李同洲 姜汝意 周洋 陳星一

摘 要：針對(duì)目前3D打印技術(shù)由三軸向五軸發(fā)展的新趨勢(shì)，本文就五軸3D打印機(jī)的實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行了研究，依據(jù)A軸和B軸的位置關(guān)系，提出了雙擺式、旋擺式兩種五軸3D打印機(jī)模型。同時(shí)，針對(duì)這兩種模型，從運(yùn)動(dòng)、精度、適用范圍三個(gè)角度進(jìn)行比較分析，綜合各個(gè)因素明確了兩種方案的適用情景，為五軸3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供更加清晰的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：機(jī)構(gòu)比較分析;五軸聯(lián)動(dòng);3D打印機(jī)

Abstract： Aiming at the new trend of the development of 3D printing technology from three axis to five axis， this paper studied the realization form of the five axis 3D printer， and proposed two five-axis 3D printer models of double pendulum and rotary pendulum according to the positional relationship between A-axis and B-axis. At the same time， for these two models， comparative analysis was carried out from the three perspectives of motion， accuracy， and scope of application， and the application scenarios of the two schemes are clarified by integrating various factors， which provides a clearer development direction for the realization of five-axis 3D printing technology.

Keywords： mechanism comparative analysis;five axis linkage;3D printer

當(dāng)前，市場(chǎng)上的3D打印機(jī)多采用三軸打印技術(shù)。顧名思義，其通過三個(gè)軸的配合在空間中實(shí)現(xiàn)三維模型的構(gòu)建。三軸打印機(jī)雖然具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但是在生產(chǎn)中還存在一些短板，如存在大量支撐、打印效率低、材料利用率低等，從而限制了3D打印技術(shù)的發(fā)展。五軸打印機(jī)即在原有的三軸基礎(chǔ)上增加了A軸和B軸，使得打印過程中，待打印工件可沿某一方向擺動(dòng)和繞打印平臺(tái)中心旋轉(zhuǎn)，以此來改變打印面的位向。2014年，英國(guó)一家3D打印設(shè)備制造商推出一款名為5AxisMaker的五軸加工平臺(tái)。2015年2月，德國(guó)一家制造企業(yè)把3D打印機(jī)與五軸數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，將五軸與3D打印設(shè)備相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念再度加強(qiáng)。2016年5月，日本造出該國(guó)首臺(tái)5軸混合制造3D打印機(jī)，此后，日本工業(yè)巨頭三菱也宣布著手研發(fā)五軸3D打印技術(shù)。

本文針對(duì)五軸打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了兩種方案，依據(jù)旋轉(zhuǎn)軸與翻轉(zhuǎn)軸[1]的位置關(guān)系，將五軸3D打印機(jī)分為雙擺式和旋擺式。同時(shí)，針對(duì)這兩種方案，分別從運(yùn)動(dòng)、精度及適用范圍三個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

五軸3D打印機(jī)就是在常見的三軸3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上增加A軸和B軸，從而改變待打印件與噴頭的角度。A軸和B軸的相對(duì)位置以及運(yùn)動(dòng)方式影響著打印機(jī)的穩(wěn)定性和精度，以至于兩種方案的適用范圍不盡相同。

1.1 雙擺式五軸3D打印機(jī)

如圖1所示，雙擺式五軸3D打印機(jī)主要由X軸、Y軸、Z軸、A軸和B軸組成，其中，A軸和B軸都是擺動(dòng)軸。通過新增的兩個(gè)擺動(dòng)軸能夠較好地改變噴頭和打印面的角度，提高打印質(zhì)量。

X軸、Y軸主要由步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)軸、導(dǎo)軌組成，在其作用下打印平臺(tái)可沿X軸或Y軸方向做水平運(yùn)動(dòng)。Z軸由傳動(dòng)軸和步進(jìn)電機(jī)組成，與噴頭相連，帶動(dòng)噴頭在Z軸方向豎直運(yùn)動(dòng)。A軸主要由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)和噴頭組成，噴頭通過連接塊與蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)連接，連接塊與蝸輪嚙合，在蝸輪的作用下，帶動(dòng)噴頭在X軸兩側(cè)擺動(dòng)。B軸由步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿和擺動(dòng)臺(tái)組成。擺動(dòng)臺(tái)與蝸輪固定連接，在蝸輪帶動(dòng)下與Y軸、X軸和打印平臺(tái)在Y軸傳動(dòng)軸兩側(cè)同步擺動(dòng)。

1.2 旋擺式五軸3D打印機(jī)

如圖2所示，旋擺式五軸打印機(jī)同樣由X軸、Y軸、Z軸、A軸和B軸組成，與雙擺式五軸3D打印機(jī)不同的是，A軸為擺動(dòng)軸，B軸為旋轉(zhuǎn)軸。

