件包括：
第一竖向移动结构，连接于所述摆动框架的一侧；
第二竖向移动结构，连接于所述摆动框架的另一侧；以及
同步带，连接于所述第一竖向移动结构和所述第二竖向移动结构之间，以使所述第一竖向移动结构和所述第二竖向移动结构同步运动。
在本发明一实施例中，所述第一竖向移动结构包括：
竖向滑板，连接于所述摆动框架的一侧，所述竖向滑板上开设有多个轨道孔；
多个光轴，连接于所述固定框架上，每个所述光轴穿过一个所述轨道孔；
丝杆螺母，固定连接于所述竖向滑板上；
丝杆，与所述丝杆螺母配合，所述丝杆平行于所述光轴；以及
竖向驱动电机，其输出轴连接于所述丝杆的一端。
在本发明一实施例中，所述摆动组件包括：
摆台，摆动连接于所述摆动框架上；
摆动驱动电机，固定连接于所述摆台上；以及
减速结构，连接于所述摆台的转动轴和所述摆动驱动电机的输出轴之间。
在本发明一实施例中，所述转动组件包括：
回转轴承，其外圈底部连接于所述摆动组件上；
支架，连接于所述回转轴承的内圈顶部与所述打印平台之间；
转动驱动电机，固定连接于所述摆动组件，所述转动驱动电机的输出轴连接于所述回转轴承的内圈底部。
在本发明一实施例中，所述材料挤出装置包括：
喷头夹具，连接于所述平面移动组件上；以及
多个挤出喷嘴，连接于所述固定器上。
本发明还提供一种多轴3D打印方法，应用于如上述中任一项所述的多轴3D打印机，所述打印方法包括：
获取待打印件的三维模型数据；
所述控制系统提取线条截面信息，并根据所述三维模型数据，生成所述多轴运动平台的运动数据；
基于所述运动数据和所述线条截面信息，配置打印工艺参数，生成所述待打印零件的立体打印数据；以及
所述控制系统根据所述立体打印数据，控制所述多轴运动平台和所述材料挤出装置材料协调运动以进行打印。
在本发明一实施例中，所述控制系统提取线条截面信息，并根据所述三维模型数据，生成所述多轴运动平台的运动数据的步骤，包括：
根据所述三维模型数据，生成工件坐标系下挤出喷嘴的法矢轨迹数据，并提取线条截面信息；以及
对所述法矢轨迹数据进行坐标变换处理，生成所述多轴运动平台的运动数据。
如上所述，本发明的一种多轴3D打印机及打印方法，具有以下有益效果：本发明可实现变截面打印，从而提高了打印精度，避免了打印过程中出现台阶误差和特征缺失等缺陷。
附图说明
图1显示为本发明提供的一种多轴3D打印机的结构示意图。
图2显示为本发明一实施例中框架组件210的结构示意图。
图3显示为本发明一实施例中平面移动组件220的结构示意图。
图4显示为本发明一实施例中平面传动带2214的布置示意图。
图5显示为本发明一实施例中材料挤出装置10的结构示意图。
图6显示为本发明一实施例中第一竖向移动导轨231的结构示意图。
图7显示为本发明一实施例中第二竖向移动导轨232的结构示意图。
图8显示为本发明一实施例中摆动组件240的结构示意图。
图9显示为本发明一实施例中转动组件250的结构示意图。
图10显示为本发明一实施例中横向走线结构261的结构示意图。
图11显示为本发明一实施例中纵向走线结构262的结构示意图。
图12显示为本发明一实施例中竖向走线结构263的结构示意图。
图13显示为本发明提供的一种多轴3D打印方法的流程示意图。
图14显示为步骤S20的一实施例中流程示意图。
元件标号说明
10、材料挤出装置；101、多功能扩展夹具；102、喷头夹具102；103、第一固定器；104、第二固定器；105、气动挤出头喷嘴；106、PLA挤出头喷嘴；107、多功能拓展负载；
20、多轴运动平台；
210、框架组件；211、固定框架；2111、固定横向框架；2112、固定纵向框架；2113、固定竖向框架；212、摆动框架；2121、摆台横向框架；2122、摆台纵向框架；2123、摆台竖向框架；
220、平面移动组件；2201、纵向滑轨；2202、纵向滑块；2203、横向型材；2204、横向滑轨；2205、横向滑块；2206、转接块；2207、平面驱动电机；2208、平面驱动带轮；2209、平面固定带轮；2210、惰轮；2211、平面驱动连轴器；2212、平面驱动延长轴；2213、传动带夹具；2214、平面传动带；
230、竖向移动组件；231、第一竖向移动导轨；2311、第一丝杆；2312、第一光轴；2313、第一竖向轴座；2314、第一竖向滑板；2315、第一丝杆螺母；2316、第一直线轴承；2317、竖向主动轮；2318、竖向移动联轴器；2319、竖向驱动电机；232、第二竖向移动导轨；2321、第二丝杆；2322、第二光轴；2323、第二竖向轴座；2324、第二竖向滑板；2325、第二丝杆螺母；2326、第二直线轴承；2327、竖向从动轮；2328、竖向轴环；2329、法兰轴承；23210、轴承连接板；
