本發(fā)明涉及3d打印領(lǐng)域，尤其是一種3d打印裝置、打印方法及其運(yùn)動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)：

3d打印是一種快速成型“增材制造技術(shù)”，在節(jié)省耗材及復(fù)雜造型兩方面表現(xiàn)突出，具有制造成本低、生產(chǎn)周期短等明顯優(yōu)勢(shì)。而所謂的3d打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張，而3d打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料。它是一種新興行業(yè)，發(fā)展前景樂觀，對(duì)傳統(tǒng)制造工藝帶來了革命性的挑戰(zhàn)。目前，材料種類及性能、打印精度、金屬打印力學(xué)性能及零件尺寸是制約3d打印技術(shù)快速發(fā)展的瓶頸。隨著在工業(yè)領(lǐng)料的不斷拓展，3d金屬打印是重要發(fā)展方向，并對(duì)打印精度提出更高的要求，另外工件尺寸也會(huì)越來越大。

根據(jù)打印的成型工藝及材料的不同，3d打印機(jī)的具體技術(shù)方向也不同，進(jìn)而各功能部件的設(shè)置及聯(lián)動(dòng)形式也不同。由于其逐層打印立體成型的特點(diǎn)，無(wú)論哪種成型工藝，都離不開運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)單元，用于能量、物料的立體構(gòu)造，如供料單元、成型單元和工作臺(tái)等。三維立體的打印制件，在逐層成型的過程中，每一節(jié)點(diǎn)的分辨率是影響該層輪廓度的重要指標(biāo)，加上縱向輪廓的分辨效果，最終決定了立體物品的整體輪廓質(zhì)量，反映到設(shè)備結(jié)構(gòu)中即是運(yùn)動(dòng)部件的定位精度問題。運(yùn)動(dòng)臺(tái)的定位精度及各運(yùn)動(dòng)軸之間的聯(lián)動(dòng)控制是制約3d打印精度的關(guān)鍵因素，物料的精確定位、能量光束的精準(zhǔn)控制至關(guān)重要。特別是金屬打印 設(shè)備中，金屬粉末的顆粒度相當(dāng)精細(xì)，對(duì)于一般精度零件來說，粉末材料的精細(xì)化已不是影響精度的瓶頸，隨著金屬粉末的更加精細(xì)，在微納加工級(jí)別的3d打印領(lǐng)域中對(duì)設(shè)備的要求就顯得非常明顯了，而設(shè)備的性能又往往體現(xiàn)于運(yùn)動(dòng)部件的位置精度。

根據(jù)功能及性能需求不同，成型的三維模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜各異，若同一成型層中結(jié)構(gòu)要素不連續(xù)，如孔狀結(jié)構(gòu)，這就要求運(yùn)動(dòng)軌跡能夠做到快速的過渡，以保證較高產(chǎn)率。而當(dāng)前的3d打印設(shè)備運(yùn)動(dòng)軸精度都是固定的，缺少柔性，當(dāng)軌跡過渡時(shí)速度需求往往大于精度需求，并不需要較高的精度。

當(dāng)前的3d打印設(shè)備中，在供料裝置、成型裝置、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，多采用運(yùn)動(dòng)軸的開環(huán)控制，缺少運(yùn)動(dòng)部件位置的反饋控制，主流的高精度打印設(shè)備中有采用運(yùn)動(dòng)部件位置的反饋環(huán)節(jié)，也僅是單獨(dú)對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用了高精度的測(cè)量系統(tǒng)，將采集到的位移信號(hào)作為反饋，尚沒有采用對(duì)兩個(gè)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)軸間進(jìn)行直接測(cè)量的技術(shù)，通過選用更靠近成型工件的要素定位精度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能更科學(xué)的反映聯(lián)動(dòng)軸之間的定位誤差，從而更能保證工件成型的精度。

在選擇性激光燒結(jié)3d打印設(shè)備中，制約打印成型質(zhì)量的另一重要因素是激光光斑的精度，運(yùn)動(dòng)臺(tái)的定位精度與光斑的定位精度要系統(tǒng)匹配起來。激光光斑直徑的大小對(duì)制件的精度和生產(chǎn)效率影響較大，水平向光斑直徑越小精度越高，但生產(chǎn)效率低，垂向離焦量對(duì)燒結(jié)深度有影響，當(dāng)激光焦點(diǎn)落在粉末層的不同位置，即離焦量不同時(shí)，對(duì)燒結(jié)深度的影響較大，在焦點(diǎn)附近，燒結(jié)深度較深,在負(fù)離焦時(shí)，熱量能向下傳播更遠(yuǎn)的距離，深度達(dá)到最大值。由于激光束的能量呈高斯分布規(guī)律，且停留時(shí)間極為短暫，因此燒結(jié)區(qū)域的物質(zhì)密度和溫度梯度巨大，掃描間隔即光斑的步進(jìn)量對(duì)燒結(jié)程度影響較大。

