阅读说明：本技术 七轴并联随形曲面熔融沉积增材制造装置 (Seven-shaft parallel shape-following curved surface fused deposition additive manufacturing device ) 是由 李立鹏 崔滨 刘亚雄 李良刚 陈恒威 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：一种七轴并联随形曲面熔融沉积增材制造装置,包括相互配合的上平台和下平台,上平台为非对称式五轴并联机器人,下平台为两轴并联结构动平台；在上动平台下面安装熔融头,塑料丝经由挤丝机送入熔融头,加工成型表面在下动平台上面；本发明实现随形曲面熔融沉积成型,具有结构紧凑简洁、控制灵活、刚度高、精度高、自由度大、成型范围大的优点。(A seven-axis parallel shape-following curved surface fused deposition additive manufacturing device comprises an upper platform and a lower platform which are matched with each other, wherein the upper platform is an asymmetric five-axis parallel robot, and the lower platform is a movable platform with a two-axis parallel structure; a melting head is arranged below the upper movable platform, plastic wires are fed into the melting head through a wire extruding machine, and the processing and forming surface is arranged above the lower movable platform; the invention realizes the conformal curved surface fused deposition molding and has the advantages of compact and simple structure, flexible control, high rigidity, high precision, large degree of freedom and large molding range.)

七轴并联随形曲面熔融沉积增材制造装置

技术领域

本发明属于三维增材制造熔融沉积成型技术领域，具体涉及一种七轴并联随形曲面熔融沉积增材制造装置。

背景技术

熔融沉积成型技术作为增材制造技术的一种，具有使用简单、成本低廉、无公害无污染等优点，在工业级和消费级市场中得到了广泛应用。目前主流的熔融沉积成型增材制造装置主要包括：采用直角坐标机器人的XYZ型3D打印机、采用并联机器人的三角洲打印机、采用串并联复合结构的CoreXY型3D打印机。这些增材制造装置运动机构具有三个自由度，可进行水平、垂直运动，采用平面层叠成型技术进行熔融沉积成型。由于受限于平面层叠成型技术限制，现有的熔融沉积成型增材制造装置存在三方面问题：一是层与层之间与层内相比的粘结力较小，虽可采用交叉填充线的方式改进，但是不能从根本上消除层叠方向抗剪切力能力差的问题；二是对于曲面零件，平面层叠会使曲面轮廓产生台阶效应，目前的自适应切片方法可减少台阶效应，但无法完全消除；三是对于有内部空间和有悬臂结构的零件，为了防止熔丝塌陷，必须紧密填充内部轻量化结构与外部支撑，外部支撑最后还需要去除，这样不但增加了后续处理过程，而且造成材料的浪费和制件效率的降低。总之，由于受限于主流的平面层叠成型技术，层熔融沉积成型的应用受到了很多限制。

随形曲面成型是指根据零件表面的曲面进行离散化叠加的增材制造技术，切层方式为三维曲面切层方法，填充方式为三维曲线填充策略。随形曲成型可解决平面层叠成型的许多问题，首先，由于随形曲面成型层叠方向不唯一，可以解决层叠方向抗剪切力能力差的问题；其次，由于可根据零件表面的曲面变化规划喷丝路径，可消除曲面轮廓的台阶效应；再次，曲面分层方式能减少层数，节省打印时间。为了实现随形曲面成型，需要建立三轴以上的成形装置。

现有的多轴熔融沉积成型装置一般效仿五轴数控机床，在原有的三自由度运动机构上串联旋转结构，形成可旋转的熔融头或可旋转摇摆平台。但是串联结构不但会产生累积误差，而且下级结构要负载上级结构的重量，造成刚度差、提高精度成本高的问题。现在的多轴并联机器人，一般采用对称结构，虽可实现多自由度运动，但由于连杆之间的干涉影响，无法使末端旋转到任意角度，作工作范围受到了一定限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种七轴并联随形曲面熔融沉积增材制造装置，实现随形曲面熔融沉积成型，具有结构紧凑简洁、控制灵活、刚度高、精度高、自由度大、成型范围大的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种七轴并联随形曲面熔融沉积增材制造装置，包括相互配合的上平台和下平台，上平台为非对称式五轴并联机器人，下平台为两轴并联结构动平台。

