基于Stewart并聯機構的新型五軸3D打印機的研究

孟 超，馬保聰，田相克，劉嘉昊，高 潔，王 松

（臨沂大學機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276000）

1.引言

并聯機構是一種在動平臺和靜平臺之間利用兩個或者兩個以上的互相獨立的運動鏈的連接構成的閉鏈機構，以并聯傳動方式驅動的多維度系統。與傳統串聯機構相比，具有牢固性好、壽命長、精度高、能動性好、承載能力強、誤差少等諸多特點，具有相當大的應用發展前景。六自由度并聯機構應用領域廣泛，將六個自由度并聯機構與3D打印機結合，形成了結構新穎的基于stewart并聯機構的新型五軸3D打印機。因其獨特結構特性，對控制程序提出了新要求，其控制精度不是很精準，且由于打印模型復雜結構等原因使得誤差干擾加大，因此可能會導致打印機噴頭不能按照規定路線進行，影響其打印作品整體質量。為此需要不斷改進，為打印機優化設計和制作提供技術基礎。

2.國內外研究現狀以及發展特點

2.1 五軸3D打印機

所設計的打印機即為五軸3D打印機的改進設計中的一種。目前，我國打印機發展還處于起步階段，打印機研究還不夠深入，至于五軸打印機在我國由于一些技術上匱乏還處于尚未發展階段，而挪威奧斯陸大學已經開始了一種五軸3D打印機開發研究，使用基于FANUG Type 1和Type H的標準G代碼，機械運轉的X、Y、Z軸運動中加入了A、B兩個角度，從而提升了打印機的靈活度，可以讓打印過程更加順暢，打印產品更加標準化，提升整體打印速度。

2.2 Stewart 并聯機構

Stewart平臺并聯機構具有以下特點：牢固性好、壽命長、精度高、能動性好、承載能力強、誤差少且不累計等。該并聯機構在一些機械裝置的應用上可以與串聯機構相互配合形成相輔相成的關系。Stewart平臺并聯機構在世界很多領域的到了應用，航空、航天、潛水作業等領域。但是由于結構復雜性，在運動學、奇異性、動力學方面還存在著一些需要解決的問題。Stewart平臺中雅可比矩陣是其主要內容。

3.主要研究內容

針對現有的三軸熔融堆積成型工藝存在的表面粗糙度較差，支撐過多，材料利用率等關鍵的問題提出運用Stewart并聯機構的五軸3D打印技術。本項目的總體方案設計是以Stewart并聯機構為核心機構，總共分為三個部分，分別為Stewart并聯機構底座，以Delta并聯機構控制打印噴頭，液冷散熱裝置。

首先是Stewart并聯機構的五軸3D打印技術，突破了平面疊加的打印填充方式，能夠實現減少支撐甚至無支撐打印，既節省了打印時間和材料消耗，又防止了打印支撐對模型表面的破壞，從而提高了打印精度。

其次噴頭部分選擇Delta并聯機構用來控制噴頭的自由度，由三個電機和三個支鏈共同控制，實現了精準定位，提高了打印速度。Delta并聯機構與底座的Stewart并聯機構形成互補，因為Stewart平臺并聯機構具有承載能力強、位置誤差不累計等特點，平臺和噴頭可以很好的配合進行精準高速打印。

最后是液冷散熱裝置，由于Stewart并聯機構的新型五軸3D打印機內部需要有多個步進電機同時運行，功率較大所以打印機內部的溫度上升較快，而打印機內部的溫度需要得到精準的控制，而當前的風冷結構已經無法滿足打印機的全身控溫。為了得到一個穩定良好的打印環境，改革散熱系統是勢在必行的。本次設計采用的全機身的循環水冷散熱，不但能實現打印機內部的迅速降溫，并且能夠對特定的位置進行精準的控溫，避免了因為散熱不及時而產生的打印機過熱而燒傷模表面。

4.Stewart 并聯機構五軸打印裝備設計

4.1 Stewart 并聯機構五軸3D打印機械系統設計

Stewart并聯機構五軸3D打印機工作臺的結構設計會影響到零件的打印質量與打印速度，基于Stewart并聯機構的3D打印機機械結構如圖1所示，由原三角洲的鋁型材構成支撐架、Stewart并聯工作臺、冷卻系統、進給系統組成。在該新型五軸3D打印機中，3根鋁材通過兩個鋁板彼此連接而成，構成整體框架，用來支撐內部零件的安裝，該框架延續了原有三角洲打印機優勢，制造成本低，易于維護安裝，結構簡單，方便后期研究開發。

