CN108515696A - 一种增材制造装备及其高精度定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增材制造装备及其高精度定位方法。该设备包括3D打印单元、定位单元、测量单元和控制***。其中，3D打印单元包括送料机构和一个或一个以上的3D打印喷头，所述送料机构用于将打印耗材输送至所述3D打印喷头打印物体；定位单元设在基座上，所述3D打印喷头安装在所述定位单元上，所述定位单元包括气浮导轨机构，所述气浮导轨机构驱动所述定位单元相对于所述基座在三维方向运动；测量单元用于测量打印物体的空间位置，以及用于测量所述定位单元的运动位置；控制***用于接收处理所述测量单元的测量结果，并基于所述测量结果控制所述气浮导轨机构相应运动。

Description

一种增材制造装备及其高精度定位方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种增材制造装备及其高精度定位方法。。

背景技术

增材制造技术（俗称3D打印）是一种快速成型技术，它以数字模型为基础，将金属粉末、流体材质、塑料等各种类型的可粘合材料，通过计算机软件程序控制，使用逐层堆叠材料的方式来构建物体的立体成型技术。

现有技术中，3D打印机三轴的主要运动机构多存在一定的回程差，垂直运动的Z轴定位精度较低，有效行程范围较小且受结构限制，且现有技术的3D打印机功能较单一，通常只能完成增材制造功能。

坐标测量技术主要应用于几何量测量。任何形状的物体都是由空间点组成，物体的几何量测量可以归结为空间点的测量。在增材制造过程中，通过对构建物体精确地进行空间点坐标采集，将这些点的坐标数值经过计算机数据处理，可得出其形状、位置及其他几何量数据。

将坐标测量技术应用到增材制造装备中，可集成出一种高精度和大尺寸系列化的3D打印装置。能够实现增材制造及几何量测量一体化功能，满足了采用增材制造方式的大型零部件在高精度和大尺寸领域的要求。

因此，发明人创造性的提供了一种增材制造装备及其高精度定位方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种增材制造装备及其高精度定位方法，创造性的应用了气浮导轨技术、增材制造技术和坐标测量技术，解决了现有增材制造设备定位精度低和行程范围小的问题。

第一方面，本发明的实施例提出了一种增材制造装备，该设备包括3D打印单元、定位单元、测量单元和控制***。其中，3D打印单元包括送料机构和一个或一个以上的3D打印喷头，所述送料机构用于将打印耗材输送至所述3D打印喷头打印物体；定位单元设在基座上，所述3D打印喷头安装在所述定位单元上，所述定位单元包括气浮导轨机构，所述气浮导轨机构驱动所述定位单元相对于所述基座在三维方向运动；测量单元用于测量打印物体的空间位置，以及用于测量所述定位单元的运动位置；控制***用于接收处理所述测量单元的测量结果，并基于所述测量结果控制所述气浮导轨机构相应运动。

