[0001] 本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种基于解耦并联机构的五轴3D打印机。

[0002] 3D打印技术作为快速成型、增材制造领域的高新技术成果，受到了国内外学者、企事业单位的广泛关注，其增加了传统机械加工的加工方法的多样性，对未来制造业的生产模式和相关技术的融合发展具有重要意义。

[0003] 传统的3D打印机都为XYZ三轴式打印，大多为X、Y轴串联运动，Z轴做阶段性进给运动，但传统的层方向单向堆积打印已无法满足更加复杂的多曲面体打印任务，同时传统打印机对于悬空打印的模型需要设计支撑，操作繁琐，层层堆叠打印的力学缺陷也阻碍了3D打印技术在增材制造领域应用脚步。

[0004] 国外开源的五轴项目Open5x以Prusa打印机为基体进行改造设计，其中的y、v、u轴为各轴串联形式，由于各轴的设计及组装误差，经过串联运动后在末端打印平台上会持续放大该误差，致使打印工作无法高精度化。并联机构凭借其动平台的高精度和高承载能力为多轴3D打印提供了可能，相比串联形式，并联机构的动平台运动形式由多个运动分支支链合成，其精确性、刚性等方面具有良好的应用价值。

[0005] 解耦并联机构作为并联机构领域的一个重要分支，由于其具有一对一、无耦合的运动输出特性，为许多学者研究的重点方向，在飞行模拟器、包装分拣、康复机器人、航空调频架等领域有广泛应用。

[0020] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

[0021] 如图1所示，一种基于解耦并联机构的五轴3D打印机，包括解耦并联机构100、打印喷头200和热床机构300。所述解耦并联机构100用于实现动平台在空间中两移动、一转动的运动，所述打印喷头200设置在所述动平台上，热床机构300中的热床平台307与所述喷头200相对设置，并且解耦并联机构100重量较大，因此在使用时，解耦并联机构100在下，热床平台307在上，打印喷头200朝上在热床平台307上完成打印。

[0022] 所述解耦并联机构100的具体结构可参考图2、3所示，包括动平台400、静平台500和设置在动平台400和静平台500之间的四条运动链，分为三条主动运动链和一条纯约束运动链L4，三条主动运动链分别为第一分支运动链L1、第二分支运动链L2和第三分支运动链L3。所述四条运动链的两端分别与静平台500和动平台400连接，以实现动平台400在空间中的运动，并且第一分支运动链L1、第三分支运动链L3和纯约束运动链L4与动平台400的连接位置位于动平台400的同一侧面，第二分支运动链L2与动平台400的连接位置位于所述侧面的相对面。

[0023] 所述静平台500由多根静平台型材501组成，包括四根边框型材501‑3、一根立柱型材501‑1和一根外侧型材501‑2。四根边框型材501‑3组成矩形框架结构，为静平台500的主体结构。所述立柱型材501‑1固定在矩形框架结构的内侧，并垂直于矩形框架结构的矩形平面。所述外侧型材501‑2的端部固定在所述矩形框架结构的外侧面。

[0024] 所述四条运动链的结构原型为2RURU‑RURR‑PPR无耦合并联机构，第一分支运动链L1、第二分支运动链L2的结构相同，都为RURU型运动链，第三分支运动链L3为RURR型运动链；纯约束运动链L4为PPR型运动链。其中，R表示转动副，U表示万向铰，P表示移动副。

[0025] 如图2、4所示，所述的第一分支运动链L1包括第一转动副R11、第二转动副R13、第一连杆L11、第二连杆L12、第三连杆L13、第一万向铰U11和第二万向铰U12。所述第一转动副R11与第一连杆L11的第一端固定连接，第一连杆L11的第二端与第一万向铰U11的第一端连接，第一万向铰U11的第二端与第二连杆L12的第一端连接，第二连杆L12的第二端通过第二转动副R13与第三连杆L13的第一端转动连接，第三连杆L13的第二端与第二万向铰U12的第一端连接，第二万向铰U12的第二端与所述动平台400固定连接。其中，第一万向铰U11中具有转动轴线互相垂直的两个转动副，分别是第一万向铰转动副一R12‑1和第一万向铰转动副二R12‑2；同样的，第二万向铰U12中也具有转动轴线互相垂直的两个转动副，分别是第二万向铰转动副一R14‑1和第二万向铰转动副二R14‑2。第一分支运动链L1中，第一转动副R11为主动副，由设置在所述立柱型材501‑1一侧的运动链驱动器700驱动转动。