因此，如何在不連續(xù)層結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)軌跡快速過渡而又不損失精度，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，是亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種3d打印裝置、打印方法及其運(yùn)動(dòng)控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中定位精度較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)軌跡快速過渡而又不損失精度的問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種3d打印裝置，包括：

物料鋪設(shè)單元和工作臺(tái)，所述物料鋪設(shè)單元用于將原材料傳送至工作臺(tái)上；

激光束成型單元，用于將工作臺(tái)上的原材料燒結(jié)成型；

粗動(dòng)單元，用于驅(qū)動(dòng)所述工作臺(tái)或激光束成型單元運(yùn)動(dòng)，且使得所述激光束成型單元相對(duì)工作臺(tái)按設(shè)定的第一軌跡移動(dòng)；

微動(dòng)單元，用于驅(qū)動(dòng)所述工作臺(tái)或激光束成型單元運(yùn)動(dòng)，且使得所述激光束成型單元相對(duì)工作臺(tái)按設(shè)定的第二軌跡移動(dòng)，所述微動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)精度高于所述粗動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)精度；

測(cè)量系統(tǒng)，包括用于測(cè)量所述粗動(dòng)單元位移的粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和用于測(cè)量所述微動(dòng)單元位移的微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；

控制系統(tǒng)，分別與所述物料鋪設(shè)單元、激光束成型單元、粗動(dòng)單元、微動(dòng)單元和測(cè)量系統(tǒng)連接，所述控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的待打印工件的模型控制所述粗動(dòng)單元移動(dòng)、微動(dòng)單元移動(dòng)和控制所述物料鋪設(shè)單元向工作臺(tái)上傳送原材料，所述控制系統(tǒng)獲取所述測(cè)量系統(tǒng)的位移測(cè)量值，控制所述激光束成型單元分別按所述第一軌跡和第二軌跡移動(dòng)，并控制所述激光束成型單元完成對(duì)工作臺(tái)上原材料的打印。

進(jìn)一步地，所述粗動(dòng)單元包括第一粗動(dòng)單元和第二粗動(dòng)單元，所述第一粗動(dòng)單元和第二粗動(dòng)單元分別在空間直角坐標(biāo)系的兩個(gè)不同坐標(biāo)軸方向上運(yùn)動(dòng)，且所述激光束成型單元的軸向分別垂直于所述兩個(gè)坐標(biāo)軸方向，兩個(gè)坐標(biāo)軸分別為第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸，所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量第一粗動(dòng)單元在第一坐標(biāo)軸方向上位移的第一測(cè)量單元和用于測(cè)量第二粗動(dòng)單元在第二坐標(biāo)軸方向上位移的第二測(cè)量單元。

進(jìn)一步地，還包括機(jī)架，所述第一粗動(dòng)單元與機(jī)架連接，并能夠在所述機(jī)架上沿第一坐標(biāo)軸的方向移動(dòng)，所述第二粗動(dòng)單元與第一粗動(dòng)單元連接，并能 夠在所述第一粗動(dòng)單元上沿第二坐標(biāo)軸的方向移動(dòng)，所述微動(dòng)單元與第二粗動(dòng)單元連接，并能夠在所述第二粗動(dòng)單元上沿第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸的方向移動(dòng)，所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)固定在第二粗動(dòng)單元上，用于測(cè)量所述微動(dòng)單元在第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸的方向上的位移，所述激光束成型單元固定在微動(dòng)單元上。

進(jìn)一步地，所述工作臺(tái)固定在所述機(jī)架上，所述第一測(cè)量單元固定在機(jī)架上，所述第二測(cè)量單元固定在第一粗動(dòng)單元上。

進(jìn)一步地，還包括支座單元，所述支座單元通過所述粗動(dòng)單元與工作臺(tái)連接，并能夠驅(qū)動(dòng)所述工作臺(tái)在空間直角坐標(biāo)系的兩個(gè)不同坐標(biāo)軸方向上運(yùn)動(dòng)，所述激光束成型單元的軸向分別垂直于所述兩個(gè)坐標(biāo)軸方向，兩個(gè)坐標(biāo)軸分別為第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸，所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量粗動(dòng)單元在第一坐標(biāo)軸方向上位移的第一測(cè)量單元和用于測(cè)量粗動(dòng)單元在第二坐標(biāo)軸方向上位移的第二測(cè)量單元。

進(jìn)一步地，還包括機(jī)架，所述微動(dòng)單元與機(jī)架連接，并能夠在所述機(jī)架上沿第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸的方向移動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述工作臺(tái)固定在機(jī)架上，所述第一測(cè)量單元和第二測(cè)量單元分別固定在所述支座單元上。