240、摆动组件；2401、摆台；24011、底板；24012、第一侧板；24012、第二侧板；2402、法兰轴承；2403、第一法兰联轴器；2404、摆动轴座；2405、带座轴承；2406、摆台从动轮固定轴；2407、摆台固定轴；2408、摆动轴环；2409、摆动驱动电机；2410、摆动主动轮；2411、第二法兰联轴器；2412、双联动轮；2413、摆动从动轮；2414、双联动轮固定轴；2415、一级摆动传动带；2416、二级摆动传动带；
250、转动组件；2501、回转轴承；2502、转动法兰；2503、支架；2504、调平螺栓；2505、调平弹簧；2506、调平螺母；2507、转动主动轮；2508、转动从动轮；2509、转动驱动电机；2510、转动传动带；
260、外部走线组件；261、横向走线结构；2611、横向固定端夹具；2612、横向拖链；2613、横向移动端夹具；262、纵向走线结构；2621、纵向固定端夹具；2622、纵向拖链；2623、纵向移动端夹具；263、竖向走线结构；2631、竖向拖链；2632、竖向移动端夹具；
270、打印平台；
30、控制系统。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1至图14。本发明提供一种多轴3D打印机及打印方法，可应用于3D打印技术领域，例如对复杂零件的高精度加工。本发明可实现变截面打印，从而提高了打印精度，避免了打印过程中出现台阶误差和特征缺失等缺陷。
请参阅图1所示，图1显示为本发明提供的一种多轴3D打印机的结构示意图。本发明提供一种多轴3D打印机，可包括材料挤出装置10、多轴运动平台20和控制系统30。其中，材料挤出装置10可包括多个不同的挤出喷嘴，可实现不同工艺、不同材料的挤出沉积。多轴运动平台20的输出端连接所述材料挤出装置10，可驱动材料挤出装置移动。控制系统30可与材料挤出装置10以及多轴运动平台20电性连接，其可用于控制多轴运动平台20按照预设的轨迹运动，同时还可以控制材料挤出装置10按照预设需求输出打印材料，以及控制多轴运动平台20和材料挤出装置10之间协调运动。控制系统30首先根据待打印件的三维模型数据生成多轴运动平台20的运动数据；然后基于配置的打印工艺参数生成待打印零件的立体打印数据；最后控制材料挤出装置30和多轴运动平台20之间协调运动，完成打印。
请参阅图1所示，在本发明一实施例中，多轴运动平台20可包括框架组件210、平面移动组件220、竖向移动组件230、摆动组价240、转动组件250以及打印平台270。其中，框架组件210构成多轴运动平台的主体框架，可包括固定框架211和摆动框架212。平面移动组件220可固定连接于固定框架211的顶部。材料挤出装置10可连接于平面移动组件220。竖向移动组件230可连接于固定框架211和摆动框架212之间。摆动组件240可连接于摆动框架212。转动组件250可连接于摆动组件240。打印平台270可连接于转动组件250上。本实施例中，平面移动组件220可驱动材料挤出装置10沿平面移动；竖向移动机构230可驱动摆动框架212以及连接于其上的摆动组件240、转动组件250沿竖向移动；摆动组件240可驱动转动组件250摆动；转动组件250可驱动打印平台270及其上承载的打印件转动。由此可知，本发明的多轴3D打印机能够实现对3个移动轴(即X轴、Y轴、Z轴)、1个摆动轴(即A轴)和1个回转轴(即C轴)共计5个轴进行运动控制，从而实现任意三轴定位以及任意挤出矢量定向。
请参阅图2所示，图2显示为本发明一实施例中框架组件210的结构示意图。在本发明的一个实施例中，框架组件210可采用铝型材搭建而成，框架组件210可包括固定框架211和摆动框架212，其中，摆动框架212可位于固定框架211内，且摆动框架212可在竖向移动组件230的作用下，在固定框架211内做竖向的移动。
请参阅图2所示，在本发明的一个实施例中，固定框架211可包括固定横向框架2111、固定纵向框架2112、固定竖向框架2113。其中，固定横向框架2111、固定纵向框架2112和固定竖向框架2113相互垂直连接，并通过角铁、梯形螺母和螺栓进行固定连接。