[0026] 如图3、4所示，所述的第二分支运动链L2包括第三转动副R21、第四转动副R23、第四连杆L21、第五连杆L22、第六连杆L23、第三万向铰U21和第四万向铰U22。所述第三转动副R21与第四连杆L21的第一端固接，第四连杆L21的第二端与第三万向铰U21的第一端连接，第三万向铰U21的第二端与第五连杆L22的第一端连接，第五连杆L22的第二端通过第四转动副R23与第六连杆L23的第一端转动连接，第六连杆L23的的第二端与第四万向铰U22的第一端连接，第四万向铰U22的第二端与动平台400固定连接。其中，第三万向铰U21中具有转动轴线互相垂直的两个转动副，分别是第三万向铰转动副一R22‑1和第三万向铰转动副二R22‑2；同样的，第四万向铰U22中也具有转动轴线互相垂直的两个转动副，分别是第四万向铰转动副一R24‑1和第四万向铰转动副二R24‑2。第二分支运动链L2中，第三转动副R21为主动副，由设置在所述外侧型材501‑2的运动链驱动器700驱动转动。

[0027] 继续参考图3、4所示，所述的第三分支运动链L3包括第五转动副R31、第六转动副R33、第七转动副R34、第七连杆L31、第八连杆L32、第九连杆L33和第五万向铰U3。第五转动副R31和第七连杆L31的第一端固定连接，第七连杆L31的第二端与第五万向铰U3的第一端连接，第五万向铰U3的第二端与第八连杆L32的第一端连接，第八连杆L32的第二端通过第六转动副R33与第九连杆L33的第一端转动连接，第九连杆L33的第二端通过第七转动副R34与动平台400连接。其中，所述第五万向铰U3具有转动轴线互相垂直的两个转动副，分别是第五万向铰转动副一R32‑1和第五万向铰转动副二R32‑2。第三分支运动链L3中，第五转动副R31为主动副，由设置在所述边框型材501‑3的运动链驱动器700驱动转动。

[0028] 继续参考图3、4所示，所述纯约束分支运动链L4包括第一移动副P41、第二移动副P42、虚约束移动副P41‑1、第十连杆L41和第八转动副R4。第一移动副P41由直线导轨600和对应的滑块601组成，第一移动副P41中的直线导轨600固定在静平台500上。虚约束移动副P41‑1由直线导轨600和对应的滑块601组成，虚约束移动副P41‑1的直线导轨600固定在静平台500上，并与第一移动副P41中的直线导轨600平行布置。第二移动副P42由直线导轨600和第十连杆L41的第一端组成，第二移动副P42的直线导轨600的两端分别固定在第一移动副P41和虚约束移动副P41‑1的两个滑块601上，并且第二移动副P42的直线导轨600垂直于第一移动副P41中的直线导轨600，第十连杆L41的第一端滑动设置在第二移动副P42的直线导轨600上。第十连杆L41的第二端通过第八转动副R4与动平台400连接。虚约束移动副P41‑1存在的意义是增强第一移动副P41的抗压强度，同时为第二移动副P42提供支撑形成龙门架结构，增加其稳定性。

[0029] 所述第一分支运动链L1、第二分支运动链L2和第三分支运动链L3的动力驱动都由运动链驱动器700完成，具有相同的驱动结构。下面以第一分支运动链L1为例，如图2所示，运动链驱动器700的结构包括光轴支架701、光轴702、滚动轴承703、被动同步轮704‑1、驱动同步轮704‑2、同步带705和第一步进电机706。光轴支架701固定在立柱型材501‑1的侧面，光轴702两端分别固定支撑在两个光轴支架701上，光轴702上安装有滚动轴承703，第一连杆L11的第一端设置有轴套，轴套与所述滚动轴承703的外圈固接，实现第一连杆L11相对于光轴702的转动，形成所述的第一转动副R11，所述被动同步轮704‑1通过键连接的方式固定在所述轴套上。第一步进电机706通过支架固定在立柱型材501‑1上，第一步进电机706的输出轴上安装有驱动同步轮704‑2，驱动同步轮704‑2通过同步带705与被动同步轮704‑1传动连接。通过控制第一步进电机706旋转，带动驱动同步轮704‑2和被动同步轮704‑1转动，实现对第一转动副R11的驱动。同理，第二分支运动链L2中的第四连杆L21固接在被动同步轮704‑1上，与光轴702形成第三转动副R21；第三分支运动链L3中的第七连杆L31固接在被动同步轮704‑1上，与光轴702形成第五转动副R31。