所述的上平台包括上定平台和与之连接的上动平台12，上定平台包括桁架11，桁架11上固定有第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3、第四驱动单元4和第五驱动单元5，第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3、第四驱动单元4、第五驱动单元5通过第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8、第四连杆9和第五连杆10和上动平台12连接，第一驱动单元1和第二驱动单元2控制上动平台12水平面运动，第三驱动单元3和第四驱动单元4控制上动平台12平面转动，第五驱动单元5控制上动平台12垂直方向运动；第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3、第四驱动单元4、第五驱动单元5、第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8、第四连杆9、第五连杆10、桁架11和上动平台12构成空间闭环结构。

所述的下平台包括下定平台和与之连接的下动平台18，下动平台18位于上动平台12的下方；下定平台包括底板17，底板17上固定有第六驱动单元13和第七驱动单元14，第六驱动单元13、第七驱动单元14通过第六连杆15、第七连杆16和下动平台18下面连接，下动平台18中心与底板17通过万向节19连接；第六驱动单元13控制下动平台18沿水平面一轴转动，第七驱动单元14控制下动平台18沿水平面另一轴转动；底板17、第六驱动单元13，第七驱动单元14、第六连杆15、第七连杆16和下动平台18构成空间闭环结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

减轻上级结构负载，提高打印精度。本发明采用第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3、第四驱动单元4、第五驱动单元5通过第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8、第四连杆9和第五连杆10和上动平台12连接的结构，与在原有的三自由度运动机构上串联旋转结构相比，本发明减轻了顶层桁架结构的负载，提高了打印机精度，同时降低了打印机成本。

扩大工作范围，保证挤出轴线与打印面垂直。零件的力学性能受细观结构影响非常大，尤其在像FDM成型这样的各向异性结构。而在一般的五轴打印机中，由于连杆之间的干涉影响，无法使末端旋转到任意角度，使工作范围收到了一定限制。本发明采用第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8、第四连杆9和第五连杆10共五轴的上平台控制和第六连杆15、第七连杆16共两轴的下平台控制，可以使得上动平台12和下动平台18同时旋转一定角度，以保证在打印过程中喷头和打印面垂直，扩大打印工作范围。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例上平台的示意图。

图3是本发明实施例下平台的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照图1、图2和图3，一种七轴并联随形曲面熔融沉积增材制造装置，包括相互配合的上平台和下平台；

所述的上平台包括上定平台和与之连接的上动平台12，上定平台包括桁架11，桁架11上固定有第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3、第四驱动单元4和第五驱动单元5，第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3、第四驱动单元4、第五驱动单元5通过第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8、第四连杆9和第五连杆10和上动平台12连接，第一驱动单元1和第二驱动单元2控制上动平台12水平面运动，第三驱动单元3和第四驱动单元4控制上动平台12平面转动，第五驱动单元5控制上动平台12垂直方向运动；第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3、第四驱动单元4、第五驱动单元5、第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8、第四连杆9、第五连杆10、桁架11和上动平台12构成空间闭环结构，形成非对称式五轴并联机器人；

所述的下平台包括下定平台和与之连接的下动平台18，下动平台18位于上动平台12的下方；下定平台包括底板17，底板17上固定有第六驱动单元13和第七驱动单元14，第六驱动单元13、第七驱动单元14通过第六连杆15、第七连杆16和下动平台18下面连接，下动平台18中心与底板17通过万向节19连接；第六驱动单元13控制下动平台18沿水平面一轴转动，第七驱动单元14控制下动平台18沿水平面另一轴转动；底板17、第六驱动单元13，第七驱动单元14、第六连杆15、第七连杆16和下动平台18构成空间闭环结构，形成两轴并联结构动平台。

本发明的工作原理为：

在上动平台12下面安装熔融头，塑料丝经由挤丝机送入熔融头，加工成型表面在下动平台18上面；当进行零件的3D打印工作时，计算机程序控制上动平台12、下动平台18与挤丝机、熔融头，带动熔融头在下动平台18上按照当前层模型的切层数据平移运动，挤丝机将塑料丝送入熔融头挤出铺丝并粘附在下动平台18上；同时，计算机程序控制第一驱动单元1、第二驱动单元2、第三驱动单元3、第四驱动单元4和第五驱动单元5，带动第一连杆6、第二连杆7、第三连杆8、第四连杆9、第五连杆10从而控制上动平台12按照其位置和角度运动数据运动；在上动平台下侧，为保证下动平台与其成一定角度，计算机程序控制第六连杆15、第七连杆16带动第六连杆15、第七连杆16按照其角度运动数据运动，实现七轴并联随形曲面熔融沉积。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。