请参阅图2所示，在本发明一实施例中，摆动框架212可包括摆台横向框架2121、摆台纵向框架2122和摆台竖向框架2123。其中，摆台横向框架2121、摆台纵向框架2122和摆台竖向框架2123相互垂直连接，并通过角铁、梯形螺母和螺栓进行固定连接。两侧的摆台横向框架2121可分别与竖向移动组件230连接，因此，竖向移动机构230可驱动摆动框架212沿竖向移动，从而可实现连接于竖向移动机构230上的摆动组件240、转动组件250、打印平台270沿竖向移动，也即沿着Z方向移动的目的。
请参阅图3所示，图3显示为本发明一实施例中平面移动组件220的结构示意图。在本发明的一个实施例中，平面移动组件220可包括纵向滑轨2201、纵向滑块2202、横向型材2203、横向滑轨2204、横向滑块2205以及转接块2206。平面移动组件220可用于实现驱动材料挤出装置10沿平面的移动，即横向X方向和纵向Y方向的移动。为实现X、Y方向的精确移动，本实施例中采用Y方向双导轨，X方向单导轨的结构设计。纵向滑轨2201可通过梯形螺母和螺栓固定连接于固定纵向框架2112上。纵向滑块2202可穿过纵向滑轨2201，从而实现纵向滑块2202沿纵向滑轨2201方向移动。横向型材2203的两端可分别通过转接块2206连接于一个纵向滑块2202上，且横向型材2203与纵向滑轨2201呈垂直布置。横向滑轨2204可通过梯形螺母和螺栓，固定连接于横向型材2203上，且横向滑轨2204与纵向滑轨2201呈垂直布置。横向滑块2205可穿过横向型材2204，从而实现横向滑块2205沿横向型材2204方向移动。通过控制横向滑块2205沿着横向型材2204移动，以及纵向滑块2202沿着纵向滑轨2201移动，可实现连接在横向滑块2205上的材料挤出装置10的X、Y方向移动。
请参阅图4所示，图4显示为本发明一实施例中平面传动带2214的布置示意图。在本发明的一个实施例中，平面移动组件220还可包括平面驱动电机2207、平面驱动带轮2208、平面固定带轮2209、惰轮2210、平面驱动连轴器2211、平面驱动延长轴2212、传动带夹具2213以及平面传动带2214。其中，平面驱动电机2207的数量可为两个，且两个平面驱动电机2207通过平面电机连接板固定于固定横向框架2111的两端。本实施例中，一端的平面驱动电机2207通过平面驱动连轴器2211连接一个平面驱动带轮2208；另一端的平面驱动电机2207通过平面驱动连轴器2211连接平面驱动延长轴2212，同时一个平面驱动带轮2208安装于上述平面驱动延长轴2212上。增加平面驱动延长轴2212可实现延长电机输出轴的目的，进而可防止平面传动带2214在XOY平面内走线时出现干涉问题。惰轮2210可连接于纵向滑块2202上，且每个纵向滑块2202可设置2个惰轮2210。平面固定带轮2209的数量可为4个，且4个平面固定带轮2209可分别对应平面驱动带轮2208以及惰轮2210，平面固定带轮2209可设置于固定横向框架2111的两端，且位于相对于平面驱动带轮2208另一侧。传动带夹具2213可固定于横向滑块2205上。平面传动带2214的数量可为两条。每条平面传动带2214经过惰轮2210、平面驱动带轮2208、平面固定带轮2209的变向后，其两端连接于传动带夹具2213的两侧。由此可知，当平面驱动电机2207通电，平面驱动电机2207的输出轴转动，通过平面驱动连轴器2211和平面驱动延长轴2212带动平面驱动带轮2208转动，从而带动平面传动带2214的移动。本实施例中，当两个平面驱动电机2207协同工作，即可带动横向滑块2205沿着横向型材2204移动，以及带动纵向滑块2202沿着纵向滑轨2201移动，从而实现材料挤出装置10沿X、Y方向移动的目的。
请参阅图5所示，图5显示为本发明一实施例中材料挤出装置10的结构示意图。材料挤出装置10可包括多个不同的挤出喷嘴，可实现不同工艺、不同材料的挤出沉积。在本发明的一个实施例中，材料挤出装置10可包括多功能扩展夹具101、喷头夹具102、第一固定器103、第二固定器104、气动挤出头喷嘴105、PLA(Polylactic Acid，聚乳酸)挤出头喷嘴106以及多功能拓展负载107。其中，多功能扩展夹具101和喷头夹具102可安装于横向滑块2205上，且多功能扩展夹具101和喷头夹具102可设置于横向滑块2205和传动带夹具2213之间，实现跟随横向滑块2205的移动而移动。多功能拓展负载107可连接于多功能扩展夹具101的侧面。第一固定器103、第二固定器104可连接于喷头夹具102的上，其中，第一固定器103用于固定连接气动挤出头喷嘴105，第二固定器104用于固定连接PLA挤出头喷嘴106。由此可知，气动挤出头喷嘴105、PLA挤出头喷嘴106以及多功能拓展负载107可随横向滑块2205的移动而移动，从而实现打印功能。本实施例中，可以根据装配在横向滑块2205上的不同挤出头喷嘴，设计不同的夹具，丰富多轴打印机的功能。