[0030] 所述动平台400的运动由3条主动运动链驱动完成，且为无耦合运动状态，其上安装打印喷头200以控制其打印的运动形式。

[0031] 所述打印喷头200可以是任意形式的打印头，包括但不限于FDM熔融打印头、陶泥打印头、涂料喷头、高速磨削头等，图2所示为普通的FDM熔融打印头，在使用中可以通过更换不同喷头以实现不同功能。

[0032] 再如图1所示，所述热床机构300主要包括热床框架301、升降组件、支撑平台304、热床平台307和热床驱动组件。所述的热床框架301为门字形框架，由三根型材固定连接组成，热床框架301的两根立柱垂直于所述静平台500，并固定在所述静平台500上。

[0033] 所述热床平台307通过升降组件实现在热床框架301上的升降运动。所述升降组件包括直线导轨600、同步丝杠302、平台连接架303和支撑平台304。所述直线导轨600设置在所述热床框架301的每根立柱内侧，用于实现所述支撑平台304沿直线导轨600的移动。所述同步丝杠302设置在所述热床框架301的每根立柱外侧，同步丝杠302端部通过联轴器308与第二步进电机309连接，第二步进电机309固定在所述立柱上。所述支撑平台304为一根具有一定宽度的型材，或者采用一块平板，支撑平台304的两端分别通过平台连接架303与所述立柱内侧的直线导轨600滑动连接，平台连接架303与所述同步丝杠302配合连接，同步丝杠302的旋转带动平台连接架303以及支撑平台304沿直线导轨600升降移动。

[0034] 所述热床平台307设置在支撑平台304和所述打印喷头200之间，并在热床驱动组件的带动下转动。所述热床驱动组件包括热床转轴310、滚动轴承311、固定块305、同步带传动机构312和第三步进电机313。所述热床转轴310固定连接在热床平台307相背于打印喷头200的一侧，热床转轴310与所述支撑平台304的升降方向平行。在所述支撑平台304上相背于热床平台307的一侧固定设置有固定块305和第三步进电机313，固定块305内安装有滚动轴承311，所述热床转轴310穿过支撑平台304和固定块305并与滚动轴承311连接，热床转轴
310端部通过同步带传动机构312与第三步进电机313传动连接，第三步进电机313作为动力机构，带动热床平台307转动一定的角度。

[0035] 优选的，所述热床平台307和所述支撑平台304之间还设置有套设在热床转轴310上的硅胶垫306，硅胶垫306用于将热床平台307和支撑平台304隔开以隔绝热床温度对支撑平台304型材的影响。

[0036] 在所述静平台500上以第三分支运动链L3的第五转动副R31的转动轴线方向为y向、第五转动副R31的转动轴线与第七连杆L31延长线的交点为坐标原点O，垂直于静平台平面向上的方向为z轴，由右手定则确定x轴，建立空间坐标系O‑xyz。再以纯约束分支运动链L4上第八转动副R4的转动轴线方向为u轴，并以第十连杆L41延长线与第八转动副R4的转动轴线的交点为坐标原点OD，垂直于动平台400平面向上的方向为w轴，由右手定则确定v轴，建立空间坐标系OD‑uvw，并简化解耦并联机构100为2RURU‑RURR‑PPR模型(如图4所示)，其中x轴和u轴始终平行。各转动副在空间中的布置特征如下：第一分支运动链L1的第一转动副R11的转动轴线与O‑xyz坐标系的z轴平行，第一万向绞U11中的第一万向铰转动副一R12‑1的转动轴线与O‑xyz坐标系的z轴平行，第一万向铰转动副二R12‑2的转动轴线与O‑xyz坐标系的y轴平行，第二转动副R13的转动轴线与O‑xyz坐标系的y轴平行，第二万向绞U12中的第二万向铰转动副一R14‑1的转动轴线与O‑xyz坐标系的y轴平行，第二万向铰转动副二R14‑2的转动轴线与O‑xyz坐标系的x轴平行。