圖1 基于 Stewart 并聯機構的新型五軸3D打印機結構示意圖

4.1.1 Delta并聯機構設計

Delta機構為典型并聯機構，由固定平臺和浮動平臺以及三條完全一致的支鏈構成，三條支鏈在固定平臺與浮動平臺之間上下移動并呈120度均勻分布。每一條支鏈的組成都是有一個主動桿和一個被動桿。

Delta并聯機構以精度高，工作空間大，速度高等優點，在各個領域發揮著不可替代的作用。所以該五軸打印機采用Delta并聯機構。但是將原有旋轉鉸鏈換成了球形鉸鏈，球形鉸鏈會限制三個自由度X,Y,Z，而三個旋轉的自由度是沒有約束的，通過SolidWorks的motion仿真發現模型完全沒有之前旋轉鉸鏈時的冗余約束，模型的自由度也成了正常的三個自由度，并且空間運動范圍更大，不容易出現干涉。

4.1.2 Stewart并聯機構設計

底座是用來承載已加工表面的，因為傳統的打印機底座的自由度只有一個，從而導致模型的后期處理支撐過多且難以消除，而運用Stewart并聯機構的五軸打印機在打印過程中可以控制平臺的傾斜角度，從而打印模型中懸空或者傾斜的部分能達到減少或者是消除支撐。Stewart并聯機構由多個輸入驅動組成，多個輸入驅動共同作用，互相沒有累積，還能互相抵消誤差，致使運動平臺的運動精度更高，能更好貼合模型的結構進行傾斜。Stewart并聯機構的輸入驅動設置在平臺底面降低重心，使得平臺重量相對較輕，運動時可以達到快速響應。

4.2 Stewart 并聯機構五軸打印控制系統設計

4.2.1 運動控制系統

3D打印機作為一種數控設備，通過切片軟件對3D模型進行切片后生成的運動指令來完成打印操作。而運動控制系統本質上就是解析這些運動指令，并把驅動電動機工作脈沖發送出，讓3D打印機機械部分執行動作，完成打印，控制系統如圖2所示。

本設計采用了較為流行的makerbase公司FDM主板—Robin系列，Robin系列主控板采用32位高速ARM芯片支持TFT觸摸屏，支持斷點續打、斷料檢測、wifi傳輸等功能。基本滿足現有FDM打印機的運動控制需求。

圖2 基于Stewart并聯機構的新型五軸3D打印機的系統控制流程圖

4.2.2 冷卻控制系統

本設計冷卻系統是采用了液冷散熱系統，液冷散熱系統是利用泵推動散熱管中的冷卻液循環并進行散熱。液冷散熱作為一種成熟的冷卻控制系統，一直廣泛應用于汽車，飛機引擎等。液冷散熱系統在計算機領域也正在普及，得益于液冷散熱效果遠大于空氣，其安全性和穩定性都有了很大進步。由于Stewart并聯機構的新型五軸3D打印機內部需要有多個步進電機同時運行，功率較普通桌面級打印機大許多，打印機內部溫度上升較快且不易控制，噴頭和打印機內部溫度一旦過高很容易燙傷模型表面，并且溫度過高很容易燒焦耗材產生異味，風冷散熱已經不能滿足打印機的散熱要求，所以本打印機采用了液冷散熱系統對打印機進行整機散熱，可以精準地對打印機進行局部控溫，有效避免打印機局部溫度過熱，使打印機的工作更加穩定安全。

5.結語

該系統在繼承了現有三維打印基礎平臺的功能后主要開展了新型Stewart并聯機構平臺的設計,確定了并聯臂的結構并結合基礎平臺的特性進行針對性的設計。為滿足姿態轉變平臺的安裝與標定要求，進而進行打印控制系統的設計，使其滿足五軸系統控制的要求。最后解決現有擠出裝置在3D打印過程中的問題，最終完成本五軸3D打印機的設計。