進(jìn)一步地，所述第一測(cè)量單元或第二測(cè)量單元的種類為多個(gè)。

進(jìn)一步地，還包括支座單元，所述粗動(dòng)單元用于承載所述支座單元，并能夠驅(qū)動(dòng)所述支座單元在空間直角坐標(biāo)系的兩個(gè)不同坐標(biāo)軸方向上運(yùn)動(dòng)，所述激光束成型單元的軸向分別垂直于所述兩個(gè)坐標(biāo)軸方向，兩個(gè)坐標(biāo)軸分別為第一坐標(biāo)軸和第二坐標(biāo)軸，所述支座單元通過所述微動(dòng)單元與工作臺(tái)連接，通過所述微動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)所述工作臺(tái)在第一坐標(biāo)軸或第二坐標(biāo)軸方向上運(yùn)動(dòng)，所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量粗動(dòng)單元在第一坐標(biāo)軸方向上位移的第一測(cè)量單元和用于測(cè)量粗動(dòng)單元在第二坐標(biāo)軸方向上位移的第二測(cè)量單元，所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)固定在所述支座單元上，且包括用于測(cè)量微動(dòng)單元在第一坐標(biāo)軸方向上位移的第三測(cè)量單元和用于測(cè)量微動(dòng)單元在第二坐標(biāo)軸方向上位移的第四測(cè)量單元。

進(jìn)一步地，所述第一測(cè)量單元或第二測(cè)量單元的種類為多個(gè)，所述第三測(cè)量單元或第四測(cè)量單元的種類為多個(gè)。

進(jìn)一步地，還包括機(jī)架，所述激光束成型單元固定在機(jī)架上。

進(jìn)一步地，所述粗動(dòng)單元采用包括伺服電機(jī)及滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或采用包括直線電機(jī)及氣浮導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述微動(dòng)單元采用磁浮電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為光柵尺測(cè)量系統(tǒng)或激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為霍爾傳感器測(cè)量系統(tǒng)或電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，還包括測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)，設(shè)置在所述工作臺(tái)上，用于檢測(cè)激光束成型單元發(fā)出的激光相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)的位置偏差檢測(cè)，并將檢測(cè)的偏差值傳送給所述控制系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)為psd測(cè)量系統(tǒng)或四象限傳感器測(cè)量系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述物料鋪設(shè)單元包括供料單元和物料傳送單元，所述控制系統(tǒng)與物料傳送單元連接。

本發(fā)明還提供了一種打印方法，包括：

鋪料步驟：通過所述物料鋪設(shè)單元將原材料傳送至工作臺(tái)上；

粗動(dòng)步驟：通過所述控制系統(tǒng)控制粗動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)或激光束成型單元運(yùn)動(dòng)，并獲取所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量到的粗動(dòng)單元相對(duì)于激光束成型單元的位移，且使得所述激光束成型單元相對(duì)工作臺(tái)按設(shè)定的第一軌跡移動(dòng)；

微動(dòng)步驟：通過所述控制系統(tǒng)控制微動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)或激光束成型單元運(yùn)動(dòng)，并獲取所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量到的微動(dòng)單元相對(duì)于激光束成型單元的位移，且使得所述激光束成型單元相對(duì)工作臺(tái)按設(shè)定的第二軌跡移動(dòng)；

打印步驟：通過所述激光束成型單元將工作臺(tái)上的原材料燒結(jié)成型。

進(jìn)一步地，粗動(dòng)步驟具體包括：

通過所述控制系統(tǒng)控制粗動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)或激光束成型單元運(yùn)動(dòng)，并獲 取所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量到的微動(dòng)單元相對(duì)于激光束成型單元的位移，且使得所述激光束成型單元移動(dòng)至其發(fā)出的激光能夠覆蓋在工作臺(tái)上的測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)上的位置處，并在該位置處通過所述控制系統(tǒng)獲取激光束成型單元相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)的位置偏差，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)所述激光束成型單元使其相對(duì)工作臺(tái)按設(shè)定的第一軌跡移動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述控制系統(tǒng)包括用于進(jìn)行粗動(dòng)控制的粗動(dòng)控制單元、用于進(jìn)行微動(dòng)控制的微動(dòng)控制單元和用于進(jìn)行粗微動(dòng)分配的控制分配單元。

進(jìn)一步地，所述粗微動(dòng)控制分配單元用于根據(jù)待打印工件的連續(xù)打印區(qū)域和非連續(xù)打印區(qū)域進(jìn)行分配，使得在連續(xù)打印區(qū)域采用所述微動(dòng)控制單元控制微動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)，在非連續(xù)打印區(qū)域采用所述粗動(dòng)控制單元控制粗動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)，所述粗微動(dòng)控制分配單元還用于根據(jù)待打印工件的關(guān)鍵打印區(qū)域和非關(guān)鍵打印區(qū)域進(jìn)行分配，使得在關(guān)鍵打印區(qū)域采用所述微動(dòng)控制單元控制微動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)，在非關(guān)鍵打印區(qū)域采用所述粗動(dòng)控制單元控制粗動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述粗動(dòng)控制單元根據(jù)待打印工件形貌計(jì)算下一個(gè)增材區(qū)域的起始位置并定位至燒結(jié)光斑邊緣的設(shè)備空間位置，并跟蹤檢測(cè)當(dāng)前增材燒結(jié)區(qū)域沿增材微動(dòng)軌跡至非連續(xù)或非關(guān)鍵增材區(qū)域的距離，當(dāng)距離為零時(shí)，向粗動(dòng)單元發(fā)出將工件下一增材區(qū)域的起始位置定位至燒結(jié)光斑邊緣位置的信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述微動(dòng)控制單元用于跟蹤檢測(cè)當(dāng)前燒結(jié)光斑已遍歷工件增材區(qū)域的位置，且根據(jù)當(dāng)前燒結(jié)光斑已遍歷工件增材區(qū)域的位置以及工件需連續(xù)增材區(qū)域的面型，計(jì)算將工件下一個(gè)連續(xù)增材區(qū)域移入燒結(jié)光斑需要工件進(jìn)行微動(dòng)定位的位置，當(dāng)位移大于零時(shí)，向微動(dòng)單元發(fā)出定位至該位置的信號(hào)，否則可連續(xù)增材區(qū)域已被燒結(jié)光斑遍歷，需要粗定位至下一個(gè)增材區(qū)域。