请参阅图6、图7所示，图6显示为本发明一实施例中第一竖向移动导轨231的结构示意图。图7显示为本发明一实施例中第二竖向移动导轨232的结构示意图。在本发明的一个实施例中，为提高竖向(即Z轴方向)的移动精度以及减少整体结构的重量，本实施例采用单电机驱动双移动导轨的结构。具体的，竖向移动组件230可包括第一竖向移动导轨231和第二竖向移动导轨232。其中，第一竖向移动导轨231和第二竖向移动导轨232可分别固定于固定框架211的X轴方向的两侧。
请参阅图6所示，在本发明的一个实施例中，第一竖向移动导轨231可包括第一丝杆2311、第一光轴2312、第一竖向轴座2313、第一竖向滑板2314、第一丝杆螺母2315、第一直线轴承2316、竖向主动轮2317、竖向移动联轴器2318以及竖向驱动电机2319。其中，第一光轴2312通过多个第一竖向轴座2313固定于固定竖向框架2113上，本实施例中，第一光轴2312的底端和顶端可各设置一个第一竖向轴座2313。第一丝杆螺母2315和第一直线轴承2316可分别固定于第一竖向滑板2314上。第一光轴2312可穿过第一直线轴承2316，使第一竖向滑板2314可沿着第一光轴2312进行竖向移动。第一丝杆2311可与第一丝杆螺母2315螺纹连接，且第一丝杆2311与第一光轴2312平行设置。第一丝杆2311的一端可通过竖向移动联轴器2318连接竖向驱动电机2319。由此可知，当竖向驱动电机2319驱动第一丝杆2311转动时，第一丝杆螺母2315可带动第一竖向滑板2314进行竖向移动。竖向主动轮2317可套设连接第一丝杆2311。本实施例中，为提高竖向的移动精度，可设置多个第一光轴2312，例如，两个第一光轴2312关于第一丝杆2311对称设置。
请参阅图7所示，在本发明的一个实施例中，第二竖向移动导轨232可包括第二丝杆2321、第二光轴2322、第二竖向轴座2323、第二竖向滑板2324、第二丝杆螺母2325、第二直线轴承2326、竖向从动轮2327、竖向轴环2328、法兰轴承2329以及轴承连接板23210。其中，第二光轴2322通过多个第二竖向轴座2323固定于相对于第一光轴2312另一侧的固定竖向框架2113上。本实施例中，第二光轴2322的底端和顶端可各设置二个第二竖向轴座2323。第二丝杆螺母2325和第二直线轴承2326可分别固定于第二竖向滑板2324上。第二光轴2322可穿过第二直线轴承2326，使第二竖向滑板2324可沿着第二光轴2322进行竖向移动。本实施例中，为提高竖向的移动精度，可设置多个第二光轴2322，例如，两个第二光轴2322关于第二丝杆2321对称设置。第二丝杆422可与第二丝杆螺母2325螺纹连接，且第二丝杆422与第二光轴2322平行设置。第二丝杆422的一端可穿过竖向轴环2328和法兰轴承2329。法兰轴承2329的外圈可与轴承连接板23210过盈配合，即轴承连接板23210将法兰轴承2329固定于固定纵向框架2112上。法兰轴承2329的内圈可与第二丝杆422过盈配合，竖向轴环2328可套设于第二丝杆422，并通过紧定螺钉进行固定。本实施例中，竖向轴环2328可设置于法兰轴承2329的顶部，从而实现防止第二丝杆422因受重力影响而向下滑动。竖向从动轮2327可固定套设于第二丝杆422上，其位置可相对于竖向主动轮2317布置。本实施例中，竖向主动轮2317和竖向从动轮2327可通过同步带进行连接。
请参阅图6、图7所示，在本发明的一个实施例中，第一竖向滑板2314和第二竖向滑板2324可分别连接于摆动框架212的两侧，具体可连接于两个摆台横向框架2121的两端。由此可知，当第一丝杆2311转动时，通过竖向主动轮2317可带动竖向从动轮2327同步转动，从而使得第二丝杆螺母2325带动第二竖向滑板2324移动，且第二竖向滑板2324与第一竖向滑板2314的移动同步。如此，可实现单电机驱动摆动框架212进行精确、稳定的竖向移动。