在第一种可能的实现方式中，所述气浮导轨机构包括X轴气浮导轨组，所述X轴气浮导轨组包括X轴气浮轴承和用于承载打印物体的移动工作平台，所述基座上设有X向气浮滑轨，所述移动工作平台通过所述X向气浮滑轨滑设在所述基座上，所述X轴气浮轴承设在所述移动工作平台与所述X向气浮滑轨之间产生气膜，所述X轴气浮轴承驱动所述移动工作平台相对于所述X向气浮滑轨往复滑动。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述移动工作平台的底部与所述X向气浮滑轨之间采用燕尾槽式的凹凸结构，所述X轴气浮轴承设置在所述燕尾槽式的凹凸结构之间的间隙中。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，在所述基座的两侧分别设有立柱，在两侧的所述立柱之间设有桁架，形成门架式结构，所述移动工作平台设在所述门架式结构与所述基座之间。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述气浮导轨单元还包括Y轴气浮导轨组，所述Y轴气浮导轨组包括Y轴气浮轴承和中滑架，所述桁架上设有Y向气浮滑轨，所述中滑架通过所述Y向气浮滑轨滑设在所述桁架上，所述Y轴气浮轴承设在所述中滑架与所述Y向气浮滑轨之间产生气膜，所述Y轴气浮轴承支撑并驱动所述中滑架相对于所述Y向气浮滑轨往复滑动。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述气浮导轨单元还包括Z轴气浮导轨组，所述Z轴气浮导轨组包括Z轴气浮轴承和仪器安装架，所述仪器安装架用于安装所述一个或一个以上的3D打印喷头，所述中滑架上设有Z向气浮滑轨，所述仪器安装架通过所述Z向气浮滑轨滑设在所述中滑架上，所述Z轴气浮轴承设在所述仪器安装架与所述Z向气浮滑轨之间产生气膜，所述Z轴气浮轴承支撑并驱动所述仪器安装架相对于所述Z向气浮滑轨往复运动。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述X、Y、Z轴气浮轴承采用滚珠丝杠的传动方式，将回转运动转化为直线传动元件的直线运动。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述测量单元包括测量头和光栅测距组件，所述测量头设在所述仪器安装架上用于测量打印物体的空间位置，所述光栅测距组件设在所述X、Y、Z轴气浮轴承的相应轴向的滑轨与直线传动元件之间。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述仪器安装架为中空结构，所述送料结构设在所述仪器安装架的顶端，用于将所述打印耗材通过所述仪器安装架的中空结构输送至所述3D打印喷头。

第二方面，提供了一种采用第一方面的增材制造装备的高精度定位方法，该方法包括：

所述控制***控制所述气浮导轨机构，使所述气浮导轨机构驱动所述定位单元相对于所述基座在三维方向运动；

随着所述定位单元到达预定的打印位置，所述控制***控制所述3D打印单元的送料机构将打印耗材输送至一个或一个以上的所述3D打印喷头，所述3D打印喷头打印相应要求的物体，所述定位单元上还可以设置加热机构；

所述测量单元测量所述打印物体的空间位置，以及测量所述定位单元的运动位置，并将测量结果传输至所述控制***；

所述控制***对接收的所述测量结果进行计算分析，并将分析结果反馈至所述气浮导轨机构驱动所述定位单元运动，使所述定位单元和所述3D打印喷头到达预定的位置。

综上，本发明通过测量单元测量打印物体的空间位置，以及测量定位单元的运动位置，并将测量结果发送至设备的控制***进行计算分析，控制***将分析结果反馈至气浮导轨机构进行相应的位置调节，使气浮导轨机构驱动定位单元进行相应位置调节，在3D打印时，实现了设备的高精度定位，该装备还具备了几何量测量和3D打印的功能，此外，本发明采用气浮导轨机构进行驱动，能够实现无摩擦和无振动的平滑移动，气浮导轨机构还具有运动精度高、清洁无污染等特点，同时还具有误差均化作用，因而能够实现高精度的测距和定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种增材制造装备的总体结构示意图。

图2是本发明三轴导轨气浮轴承布局示意图。

图3是本发明气浮轴承的传动机构的结构示意图。

图中：

1-基座；2-移动工作平台；3-主立柱；4-Y向气浮滑轨；5-中滑架；6- Z向气浮滑轨；7-打印耗材；8-送料机构；9-副立柱；10-加热机构；11-3D打印头；12-X轴气浮轴承；13- X向气浮滑轨；14-仪器安装架；15- Z轴气浮轴承；16- Y轴气浮轴承；17-光栅尺；18-读数头；19-减速机构；20-X轴电机；21-丝母；22-滚珠丝杠。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是本发明实施例的一种增材制造装备的总体结构示意图，如图1所示，该增材制造装备包括了3D打印单元、定位单元、测量单元、控制***和固定基座1。其中，3D打印单元包括送料机构8和一个或一个以上的3D打印喷头11，送料机构8用于将打印耗材7输送至3D打印喷头11进行打印物体。3D打印喷头11安装在定位单元上，该定位单元设在固定基座1上，定位单元包括气浮导轨机构，气浮导轨机构驱动定位单元相对于基座1在三维方向运动。测量单元用于测量打印物体的空间位置，以及用于测量定位单元的运动位置。控制***用于接收处理测量单元的测量结果，并基于该测量结果控制气浮导轨机构相应运动。