本發(fā)明還提供了一種運(yùn)動(dòng)控制方法，包括：

所述工作臺(tái)上設(shè)置有測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)，用于檢測(cè)激光束成型單元發(fā)出的激光相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)的位置偏差檢測(cè)，并將檢測(cè)的偏差值傳送給所述控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括粗動(dòng)控制系統(tǒng)和微動(dòng)控制系統(tǒng)，將粗動(dòng)單元的位置設(shè)定值 long_pos_step及其加速度設(shè)定值long_acc_step輸入粗動(dòng)控制系統(tǒng)，第一控制器將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成粗動(dòng)單元的輸出力long_f，并驅(qū)動(dòng)第一執(zhí)行器，將位置設(shè)定值long_pos_step與粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)獲得定位誤差long_rf_pos_error，所述定位誤差通過所述第一控制器控制第一執(zhí)行器作動(dòng)，將微動(dòng)單元的位置設(shè)定值short_pos_step、微動(dòng)單元的加速度設(shè)定值short_acc_step、所述定位誤差long_rf_pos_error以及測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)的偏差設(shè)定值rf_step輸入微動(dòng)控制系統(tǒng)，第二控制器將微動(dòng)單元的加速度設(shè)定值轉(zhuǎn)換成微動(dòng)單元的輸出力short_f，并驅(qū)動(dòng)第二執(zhí)行器，將微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果反饋至微動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入端，進(jìn)行比對(duì)且將比對(duì)結(jié)果輸入第二控制器中，所述第二控制器基于該比對(duì)結(jié)果控制第二執(zhí)行器作動(dòng)。

本發(fā)明提供了一種3d打印裝置、打印方法及其運(yùn)動(dòng)控制方法，該打印裝置中引用了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的粗動(dòng)、微動(dòng)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以根據(jù)打印層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在不需要成型的結(jié)構(gòu)處以粗動(dòng)單元快速運(yùn)動(dòng)，再以微動(dòng)單元進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)速度與精度的雙贏；提出在線對(duì)準(zhǔn)方案，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)臺(tái)間的在線檢測(cè)與對(duì)準(zhǔn)，保證工件的精確定位。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的打印裝置的立體圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例二提供的打印裝置的立體圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例三提供的打印裝置的立體圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例一提供的工件上光斑位置控制的示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例一提供的運(yùn)動(dòng)控制方法中涉及的控制系統(tǒng)的原理圖。

圖中，100：工件，1：第一粗動(dòng)單元，2：第二粗動(dòng)單元，3：微動(dòng)單元，4：激光束成型單元，5：工作臺(tái)，6：供料單元，7：粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，71：第一測(cè)量單元，72：第二測(cè)量單元，8：機(jī)架，9：支座單元，10：測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)，11：第三測(cè)量單元，12：第四測(cè)量單元。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合示意圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)的描述。根據(jù)下列描述和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

實(shí)施例一

請(qǐng)參考圖1，本發(fā)明提供了一種3d打印裝置，包括：

物料鋪設(shè)單元和工作臺(tái)5，所述物料鋪設(shè)單元用于將原材料傳送至工作臺(tái)5上；

激光束成型單元4，用于將工作臺(tái)5上的原材料燒結(jié)成型；

粗動(dòng)單元，用于驅(qū)動(dòng)所述工作臺(tái)5或激光束成型單元4運(yùn)動(dòng)，且使得所述激光束成型單元4相對(duì)工作臺(tái)5按設(shè)定的第一軌跡移動(dòng)；

微動(dòng)單元3，用于驅(qū)動(dòng)所述工作臺(tái)5或激光束成型單元4運(yùn)動(dòng)，且使得所述激光束成型單元4相對(duì)工作臺(tái)5按設(shè)定的第二軌跡移動(dòng)，所述微動(dòng)單元3的運(yùn)動(dòng)精度高于所述粗動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)精度；