请参阅图8所示，图8显示为本发明一实施例中摆动组件240的结构示意图。在本发明的一个实施例中，摆动组件240可包括摆台2401、法兰轴承2402，第一法兰联轴器2403、摆动轴座2404、带座轴承2405、摆台从动轮固定轴2406、摆台固定轴2407、摆动轴环2408、摆动驱动电机2409、摆动主动轮2410、第二法兰联轴器2411、双联动轮2412、摆动从动轮2413、一级摆动传动带2415、二级摆动传动带2416。其中，摆台2401可包括底板24011、第一侧板24012以及第二侧板24012，且第一侧板24012和第二侧板24012分别垂直连接于底板24011的一端。第一侧板24012和第二侧板24012上对应开设有通孔，两个通孔的轴线重合，且轴线为摆台2401的摆动回转轴。
请参阅图8所示，在本发明的一个实施例中，法兰轴承2402安装于第一侧板24012的通孔处，法兰轴承2402的外圈与第一侧板24012的通孔过盈配合。摆台从动轮固定轴2406的一端可穿过第一侧板24012的通孔后连接法兰轴承2402，且摆台从动轮固定轴2406与法兰轴承2402的内圈过盈配合。摆动轴环2408固定连接于摆台从动轮固定轴2406的末端，防止摆台从动轮固定轴2406轴向移动。通过摆动轴座2404可将摆台从动轮固定轴2406的另一端固定于一侧摆台纵向框架2122上。
请参阅图8所示，在本发明的一个实施例中，第一法兰联轴器2403固定安装于第二侧板24012的通孔处。摆台固定轴2407的一端可穿过第二侧板24012的通孔后连接。通过带座轴承2405可将摆台固定轴2407的另一端固定于另一侧的摆台纵向框架2122上，且带座轴承2405的内圈与摆台固定轴2407过盈配合。带座轴承2405与摆台纵向框架2122之间采用梯形螺母和螺栓连接。摆动驱动电机2409可固定于摆台2401的内侧面，具体为固定于底板24011上。摆动驱动电机2409的输出轴可穿过第一侧板24012上预设孔后，延伸至摆台2401的外侧面。摆动驱动电机2409的输出轴和摆台从动轮固定轴2406之间通过两级减速机构连接。在两极减速结构中，摆动主动轮2410可固定连接于摆动驱动电机2409的输出轴上。双联动轮固定轴2414通过第二法兰联轴器2411固定于第一侧板24012上，双联动轮2412可转动连接于双联动轮固定轴2414上。摆动从动轮2413可通过紧定螺钉固定于摆台从动轮固定轴2406上。摆动主动轮2410与双联动轮2412之间通过一级摆动传动带2415连接；双联动轮2412与摆动从动轮2413之间通过二级摆动传动带2416连接。
由此可知，当摆动驱动电机2409通电时，摆动驱动电机2409输出轴带动摆动主动轮2410转动，通过一级摆动传动带2415带动双联动轮2412转动，因为双联动轮2412没有和双联动轮固定轴2414固定连接，所以双联动轮2412转动无法带动双联动轮固定轴2414转动；之后通过二级摆动传动带2416带动摆动从动轮2413转动，因为摆动从动轮2413与摆台从动轮固定轴2406固定连接，摆台从动轮固定轴2406与摆动轴座2404、法兰轴承2402的内圈固定连接，所以摆台从动轮固定轴2406、摆动轴座2404、法兰轴承2402的内圈随之转动，但摆动轴座2404固定在摆台纵向框架2122上，无法随着摆动从动轮2413转动而转动，所以摆台2401和法兰轴承2402的外圈外圈反向摆动，随着摆台2401的摆动，固定在第二侧板24012上的法兰联轴器504随之摆动，由于法兰联轴器504通过紧定螺钉和摆台固定轴2407固定连接，摆台固定轴2407和带座轴承2405的内圈过盈配合，所以摆台固定轴2407带座轴承2405的内圈随之摆动，带座轴承2405底座与摆台纵向框架2122固定不动。
请参阅图9所示，图9显示为本发明一实施例中转动组件250的结构示意图。在本发明的一个实施例中，转动组件250可包括回转轴承2501、转动法兰2502、支架2503、调平螺栓2504、调平弹簧2505、调平螺母2506、转动主动轮2507、转动从动轮2508、转动驱动电机2509以及转动传动带2510。其中，回转轴承2501的外圈底部可固定于底板24011上，回转轴承2501的内圈顶部可连接支架2503。支架2503的顶部可开设有多个固定孔。打印平台270连接于支架2503的顶部，且通过调平螺栓2504、调平弹簧2505以及调平螺母605的配合，实现打印平台270的调平功能。转动法兰2502可连接于回转轴承2501的内圈底部，且底板24011在对应位置处开设有通孔。