本发明通过采用气浮导轨机构驱动定位单元能够实现无摩擦和无振动的平滑移动，消除了现有技术中因结构精度较低产生的运动误差，从而能够使增材制造装备进行精准定位，同时测量单元结合控制***实现了自动测距与反馈调节，进一步实现了3D打印时的精准定位，能根据实际打印要求进行不同行程范围内的操作，拓展了3D打印的应用范围。

具体地，气浮导轨机构包括X轴气浮导轨组，X轴气浮导轨组包括X轴气浮轴承12和用于承载打印物体的移动工作平台2，基座1上设有X向气浮滑轨13，移动工作平台2通过X向气浮滑轨13滑设在基座1上，X轴气浮轴承12设在移动工作平台2与X向气浮滑轨13之间产生5μm-10μm的气膜，这层气膜使运动部件可以在高精度的滑轨上快速、无摩擦、无振动的平稳运动，从而实现单轴的高定位精度，而且具有清洁、能耗低、对环境影响小等优点。X轴气浮轴承12驱动移动工作平台2相对于X向气浮滑轨13往复滑动。该移动工作平台2的底部与X向气浮滑轨13之间采用燕尾槽式的凹凸结构，X轴气浮轴承12设置在燕尾槽式的凹凸结构之间的间隙中，X轴气浮轴承12可以根据实际的结构设计需要相应合理布局。

基座1的两侧分别设有主立柱3和副立柱9，在两侧的主立柱3和副立柱9之间设有桁架，形成门架式结构，移动工作平台2设在该门架式结构与基座1之间。

气浮导轨机构驱动移动工作平台2可以相对于基座1沿X向气浮滑轨13往复运动，3D打印喷头11可以在门架式结构上进行二维方向往复运动，能够实现增材制造装备在三维空间范围内的精确位置定位。

优选地，气浮导轨单元还包括Y轴气浮导轨组， Y轴气浮导轨组包括Y轴气浮轴承16和中滑架5，桁架上设有Y向气浮滑轨4，中滑架5通过Y向气浮滑轨4滑设在桁架上， Y轴气浮轴承16设在中滑架5与Y向气浮滑轨4之间产生气膜， Y轴气浮轴承16支撑并驱动中滑架5相对于Y向气浮滑轨4往复滑动。

气浮导轨单元还包括Z轴气浮导轨组，Z轴气浮导轨组包括Z轴气浮轴承15和仪器安装架14，仪器安装架14用于安装一个或一个以上的3D打印喷头11，中滑架5上设有Z向气浮滑轨6，仪器安装架14通过Z向气浮滑轨6滑设在中滑架5上，Z轴气浮轴承15设在仪器安装架14与Z向气浮滑轨6之间产生气膜，Z轴气浮轴承15支撑并驱动仪器安装架14相对于Z向气浮滑轨6往复运动。

仪器安装架14为中空结构，送料结构8设在仪器安装架14的顶端，用于将打印耗材7（如丝状材料）通过仪器安装架14的中空结构输送至3D打印喷头11中。

需要说明的是，测量单元的控制线以及3D打印机喷头11的打印材料7均可以布置在仪器安装架14的中空结构中。

图2是本发明三轴导轨气浮轴承布局示意图。如图2所示，测量单元包括测量头和光栅测距组件，测量头设在仪器安装架14上用于测量打印物体的空间位置，光栅测距组件设在X、Y、Z轴气浮轴承的相应轴向的滑轨与直线传动元件之间。