測(cè)量系統(tǒng)，包括用于測(cè)量所述粗動(dòng)單元位移的粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)7和用于測(cè)量所述微動(dòng)單元3位移的微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(未在圖1中示意出)；

控制系統(tǒng)(未圖示)，分別與所述物料鋪設(shè)單元、激光束成型單元4、粗動(dòng)單元、微動(dòng)單元3和測(cè)量系統(tǒng)連接，所述控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的待打印工件100的模型控制所述粗動(dòng)單元移動(dòng)、微動(dòng)單元3移動(dòng)和控制所述物料鋪設(shè)單元向工作臺(tái)5上傳送原材料，所述控制系統(tǒng)獲取所述測(cè)量系統(tǒng)的位移測(cè)量值，控制所述激光束成型單元4分別按所述第一軌跡和第二軌跡移動(dòng)，并控制所述激光束成型單元4完成對(duì)工作臺(tái)5上原材料的打印。

在本實(shí)施例中，所述粗動(dòng)單元包括第一粗動(dòng)單元1和第二粗動(dòng)單元2，所述第一粗動(dòng)單元1和第二粗動(dòng)單元2分別在空間直角坐標(biāo)系的兩個(gè)不同坐標(biāo)軸方 向上運(yùn)動(dòng)，且所述激光束成型單元的軸向分別垂直于所述兩個(gè)坐標(biāo)軸方向，兩個(gè)坐標(biāo)軸分別為第一坐標(biāo)軸y和第二坐標(biāo)軸x，所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量第一粗動(dòng)單元1在第一坐標(biāo)軸y方向上位移的第一測(cè)量單元71和用于測(cè)量第二粗動(dòng)單元2在第二坐標(biāo)軸x方向上位移的第二測(cè)量單元72。

進(jìn)一步地，所述3d打印裝置還包括機(jī)架8，所述第一粗動(dòng)單元1與機(jī)架8連接，并能夠在所述機(jī)架上沿第一坐標(biāo)軸y的方向移動(dòng)，所述第二粗動(dòng)單元2與第一粗動(dòng)單元1連接，并能夠在所述第一粗動(dòng)單元1上沿第二坐標(biāo)軸x的方向移動(dòng)，所述微動(dòng)單元3與第二粗動(dòng)單元2連接，并能夠在所述第二粗動(dòng)單元2上沿第一坐標(biāo)軸y和第二坐標(biāo)軸x的方向移動(dòng)，所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)固定在第二粗動(dòng)單元2上，用于測(cè)量所述微動(dòng)單元3在第一坐標(biāo)軸y和第二坐標(biāo)軸x的方向上的位移，所述激光束成型單元4固定在微動(dòng)單元上。

第一粗動(dòng)單元1用于承載第二粗動(dòng)單元2、微動(dòng)單元3及激光束成型單元4，并完成y向長(zhǎng)行程快速移動(dòng)及粗略定位，第二粗動(dòng)單元2用于承載微動(dòng)單元3及激光束成型單元4，并完成x向長(zhǎng)行程快速移動(dòng)及粗略定位。第一粗動(dòng)單元1與機(jī)架8之間以及第二粗動(dòng)單元2與第一粗動(dòng)單元1之間可以有多種連接方式。例如，可以是滑動(dòng)連接、滾動(dòng)連接、氣浮連接或磁浮連接，但不局限于此。作為非限制性的例子，第一粗動(dòng)單元1(第二粗動(dòng)單元2同理)可以為包括伺服電機(jī)及滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，也可以為包括直線電機(jī)及氣浮導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。微動(dòng)單元3用于承載激光束成型單元4，并完成短行程高精度定位，微動(dòng)單元3可以是高精度磁浮電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，也可以是高精度音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，功能是完成短行程的精確定位，但微動(dòng)單元3運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不局限于上述兩種。

進(jìn)一步地，所述工作臺(tái)5固定在所述機(jī)架8上，所述第一測(cè)量單元71固定在機(jī)架上，所述第二測(cè)量單元72固定在第一粗動(dòng)單元1上。

所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)7和微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以有多種選擇。例如，所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)7為光柵尺測(cè)量系統(tǒng)或激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為霍爾傳感器測(cè)量系統(tǒng)或電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)，但不限于此。優(yōu)選地，微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 的測(cè)量精度比粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)7的測(cè)量精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

進(jìn)一步地，所述3d打印裝置還包括測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10，設(shè)置在所述工作臺(tái)5上，用于檢測(cè)激光束成型單元4發(fā)出的激光相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10的位置偏差檢測(cè)，并將檢測(cè)的偏差值傳送給所述控制系統(tǒng)。通過測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10對(duì)激光束成型單元4發(fā)出的激光束進(jìn)行在線對(duì)準(zhǔn)，完成激光束成型單元4與工作臺(tái)5的位置標(biāo)定。測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10可以是psd測(cè)量系統(tǒng)，也可以是四象限傳感器測(cè)量系統(tǒng)，功能是完成激光束的在線對(duì)準(zhǔn)，但不限于上述兩種。