转动从动轮2508可固定连接于转动法兰2502。转动驱动电机2509可安装于底板24011上，且转动驱动电机2509的输出轴可穿过底板24011上的预设孔后，延伸至底板24011底部。转动主动轮2507可固定连接于转动驱动电机2509的输出轴上。转动传动带2510连接于转动主动轮2507与转动从动轮2508之间。由此可知当转动驱动电机2509通电，带动转动主动轮2507转动，通过转动传动带2510带动转动从动轮2508转动，由于转动从动轮2508与转动法兰2502固定连接转动法兰2502与回转轴承2501的内圈固定连接，从而带动转动法兰2502和回转轴承2501内圈转动，由于回转轴承2501内圈和支架2503固定连接，并且调平螺栓2504和调平螺母2506使打印平台270和支架2503同步运动，所以打印平台270也随之转动，实现了打印平台转动的功能。
请参阅图10至图12所示，为收束各部件之间连接的线缆，本发明的多轴运动平台20还包括外部走线组件260。在本发明的一个实施例中，外部走线组件260可包括横向走线结构261、纵向走线结构262以及竖向走线结构263。
请参阅图10所示，图10显示为本发明一实施例中横向走线结构261的结构示意图。在本发明的一个实施例中，横向走线结构261可包括横向固定端夹具2611、横向拖链2612、横向移动端夹具2613。横向固定端夹具2611可安装于固定横向框架2111上。横向拖链2612的固定端与横向固定端夹具2611相连接，横向拖链2612的移动端与横向移动端夹具2614相连接。横向移动端夹具2613可固定于多功能扩展夹具101上。当材料挤出装置10沿横向移动时，横向移动端夹具2613和横向拖链2612的移动端也随之移动，保证横向拖链2612内部的导线不会出现缠绕和扯断的问题，从而实现横向理线和保护导线的目的。
请参阅图11所示，图11显示为本发明一实施例中纵向走线结构262的结构示意图。在本发明的一个实施例中，纵向走线结构262可包括纵向固定端夹具2621、纵向拖链2622、纵向移动端夹具2623。其中，纵向固定端夹具2621可安装于固定纵向框架2112上。纵向拖链2622的固定端与纵向固定端夹具2621相连接，纵向拖链2622的移动端与纵向移动端夹具2623相连接。纵向移动端夹具2623可固定于纵向滑块2202上。当材料挤出装置10沿纵向移动时，纵向滑块2202、纵向移动端夹具2623以及纵向拖链2622的移动端也随之移动，保证纵向拖链2622内部的导线不会出现缠绕和扯断的问题，从而实现纵向理线和保护导线的目的。
请参阅图12所示，图12显示为本发明一实施例中竖向走线结构263的结构示意图。在本发明的一个实施例中，竖向走线结构263可包括竖向拖链2631、竖向移动端夹具2632。其中，竖向拖链2631的固定端与固定纵向框架2112相连接；竖向拖链2631的移动端与竖向移动端夹具2632相连接。竖向移动端夹具2632可连接于摆台横向框架2121上。当摆动框架212沿竖方向移动时，竖向移动端夹具2632和竖向拖链2631的移动端也沿着竖向移动，但竖向拖链2631内部的导线不会出现缠绕和扯断的问题，实现了竖向理线和保护导线的目的。本实施例中，摆动组件240和转动组件250的导线也可以就近放入拖链中。
在本发明的一个实施例中，为了使打印喷头和打印平台回零点且防止超出运动范围情况的出现，需在零点和极限位置装配限位开关。本实施例中，在打印机的X方向、Y方向、Z方向、A方向均装配了限位开关。其中，X方向的限位开关和限位开关夹具可装配在横向型材2203上，当材料挤出装置10运动到极限位置或回零位置时，将触碰到限位开关挡片，实现X方向的限位和回零功能。Y方向的限位开关和限位开关夹具装配在固定纵向框架2112上，当纵向滑块2202运动到极限位置或回零位置时，会触碰到限位开关挡片，实现Y方向的限位和回零功能。Z方向的限位开关和限位开关夹具装配在第一丝杆2311上，当Z轴滑板一314运动到极限位置或回零位置时，会触碰到限位开关挡片，实现Z方向的限位和回零功能。A方向的限位开关和限位开关夹具装配在第一竖向滑板2314上，限位开关挡片装配在摆台2401上，当摆台2401运动到极限位置或回零位置时，限位开关挡片将触碰到限位开关，实现A方向的限位和回零功能。本实施例仅提供一种限位开关位置安装的方法，限位开关也可以安装在其他位置。