X軸、Y軸和Z軸主要由步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)軸組成。Z軸帶動(dòng)X軸在垂直方向運(yùn)動(dòng)，X軸帶動(dòng)噴頭在X軸方向運(yùn)動(dòng)，Y軸帶動(dòng)A軸和B軸在Y軸方向移動(dòng)。A軸（擺動(dòng)軸）由步進(jìn)電機(jī)、行星齒輪、擺動(dòng)平臺(tái)和雙側(cè)人字架組成，置于Y軸之上。雙側(cè)人字架在頂端內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)，擺動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)焊接行星齒輪組（見圖3）的齒圈，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒圈在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的共同作用下帶動(dòng)擺動(dòng)平臺(tái)繞X軸兩側(cè)擺動(dòng)。B軸（旋轉(zhuǎn)軸）由旋轉(zhuǎn)臺(tái)與步進(jìn)電機(jī)組成，置于A軸之上。旋轉(zhuǎn)臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞其中心軸旋轉(zhuǎn)。

2 兩種方案分析

2.1 運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)于雙擺式五軸打印機(jī)來說，由于A軸和B軸分離，A軸位于Z軸上，B軸在X、Y軸下面，重量分配在不同部分，使得A、B軸啟停時(shí)慣性小、穩(wěn)定性較高、響應(yīng)速度快。同時(shí)，雙擺式結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)翻轉(zhuǎn)軸的方式，較旋擺結(jié)構(gòu)，可以在兩個(gè)方向上擺動(dòng)，能夠更好更穩(wěn)定地調(diào)整噴頭與打印平面的角度，對(duì)打印質(zhì)量有較大的提升。

旋擺式五軸打印機(jī)B軸（旋轉(zhuǎn)軸）位于A軸（擺動(dòng)軸）上，B軸重量分布在A軸上，使得A軸啟停慣性大，穩(wěn)定性較差，但在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)翻轉(zhuǎn)平臺(tái)的配合下，待打印工件的方向切換快，打印效率較高。

2.2 精度分析

雙擺式五軸打印機(jī)將A軸與噴頭結(jié)合，齒輪及噴頭架增加噴頭的重量。在大角度擺動(dòng)時(shí)，噴頭重心會(huì)發(fā)生改變，電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)力增大，發(fā)生悶車概率高、噴頭轉(zhuǎn)動(dòng)精度下降。B軸整體結(jié)構(gòu)較輕，質(zhì)量分布均勻，即使發(fā)生大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)精度的影響也很小。

旋擺式五軸打印機(jī)噴頭始終保持垂直狀態(tài)，無(wú)須完成擺動(dòng)動(dòng)作，噴頭精度高。但是B軸和A軸一體，整體結(jié)構(gòu)較大，重量較重，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的要求較高，同時(shí)，較大重量的A軸和B軸會(huì)引起齒輪組加速磨損，從而影響打印精度。

2.3 適用范圍分析

雙擺式五軸3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各個(gè)模塊之間連接緊湊，使得打印空間的利用率較高。但是，X軸、Y軸都采用導(dǎo)軌承重，這就限制了待打印工件的重量，為保證打印精度，其目前僅適合打印輕型制件。其噴頭比較靈活，有利于不規(guī)則部件細(xì)微處打印，適合結(jié)構(gòu)精密的打印件。因此，雙擺式五軸打印機(jī)在打印結(jié)構(gòu)精細(xì)的輕型打印件方面更有優(yōu)勢(shì)，它是桌面級(jí)[2]五軸打印機(jī)的代表形式。

旋擺式五軸打印機(jī)的A軸、B軸部分所占空間較大，導(dǎo)致打印空間減小，其中對(duì)Z軸方向的影響較大，限制了待打印工件的寬高比。但A軸、B軸由Y軸的雙傳動(dòng)軸帶動(dòng)，人字架下可增加承重導(dǎo)軌或滾輪，承重能力較高，適合于重型打印件，由于噴頭靈活差，所以在細(xì)微結(jié)構(gòu)處力有未逮，旋擺式五軸打印機(jī)在寬高比較大且細(xì)微結(jié)構(gòu)少的大型打印件方面更有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文對(duì)五軸3D打印機(jī)的實(shí)現(xiàn)模型進(jìn)行了研究，依據(jù)A軸與B軸的位置關(guān)系進(jìn)行了分類，從運(yùn)動(dòng)、精度和適用范圍三個(gè)方面進(jìn)行了分析。雙擺式五軸打印機(jī)適合打印結(jié)構(gòu)精細(xì)的輕型打印件，而旋擺式五軸打印機(jī)更適合打印寬高比較大且細(xì)微結(jié)構(gòu)少的大型打印件。

參考文獻(xiàn)：

[1]成果，榮佳誠(chéng).一種五軸3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J].福建電腦，2018（2）：142-143.

[2]黃翔，湯鼎，武澤孟，等.桌面級(jí)五軸+3D打印一體機(jī)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2019（10）：114-115.