進(jìn)一步地，所述物料鋪設(shè)單元包括供料單元6和物料傳送單元(未圖示)，所述控制系統(tǒng)與物料傳送單元連接。工作臺(tái)5與供料單元6配合動(dòng)作完成打印原料的供給，借助物料傳送單元實(shí)現(xiàn)打印原料從供料單元6到工作臺(tái)5的傳送。

本發(fā)明還提供了一種打印方法，包括：

鋪料步驟：通過所述物料鋪設(shè)單元將原材料傳送至工作臺(tái)5上；

粗動(dòng)步驟：通過所述控制系統(tǒng)控制粗動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)5或激光束成型單元4運(yùn)動(dòng)，并獲取所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)7測(cè)量到的粗動(dòng)單元相對(duì)于激光束成型單元4的位移，且使得所述激光束成型單元4相對(duì)工作臺(tái)5按設(shè)定的第一軌跡移動(dòng)；

微動(dòng)步驟：通過所述控制系統(tǒng)控制微動(dòng)單元3驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)5或激光束成型單元4運(yùn)動(dòng)，并獲取所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量到的微動(dòng)單元3相對(duì)于激光束成型單元4的位移，且使得所述激光束成型單元4相對(duì)工作臺(tái)5按設(shè)定的第二軌跡移動(dòng)；

打印步驟：通過所述激光束成型單元4將工作臺(tái)5上的原材料燒結(jié)成型。

在本實(shí)施例中，工作臺(tái)上設(shè)置有測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10，粗動(dòng)步驟具體包括：

通過所述控制系統(tǒng)控制粗動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)5或激光束成型單元4運(yùn)動(dòng)，并獲取所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量到的微動(dòng)單元3相對(duì)于激光束成型單元4的位移，且使得所述激光束成型單元4移動(dòng)至其發(fā)出的激光能夠覆蓋在工作臺(tái)上的測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10上的位置處，并在該位置處通過所述控制系統(tǒng)獲取激光束成型單元 4相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10的位置偏差，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)所述激光束成型單元4使其相對(duì)工作臺(tái)5按設(shè)定的第一軌跡移動(dòng)。

也就是，在本實(shí)施例中，通過粗動(dòng)單元控制激光束成型單元4先進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，以使得其發(fā)射的激光束能覆蓋在測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10上。通過測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10獲得激光束至測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10參考點(diǎn)的位置偏差，該偏差為rf_step，參考點(diǎn)可以選取為測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10的中心，但不限于此。優(yōu)選地，在初始對(duì)準(zhǔn)的過程，還可以進(jìn)一步通過微動(dòng)單元3調(diào)整使得所述位置偏差為零。

在完成初始對(duì)準(zhǔn)的過程后，再繼續(xù)驅(qū)動(dòng)所述激光束成型單元4使其相對(duì)工作臺(tái)5按設(shè)定的第一軌跡移動(dòng)。這里的第一軌跡包括初始對(duì)準(zhǔn)過程中的一部分運(yùn)動(dòng)軌跡和從對(duì)準(zhǔn)位置出發(fā)進(jìn)行打印的后續(xù)軌跡。對(duì)于第二軌跡，如果初始對(duì)準(zhǔn)過程中沒有進(jìn)行微動(dòng)調(diào)整，則在對(duì)準(zhǔn)之后的打印過程中按該第二軌跡進(jìn)行微動(dòng)操作；如果初始對(duì)準(zhǔn)過程中具有微動(dòng)調(diào)整，則第二軌跡同理包括初始對(duì)準(zhǔn)過程中的一部分運(yùn)動(dòng)軌跡和后續(xù)打印過程需要的軌跡。

在本實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)包括用于進(jìn)行粗動(dòng)控制的粗動(dòng)控制單元、用于進(jìn)行微動(dòng)控制的微動(dòng)控制單元和用于進(jìn)行粗微動(dòng)分配的控制分配單元。

請(qǐng)參考圖4，所述粗微動(dòng)控制分配單元用于根據(jù)待打印工件的連續(xù)打印區(qū)域和非連續(xù)打印區(qū)域進(jìn)行分配，使得在連續(xù)打印區(qū)域采用所述微動(dòng)控制單元控制微動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)，在非連續(xù)打印區(qū)域采用所述粗動(dòng)控制單元控制粗動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)，所述粗微動(dòng)控制分配單元還用于根據(jù)待打印工件的關(guān)鍵打印區(qū)域和非關(guān)鍵打印區(qū)域進(jìn)行分配，使得在關(guān)鍵打印區(qū)域采用所述微動(dòng)控制單元控制微動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)，在非關(guān)鍵打印區(qū)域采用所述粗動(dòng)控制單元控制粗動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)。