在本发明的一个实施例中，控制系统30可包括但不限于使用基于Arm架构、X86架构处理器的运动控制系统，其能够实现X、Y、Z、A、C共5个轴的运动控制。同时，控制系统30可实现多轴运动插补。
请参阅图13所示，图13显示为本发明提供的一种多轴3D打印方法的流程示意图。在本发明的一个实施例中，多轴3D打印方法可应用于上述多轴3D打印机，本发明通过变截面打印，可提高打印精度。多轴3D打印方法可包括如下步骤：
步骤S10、获取待打印件的三维模型数据；
步骤S20、控制系统提取线条截面信息，并根据三维模型数据，生成多轴运动平台的运动数据；
步骤S30、基于运动数据和线条截面信息，配置打印工艺参数，生成待打印零件的立体打印数据；以及
步骤S40、控制系统根据立体打印数据，控制多轴运动平台和材料挤出装置材料协调运动以进行打印。
在本发明的一个实施例中，当执行步骤S10时，首先需获取待打印件的三维模型数据，可以通过常见的商业化或开源的CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计)软件设计三维模型，并保存为可读取的中性格式文件。
请参阅图14所示，图14显示为步骤S20的一实施例中流程示意图。在本发明的一个实施例中，当执行步骤S20时，具体的，步骤S20包括如下步骤：
步骤S21、根据三维模型数据，生成工件坐标系下挤出喷嘴的法矢轨迹数据，并提取线条截面信息；以及
步骤S22、对法矢轨迹数据进行坐标变换处理，生成多轴运动平台的运动数据。
在本发明的一个实施例中，首先可将在步骤S10获取的三维模型模数输入商业化或开源的CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)软件，从而生成工件坐标系下挤出喷嘴的法矢轨迹数据，同时记录线条的截面形状信息。然后，将挤出喷嘴的法矢轨迹映射到多轴3D打印机中各运动轴上，从而生成多轴运动平台的运动数据。通过运动学建模，明确待打印件的工件坐标与机床坐标的变换，生成各运动轴轨迹，使得挤出喷嘴的法矢位姿的按照预期运动。
本实施例中，多轴3D打印机可包括3个移动轴(即X轴、Y轴、Z轴)、1个摆动轴(即A轴)和1个回转轴(即C轴)共计5个运动轴。针对本方法适用的五轴结构，建立齐次坐标变换，从而构建从打印机坐标到工件坐标的坐标转换：
其中，[x,y,z,i,j,k]分别为工件坐标系下的喷嘴点位和挤出轴法矢，
[X,Y,Z,A,C]分别为各运动轴的相对运动量，再求得其逆解，建立工件坐标系下喷嘴点位及挤出轴矢量到运动轴的映射关系，实现对多轴打印机的运动控制。协调打印平台和挤出喷嘴的相对空间位姿运动与材料的挤出，实现材料的逐线逐层堆积。
需要说明的是，提取的线条截面信息包括关键参数中的线宽W和线高H，而影响线截面的关键工艺参数可包括：喷嘴高度δ，喷嘴内径d，喷嘴移动速率V，材料挤出速率U。当喷嘴高度小于喷嘴内径时，可认为喷嘴高度等于线条高度δ＝H。因此，可假设线条截面的形状为矩形、椭圆或圆角矩形。根据不同的截面形状假设，线宽的表达式是不同的，可分别满足以下公式：
考虑到打印工艺参数的实际值与理论值存在偏差，打印工艺参数的实际值和设定值可满足以下公式：
U*＝U+δU
V*＝V+δV
H*＝H+δH
d*＝d+δd
可通过设计实验，标定其中的偏差系数，从而建立实际的线截面模型，实现工艺参数到线条截面的映射。
在本发明的一个实施例中，当执行步骤S30时，基于运动数据和线条截面信息，可配置打印工艺参数，从而生成待打印零件的立体打印数据。
在本发明的一个实施例中，区别于普通三轴轨迹规划方法，本发明提供的一种多轴3D打印方法是一种可变线条截面的轨迹规划方法。根据上述确定的线条截面模型，可知，通过调节打印工艺参数可调控线条的形状。传统的挤出式增材制造中，线条的截面是固定不变的，然而在一些特殊的应用场景下，例如五轴3D打印曲面时，固定不变的线条截面会导致特征缺失、甚至造成缺陷，因此需要打印截面形状可调节的线条从而提高打印质量。本实施例中，在轨迹规划时，根据具体需求，在轨迹数据基础上附加线条宽度、线条高度的信息，并依据线截面信息调控工艺参数，从而实现变截面线条立体打印数据的生成。
其中，打印轨迹的生成需要在前一步的运动学变换的基础上，得到其运动学逆变换的求解，从而将工件坐标系下的轨迹转为机床坐标系下的运动：
其中，通过线宽、线高信息对工艺参数做调整的方法如下：
W＝f(U,V,H,d)
通常情况下，在打印过程中d是固定值，当需要调整线条宽度时，只需要调整挤出速率或移动速率即可；当需要同时调整线条宽度和线条高度时，则需要确保等式W2＝f(U2,V2,H2,d)成立即可。