[0037] 第二分支运动链L2的第三转动副R21的转动轴线与O‑xyz坐标系的y轴平行，第三万向绞U21中的第三万向铰转动副一R22‑1的转动轴线与O‑xyz坐标系的y轴平行，第三万向铰转动副二R22‑2的转动轴线与O‑xyz坐标系的z轴平行，第四转动副R23的转动轴线与O‑xyz坐标系的z轴平行，第四万向绞U22中的第四万向铰转动副一R24‑1的转动轴线与O‑xyz坐标系的z轴平行，第四万向铰转动副二R24‑2的转动轴线与O‑xyz坐标系的x轴平行。

[0038] 第三分支运动链L3的第五转动副R31以O‑xyz坐标系的y轴为转动轴线，第五万向绞U3中的第五万向铰转动副一R32‑1的转动轴线与O‑xyz坐标系的y轴平行，第五万向铰转动副二R32‑2的转动轴线与O‑xyz坐标系的x轴平行，第六转动副R33的转动轴线与O‑xyz坐标系的x轴平行，第七转动副R34的转动轴线与O‑xyz坐标系的x轴平行。

[0039] 纯约束分支运动链L4的第一移动副P41、虚约束移动副P41‑1移动方向平行于O‑xyz坐标系的x轴，第二移动副P42的移动方向平行于O‑xyz坐标系的y轴，第八转动副R4的转动轴线与O‑xyz坐标系的x轴平行，第十连杆L41垂直于第二移动副P42的移动方向，与O‑xyz坐标系的z轴平行。

[0040] 所述第八转动副R4的转动轴线、第七转动副R34的转动轴线和第二万向铰转动副二R14‑2的转动轴线共线。第三转动副R21和第五转动副R31可不在同一平面内，第一转动副R11只需保证平行于O‑xyz坐标系的z轴即可，根据杆长和动平台大小合理布置其位置，第一移动副P41与虚约束移动副P41‑1形成的平面与O‑xyz坐标系的xy平面平行，可处于同一平面内。

[0041] 本发明的解耦并联机构100为无耦合运动输出特性，动平台可实现2T1R三自由度的运动形式，第一分支运动链L1控制动平台400沿O‑xyz坐标系的y轴平行运动，第二分支运动链L2控制动平台400绕OD‑uvw坐标系的u轴转动，第三分支运动链L3控制动平台400沿O‑xyz坐标系的x轴平行运动，三条主动分支运动链的动力来源由运动链驱动器提供。纯约束分支运动链L4不为动平台400的运动提供动力，但限制其只能沿x轴平行运动和y轴平行运动。动平台400及打印喷头200的运动形式如图5所示，其中，虚线箭头表示各主动副的运动方向，实线箭头表示动平台400及打印喷头200的运动方向。图5左上角图示为装置处于初始位置；图5右上角所示为动平台400及打印喷头200沿y轴方向移动，此时驱动第一转动副R11转动，动平台400及打印喷头200沿y轴方向平行运动；图5左下角图示为动平台400及打印喷头200沿x轴方向移动，此时驱动第五转动副R31转动，动平台400及打印喷头200沿x轴方向平行运动；图5右下角图示为动平台400及打印喷头200绕u轴方向转动，此时驱动第三转动副R21转动，动平台400及打印喷头200绕u轴方向转动。

[0042] 热床机构300通过第二步进电机309、同步丝杠302、平台连接架303的配合运动可实现热床平台307沿O‑xyz坐标系的z轴平行运动，通过第三步进电机313、同步带传动机构312和热床转轴310可实现热床平台307转动，且转动轴线与O‑xyz坐标系的z轴平行。

[0043] 在各轴的运动配合下可实现复杂多面体打印功能，同时也可实现普通堆叠式3D打印机的打印功能，在复杂多面体打印时，动平台400上的打印喷头200除进行平行于O‑xyz坐标系的xy面内打印外，可进行绕OD‑uvw坐标系的u轴转动打印。同时，在热床平台307沿平行于z轴的升降及绕平行于z轴方向转动的配合下，使得打印喷头200末端可达点理论上能够拟合成球面，并在该球面内实现3D打印。

[0044] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。