所述粗動(dòng)控制單元根據(jù)待打印工件形貌計(jì)算下一個(gè)增材區(qū)域的起始位置pnext1并定位至燒結(jié)光斑邊緣的設(shè)備空間位置pl1，并跟蹤檢測(cè)當(dāng)前增材燒結(jié)區(qū)域沿增材微動(dòng)軌跡至非連續(xù)或非關(guān)鍵增材區(qū)域的距離l，當(dāng)距離l為零時(shí)，向粗動(dòng)單元發(fā)出將工件下一增材區(qū)域的起始位置pnext2定位至燒結(jié)光斑邊緣位置pl2的信號(hào)。

所述微動(dòng)控制單元用于跟蹤檢測(cè)當(dāng)前燒結(jié)光斑已遍歷工件增材區(qū)域的位置ps1，且根據(jù)當(dāng)前燒結(jié)光斑已遍歷工件增材區(qū)域的位置以及工件需連續(xù)增材區(qū)域的面型，計(jì)算將工件下一個(gè)連續(xù)增材區(qū)域移入燒結(jié)光斑需要工件進(jìn)行微動(dòng)定位的位置ps2，當(dāng)位移大于零時(shí)，向微動(dòng)單元發(fā)出定位至該位置ps2的信號(hào)，否則可連續(xù)增材區(qū)域已被燒結(jié)光斑遍歷，需要粗定位至下一個(gè)增材區(qū)域。

供料單元6及工作臺(tái)5配合完成打印原料在工作臺(tái)5表面的鋪層動(dòng)作，控制系統(tǒng)將激光成型單元的光束打到測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10上，第一粗動(dòng)單元1承載第二粗動(dòng)單元2、微動(dòng)單元3及激光束成型單元4快速移動(dòng)y向距離dy1,第二粗動(dòng)單元2用于承載微動(dòng)單元3及激光束成型單元4快速移動(dòng)x向距離dx1。微動(dòng)單元3用于承載激光束成型單元4進(jìn)行微小移動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)精度調(diào)節(jié)并分別產(chǎn)生xy向位移dx2、dy2，激光束成型單元4發(fā)出激光束至測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10，測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)10測(cè)得光束在xy向偏移距離分別為△x1、△y1，控制系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)微動(dòng)單元3完成位移補(bǔ)償至設(shè)定精度，完成激光光束與工作臺(tái)5的精確定位，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)粗動(dòng)單元和微動(dòng)單元協(xié)調(diào)完成后續(xù)打印成型功能。激光光束與工作臺(tái)5的精確定位在水平向保證掃描間隔l小于光斑直徑d，同時(shí)光斑的垂向離焦量應(yīng)保證光斑重復(fù)區(qū)域高度h大于成型粉末層的厚度h，以保證燒結(jié)區(qū)域熔池內(nèi)粉末全部能發(fā)生燒結(jié)。

依照上述步驟完成一層粉末打印成型后，重復(fù)上述動(dòng)作，完成下一層的精確打印，至產(chǎn)品完成。

請(qǐng)參考圖5，本發(fā)明還提供了一種運(yùn)動(dòng)控制方法，包括：

所述工作臺(tái)上設(shè)置有測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)，用于檢測(cè)激光束成型單元發(fā)出的激光相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)的位置偏差檢測(cè)，并將檢測(cè)的偏差值傳送給所述控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括粗動(dòng)控制系統(tǒng)和微動(dòng)控制系統(tǒng)，將粗動(dòng)單元的位置設(shè)定值long_pos_step及其加速度設(shè)定值long_acc_step輸入粗動(dòng)控制系統(tǒng)，第一控制器將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成粗動(dòng)單元的輸出力long_f，并驅(qū)動(dòng)第一執(zhí)行器，將位置設(shè)定值long_pos_step與粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)獲得定位誤差 long_rf_pos_error，所述定位誤差通過所述第一控制器控制第一執(zhí)行器作動(dòng)，將微動(dòng)單元的位置設(shè)定值short_pos_step、微動(dòng)單元的加速度設(shè)定值short_acc_step、所述定位誤差long_rf_pos_error以及測(cè)量基準(zhǔn)系統(tǒng)的偏差設(shè)定值rf_step輸入微動(dòng)控制系統(tǒng)，第二控制器將微動(dòng)單元的加速度設(shè)定值轉(zhuǎn)換成微動(dòng)單元的輸出力short_f，并驅(qū)動(dòng)第二執(zhí)行器，將微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果反饋至微動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入端，進(jìn)行比對(duì)且將比對(duì)結(jié)果輸入第二控制器中，所述第二控制器基于該比對(duì)結(jié)果控制第二執(zhí)行器作動(dòng)。

實(shí)施例二

本實(shí)施例提供了另一種不同于實(shí)施例一中3d打印裝置的結(jié)構(gòu)。

與實(shí)施例一不同，請(qǐng)參考圖2，本實(shí)施例中的3d打印裝置還包括支座單元9，所述支座單元9通過所述粗動(dòng)單元(未在圖2中示意出)與工作臺(tái)5連接，并能夠驅(qū)動(dòng)所述工作臺(tái)5在空間直角坐標(biāo)系的兩個(gè)不同坐標(biāo)軸方向上運(yùn)動(dòng)，所述激光束成型單元4的軸向分別垂直于所述兩個(gè)坐標(biāo)軸方向，兩個(gè)坐標(biāo)軸分別為第一坐標(biāo)軸y和第二坐標(biāo)軸x，所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量粗動(dòng)單元在第一坐標(biāo)軸y方向上位移的第一測(cè)量單元71和用于測(cè)量粗動(dòng)單元在第二坐標(biāo)軸x方向上位移的第二測(cè)量單元72。