综上所述，本发明提供一种多轴3D打印机及打印方法，可应用于3D打印技术领域。本发明可实现变截面打印，挤出喷嘴输出线条截面可变，可提高打印精度，避免了打印过程中出现台阶误差和特征缺失等缺陷。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种多轴3D打印机，其特征在于，包括：
材料挤出装置，用以输出打印材料；
多轴运动平台，其输出端连接所述材料挤出装置，用以驱动所述材料挤出装置移动；以及
控制系统，电连接所述材料挤出装置和所述多轴运动平台，用以提取线条截面信息和根据待打印件的三维模型数据生成所述多轴运动平台的运动数据，并基于打印工艺参数生成所述待打印零件的立体打印数据，以控制所述材料挤出装置和所述多轴运动平台之间协调运动。
2.根据权利要求1所述的多轴3D打印机，其特征在于，所述多轴运动平台包括：
框架组件，包括固定框架和摆动框架；
平面移动组件，连接于所述固定框架和所述材料挤出装置之间；
竖向移动组件，连接于所述固定框架和所述摆动框架之间；
摆动组件，连接于所述摆动框架上；
转动组件，连接于所述摆动组件上；以及
打印平台，连接于所述转动组件上；
其中，所述平面移动组件驱动所述材料挤出装置沿平面移动，所述竖向移动组件驱动所述摆动框架沿竖向移动，所述摆动组件驱动所述转动组件摆动，所述转动组件驱动所述打印平台转动。
3.根据权利要求2所述的多轴3D打印机，其特征在于，所述平面移动组件包括：
多个纵向导轨，连接于所述固定框架上；
多个纵向滑块，每个所述纵向滑块滑动连接一个所述纵向导轨；
至少一个横向导轨，连接全部的所述纵向滑块，所述横向导轨与所述纵向导轨垂直；
横向滑块，滑动连接所述横向导轨，所述材料挤出装置连接于所述横向滑块上，以及
至少两个平面驱动电机，通过传动带连接所述横向滑块和每个所述纵向滑块。
4.根据权利要求2所述的多轴3D打印机，其特征在于，所述竖向移动组件包括：
第一竖向移动结构，连接于所述摆动框架的一侧；
第二竖向移动结构，连接于所述摆动框架的另一侧；以及
同步带，连接于所述第一竖向移动结构和所述第二竖向移动结构之间，以使所述第一竖向移动结构和所述第二竖向移动结构同步运动。
5.根据权利要求4所述的多轴3D打印机，其特征在于，所述第一竖向移动结构包括：
竖向滑板，连接于所述摆动框架的一侧，所述竖向滑板上开设有多个轨道孔；
多个光轴，连接于所述固定框架上，每个所述光轴穿过一个所述轨道孔；
丝杆螺母，固定连接于所述竖向滑板上；
丝杆，与所述丝杆螺母配合，所述丝杆平行于所述光轴；以及
竖向驱动电机，其输出轴连接于所述丝杆的一端。
6.根据权利要求2所述的多轴3D打印机，其特征在于，所述摆动组件包括：
摆台，摆动连接于所述摆动框架上；
摆动驱动电机，固定连接于所述摆台上；以及
减速结构，连接于所述摆台的转动轴和所述摆动驱动电机的输出轴之间。
7.根据权利要求2所述的多轴3D打印机，其特征在于，所述转动组件包括：
回转轴承，其外圈底部连接于所述摆动组件上；
支架，连接于所述回转轴承的内圈顶部与所述打印平台之间；
转动驱动电机，固定连接于所述摆动组件，所述转动驱动电机的输出轴连接于所述回转轴承的内圈底部。
8.根据权利要求1所述的多轴3D打印机，其特征在于，所述材料挤出装置包括：
喷头夹具，连接于所述平面移动组件上；以及
多个挤出喷嘴，连接于所述固定器上。
9.一种多轴3D打印方法，其特征在于，应用于如权利要求1至权利要求8中任一项所述的多轴3D打印机，所述打印方法包括：
获取待打印件的三维模型数据；
所述控制系统提取线条截面信息，并根据所述三维模型数据，生成所述多轴运动平台的运动数据；
基于所述运动数据和所述线条截面信息，配置打印工艺参数，生成所述待打印零件的立体打印数据；以及
所述控制系统根据所述立体打印数据，控制所述多轴运动平台和所述材料挤出装置材料协调运动以进行打印。
10.根据权利要求9所述的多轴3D打印方法，其特征在于，所述控制系统提取线条截面信息，并根据所述三维模型数据，生成所述多轴运动平台的运动数据的步骤，包括：
根据所述三维模型数据，生成工件坐标系下挤出喷嘴的法矢轨迹数据，并提取线条截面信息；以及
对所述法矢轨迹数据进行坐标变换处理，生成所述多轴运动平台的运动数据。
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