本发明的测量头以及3D打印喷头11通过可拆卸的方式安装在仪器安装架14上，便于拆装以及维护，实践中可以根据实际物体的打印需求安装一个或一个以上的3D打印喷头11，以提高打印效率。

以X轴气浮轴承12为例说明，光栅测距组件包括光栅尺17和与之配合的读数头18，将读数头18安装在移动工作平台2的下侧，通过读数头18与光栅尺17的相对运动将X轴气浮轴承12的位置坐标时时传输给控制***，控制***经过一定的数学运算将下一步指令信号再反馈给X轴伺服电机，控制***通过对运动部件进行控制，从而实现X轴气浮轴承12的闭环控制***。

Y轴气浮轴承16和Z轴气浮轴承15的闭环控制***以及相应光栅测距组件的设置与X轴气浮轴承12的类似，在此不再赘述。

图3是本发明气浮轴承的传动机构的结构示意图。如图3所示，X、Y、Z轴气浮轴承（12、15、16）采用滚珠丝杠的传动方式，将回转运动转化为直线传动元件的直线运动。具体地，以X轴气浮轴承为例说明，减速器采用同步带轮减速机构19，X轴电机20通过同步带轮减速机构19带动滚珠丝杠22旋转。通过滚珠丝杠22与丝母21的啮合使伺服电机的回转运动转换为直线运动，丝母21带动移动工作平台2沿固定基座1上的X向气浮滑轨13滑动。

通过装备的控制***以及X、Y、Z轴气浮轴承（12、15、16）的闭环控制***实现了三轴的高精度运动及定位功能，同时各个方向能单独控制，以便针对性的独立控制，更好的实现了单轴的高精度定位。

第二方面，本发明还提供了一种增材制造设备的高精度定位方法，该方法采用第一方面的如图1所示的增材制造装备，包括以下步骤S110~步骤S140：

步骤S110，通过控制***控制气浮导轨机构，使气浮导轨机构驱动述定位单元相对于基座1在三维方向运动。

步骤S120， 随着定位单元到达预定的打印位置，控制***控制3D打印单元的送料机构8将打印耗材7输送至一个或一个以上的3D打印喷头11， 3D打印喷头11打印相应要求的物体，定位单元上还可以设置加热机构10。

步骤S130，测量单元测量打印物体的空间位置，以及测量定位单元的运动位置，并将测量结果传输至控制***。

步骤S140，控制***对接收的测量结果进行计算分析，并将分析结果反馈至气浮导轨机构驱动该定位单元运动，使定位单元和3D打印喷头11到达预定的位置。

综上，本发明的增材制造装备通过采用测量技术和气浮导轨机构的方式，使定位单元与相应气浮滑轨之间产生一层气膜，有效的减弱了传统的直线导轨和滑块等导轨方式产生的振动和摩擦，同时各轴的传动机构采用同步带减速机构方式，减小了减速机构在运动过程中的回程差，因此可以实现高精度运动，采用气浮导轨机构驱动定位单元能够实现更大范围的行程，该装备结构紧凑，操作方便，集成度高，能够实现高精度定位，大尺寸的3D打印，拓宽了增材制造的应用范围。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种增材制造装备，其特征在于，包括：