進(jìn)一步地，3d打印裝置還包括機(jī)架8，所述微動(dòng)單元3與機(jī)架8連接，并能夠在所述機(jī)架8上沿第一坐標(biāo)軸y和第二坐標(biāo)軸x的方向移動(dòng)，所述工作臺(tái)5固定在機(jī)架8上，所述第一測(cè)量單元71和第二測(cè)量單元72分別固定在所述支座單元9上。

第一測(cè)量單元71和第二測(cè)量單元72的種類可以為一個(gè)或多個(gè)。優(yōu)選地，所述第一測(cè)量單元71或第二測(cè)量單元72的種類為多個(gè)。在本實(shí)施例中，第二測(cè)量單元72的種類為多個(gè)，以其種類為兩個(gè)為例，第二測(cè)量單元72用于測(cè)量工作臺(tái)5相對(duì)于支座單元9的x向位移x1、x2，并可計(jì)算出工作臺(tái)的rz轉(zhuǎn)角。

對(duì)于本實(shí)施例中其他技術(shù)方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員參考實(shí)施例一可以直接毫無(wú)疑義獲得，故在此不再贅述。

實(shí)施例三

本實(shí)施例提供了另一種不同于實(shí)施例一中3d打印裝置的結(jié)構(gòu)。

與實(shí)施例一不同，

請(qǐng)參考圖3，本實(shí)施例中是3d打印裝置還包括支座單元9，所述粗動(dòng)單元(未在圖3中示意)用于承載所述支座單元9，并能夠驅(qū)動(dòng)所述支座單元9在空間直角坐標(biāo)系的兩個(gè)不同坐標(biāo)軸方向上運(yùn)動(dòng)，所述激光束成型單元4的軸向分別垂直于所述兩個(gè)坐標(biāo)軸方向，兩個(gè)坐標(biāo)軸分別為第一坐標(biāo)軸y和第二坐標(biāo)軸x，所述支座單元9通過所述微動(dòng)單元(未在圖3中示意)與工作臺(tái)5連接，通過所述微動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)所述工作臺(tái)5在第一坐標(biāo)軸y或第二坐標(biāo)軸x方向上運(yùn)動(dòng)，所述粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)7包括用于測(cè)量粗動(dòng)單元在第一坐標(biāo)軸y方向上位移的第一測(cè)量單元71和用于測(cè)量粗動(dòng)單元在第二坐標(biāo)軸x方向上位移的第二測(cè)量單元72，所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)固定在所述支座單元9上，用于測(cè)量所述微動(dòng)單元在第一坐標(biāo)軸y和第二坐標(biāo)軸x的方向上的位移。

所述微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括用于測(cè)量微動(dòng)單元在第一坐標(biāo)軸y方向上位移的第三測(cè)量單元11和用于測(cè)量微動(dòng)單元在第二坐標(biāo)軸x方向上位移的第四測(cè)量單元12。

同理，所述第一測(cè)量單元71、第二測(cè)量單元72、所述第三測(cè)量單元11或第四測(cè)量單元12的種類可以為一個(gè)或多個(gè)。優(yōu)選地，所述第一測(cè)量單元71或第二測(cè)量單元72的種類為多個(gè)，所述第三測(cè)量單元11或第四測(cè)量單元12的種類為多個(gè)。也就是，通過粗動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能獲得支座單元9的rz轉(zhuǎn)角，通過微動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能獲得工作臺(tái)5的rz轉(zhuǎn)角。

進(jìn)一步地，3d打印裝置還包括機(jī)架8，所述激光束成型單元4固定在機(jī)架8上。

對(duì)于本實(shí)施例中其他技術(shù)方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員參考實(shí)施例一可以直接毫無(wú)疑義獲得，故在此不再贅述。

本發(fā)明提供了一種3d打印裝置、打印方法及其運(yùn)動(dòng)控制方法，該打印裝置 中引用了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的粗動(dòng)、微動(dòng)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以根據(jù)打印層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在不需要成型的結(jié)構(gòu)處以粗動(dòng)單元快速運(yùn)動(dòng)，再以微動(dòng)單元進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)速度與精度的雙贏；提出在線對(duì)準(zhǔn)方案，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)臺(tái)間的在線檢測(cè)與對(duì)準(zhǔn)，保證工件的精確定位。

上述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不對(duì)本發(fā)明起到任何限制作用。任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明揭露的技術(shù)方案和技術(shù)內(nèi)容做任何形式的等同替換或修改等變動(dòng)，均屬未脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的內(nèi)容，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。