[发明专利]四自由度远程运动中心协作式3D打印机

说明书

一种四自由度远程运动中心协作式3D打印机，包括：设置于壳体内的回转打印平台、竖直移动模块、径向移动模块和打印头，回转打印平台设置于壳体的底部进行回转运动，竖直移动模块、径向移动模块和打印头依次连接并实现打印头的四自由度移动。本发明实现打印头绕虚拟转动中心实现定点转动，移动和转动解耦，运动学简单，实现可变方向打印，有利于制造复杂的打印零件；具备曲面成型能力，消除阶梯效应所引起的误差；单一设备具有平面打印、多方向打印和曲面打印多种工作模式；采用多打印头协作、打印头与打印平台协作的方式，提高了打印速度并能够应用于对称或非对称零件的打印；采用商联机构，具有刚度大、结构紧凑和误差小的特点；施压机构可压实疏松、缝隙等缺陷，以此来提高打印零件的性能。

技术领域

本发明涉及的是一种机构构型领域的技术，具体是一种四自由度远程运动中心协作式3D打印机。

背景技术

目前广泛应用的三自由度3D打印机无法满足复杂零件的多方向打印及曲面打印的需求。大多基于直角坐标系的3D打印机，对于回转类零件的成形，需通过X、Y轴联动，拟合实现打印平面上的曲线绘制，在成型原理上存在一定误差，尤其在打印具有曲线特征零件时，打印速度较慢，且无法进行空间曲面的打印；对于已有3D打印设备，单一打印设备往往局限于平面打印或者曲面打印单一工作模式，无法胜任多种工作模式；基于并联机构的多自由度3D打印机的末端转动和移动耦合，需要进行复杂的运动学建模，而基于串联机构的多自由3D打印机也存在类似问题，并且串联机构的电机多布置于关节处，使得惯性较大。此外，关于打印零件性能方面，例如基于FDM的打印过程中，熔融挤出打印沉积轨迹之间存在疏松、空隙等问题，使得打印零件的结构强度无法达到材料强度；此外，现有基于机械臂的3D打印装备的转动中心位于机械臂的驱动关节处，而为了实现打印头绕其末端的转动，需要多个关节进行联动，这对打印机的控制提出了较高要求，同时也增加了机械结构与已打印零件之间干涉的风险。基于并联机构的3D打印装备也存在类似的问题。具体来说，若要实现打印头绕其末端的转动，也需要基于复杂的运动学模型对多个驱动进行联动，这对打印机的控制提出了较高要求，同时也增加了机械结构与已打印零件之间干涉的风险。且并联机构本身结构复杂，打印头运动空间相对较小。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种四自由度远程运动中心协作式3D打印机，打印头的移动与转动部分解耦，能够实现打印头绕虚拟转动中心，即打印头挤出端的转动，具有平、曲面多种打印模式，便于多方向打印和曲面打印的实施，并且基于商联机构的协作式3D打印机结构，具有刚度大、结构紧凑、误差小的特点，从而减少关节误差对于打印零件的影响；此外，该打印设备基于柱面坐标，①有利于回转类零件平面打印的高速打印成形，②与此同时，该设备可应用于零件由内而外逐个曲面层的打印，层内打印路径可采用上下往复的填充方式，③该设备亦可调整打印头相对于打印平台的姿态，实现多方向打印或传统的平面打印。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种四自由度远程运动中心协作式3D打印机，包括：设置于壳体内的回转打印平台、竖直移动模块、径向移动模块和打印头，其中：回转打印平台设置于壳体的底部进行回转运动，竖直移动模块、径向移动模块和打印头依次连接并实现打印头的四自由度移动。

所述的径向移动模块为1T(移动自由度)1R(转动自由度)型，包括：曲柄滑块、径向滑块、五杆机构和双平行四边形连杆，其中：曲柄滑块的曲柄一端与设置在竖直移动模块上的电机连接，曲柄滑块的固定杆一端与径向滑块连接，五杆机构分别与径向滑块和竖直移动模块上的电机连接，径向滑块的固定连杆分别与双平行四边形连杆、五杆机构和曲柄滑块相连。

所述的双平行四边形连杆包括：对应连接并形成转动副的第一组平行杆和第二组平行杆，其中：第一组平行杆分别与固定连杆和五杆机构连接形成转动副，第一组平行杆的上、下连杆的另一端与第二组平行杆左、右连杆连接并形成转动副，第二组平行杆左、右连杆连接的另一端与打印头连接并形成转动副。