3D打印单元，包括送料机构和一个或一个以上的3D打印喷头，所述送料机构用于将打印耗材输送至所述3D打印喷头打印物体；

定位单元，设在基座上，所述3D打印喷头安装在所述定位单元上，所述定位单元包括气浮导轨机构，所述气浮导轨机构驱动所述定位单元相对于所述基座在三维方向运动；

测量单元，用于测量打印物体的空间位置，以及用于测量所述定位单元的运动位置；

控制***，用于接收处理所述测量单元的测量结果，并基于所述测量结果控制所述气浮导轨机构相应运动。

2.根据权利要求1所述的增材制造装备，其特征在于，所述气浮导轨机构包括X轴气浮导轨组，所述X轴气浮导轨组包括X轴气浮轴承和用于承载打印物体的移动工作平台，所述基座上设有X向气浮滑轨，所述移动工作平台通过所述X向气浮滑轨滑设在所述基座上，所述X轴气浮轴承设在所述移动工作平台与所述X向气浮滑轨之间产生气膜，所述X轴气浮轴承驱动所述移动工作平台相对于所述X向气浮滑轨往复滑动。

3.根据权利要求2所述的增材制造装备，其特征在于，所述移动工作平台的底部与所述X向气浮滑轨之间采用燕尾槽式的凹凸结构，所述X轴气浮轴承设置在所述燕尾槽式的凹凸结构之间的间隙中。

4.根据权利要求2所述的增材制造装备，其特征在于，在所述基座的两侧分别设有立柱，在两侧的所述立柱之间设有桁架，形成门架式结构，所述移动工作平台设在所述门架式结构与所述基座之间。

5.根据权利要求4所述的增材制造装备，其特征在于，所述气浮导轨单元还包括Y轴气浮导轨组，所述Y轴气浮导轨组包括Y轴气浮轴承和中滑架，所述桁架上设有Y向气浮滑轨，所述中滑架通过所述Y向气浮滑轨滑设在所述桁架上，所述Y轴气浮轴承设在所述中滑架与所述Y向气浮滑轨之间产生气膜，所述Y轴气浮轴承支撑并驱动所述中滑架相对于所述Y向气浮滑轨往复滑动。

6.根据权利要求5所述的增材制造装备，其特征在于，所述气浮导轨单元还包括Z轴气浮导轨组，所述Z轴气浮导轨组包括Z轴气浮轴承和仪器安装架，所述仪器安装架用于安装所述一个或一个以上的3D打印喷头，所述中滑架上设有Z向气浮滑轨，所述仪器安装架通过所述Z向气浮滑轨滑设在所述中滑架上，所述Z轴气浮轴承设在所述仪器安装架与所述Z向气浮滑轨之间产生气膜，所述Z轴气浮轴承支撑并驱动所述仪器安装架相对于所述Z向气浮滑轨往复运动。

7.根据权利要求6所述的增材制造装备，其特征在于，所述X、Y、Z轴气浮轴承采用滚珠丝杠的传动方式，将回转运动转化为直线传动元件的直线运动。

8.根据权利要求7所述的增材制造装备，其特征在于，所述测量单元包括测量头和光栅测距组件，所述测量头设在所述仪器安装架上用于测量打印物体的空间位置，所述光栅测距组件设在所述X、Y、Z轴气浮轴承的相应轴向的滑轨与直线传动元件之间。

9.根据权利要求8所述的基于气浮原理的增材制造装备，其特征在于，所述仪器安装架为中空结构，所述送料结构设在所述仪器安装架的顶端，用于将所述打印耗材通过所述仪器安装架的中空结构输送至所述3D打印喷头。

10.一种增材制造装备的高精度定位方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的增材制造装备，所述方法包括：

所述控制***控制所述气浮导轨机构，使所述气浮导轨机构驱动所述定位单元相对于所述基座在三维方向运动；

随着所述定位单元到达预定的打印位置，所述控制***控制所述3D打印单元的送料机构将打印耗材输送至一个或一个以上的所述3D打印喷头，所述3D打印喷头打印相应要求的物体，所述定位单元上还可以设置加热机构；

所述测量单元测量所述打印物体的空间位置，以及测量所述定位单元的运动位置，并将测量结果传输至所述控制***；

所述控制***对接收的所述测量结果进行计算分析，并将分析结果反馈至所述气浮导轨机构驱动所述定位单元运动，使所述定位单元和所述3D打印喷头到达预定的位置。