并聯(lián)機械手式三維打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書并聯(lián)機械手式三維打印機結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué) 院 機電工程學(xué)院專業(yè)班級 機械工程及自動化五班學(xué)生姓名 XXXXXXX 學(xué)生學(xué)號 XXXXXXXXXXXXXXX 指導(dǎo)教師 XXXXXXXXXXXXXXXXX 提交日期 2013 年 5 月 28 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）評語： 畢業(yè)設(shè)計（論文）總評成績： 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯小組負責(zé)人簽字： 年 月 日摘 要三維打印技術(shù)是集機械、自動控制、計算機科學(xué)、材料學(xué)等為一體的先進制造技術(shù)。本文首先介紹了三維打印技術(shù)的基本原理和特點，以及三維打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)。接著闡述并聯(lián)機器人的機構(gòu)原理和特點，還有它的發(fā)展國內(nèi)外發(fā)展情況。然后通過選題

2、背景及設(shè)計目的引出如今三維打印機存在的問題，比如成型精度和速度等。本文是對并聯(lián)機械手式三維打印的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。著重于機械手的機構(gòu)的設(shè)計，簡單性地說明打印機的整體設(shè)計。在機械手的機構(gòu)設(shè)計部分，需要建立運動學(xué)模型。對于機器人的控制系統(tǒng)來說，運動學(xué)正解和運動學(xué)反解都是不可避免的。還有一個重要點是并聯(lián)機器人的尺度綜合。尺度綜合是并聯(lián)機械手設(shè)計的重要內(nèi)容，速度、精度、剛度、工作空間是評價并聯(lián)機械手系統(tǒng)性能的重要指標。 機械手的機構(gòu)設(shè)計完成后，因為是基于并聯(lián)機械手的三維打印機，還需要討論三維打印機的整體設(shè)計，這也是為了能將并聯(lián)機械手和三維打印機很好地結(jié)合為一體。對于部分結(jié)構(gòu)，本文會予以重點討論。關(guān)鍵詞：三

3、維打印技術(shù)，并聯(lián)機械手，運動學(xué)模型，尺度綜合 AbstractThree-dimensional printing technology is one of the advanced manufacturing technology of machinery, automatic control, computer science, material science etc. This paper first introduces the basic principle and characteristics of 3D printing technology, as well as 3D p

4、rinting technology development status and key technology. Then it elaborates the mechanism principle and the characteristic of the parallel robot, and the development of its domestic and foreign development. And then through the background and the design objective leads now 3D printer problems, such

5、 as molding speed and precision.This paper is the overall structure design of parallel manipulator type of three-dimensional printing. The design focuses on the manipulator mechanism, the simple description of the overall design of the printer.In the design of manipulator mechanism part, needs to es

6、tablish the kinematics model. For the control system of robot, kinematics and inverse kinematics is inevitable. Another important point is the synthesis of parallel robot. Synthesis is an important content of design parallel machine, speed, precision, rigidity, the working space is an important inde

7、x for evaluating the performance of parallel manipulator system.The mechanism of robot design, because it is a 3D printer parallel manipulator based on, also need to discuss the overall design of 3D printers, this is to be the good combination of parallel manipulator and a 3D printer as a whole. For

8、 part of the structure, this paper will be focused on.Keywords: 3D printing technology, parallel manipulator, kinematics model, dimension synthesisKey words: Multivariable system, Predictive control, Environmental test device目 錄摘 要IAbstractII目 錄III第一章 緒論11.1三維打印機概述1橋梁檢修的概述1應(yīng)用前景1存在的問題21.2并聯(lián)機械手綜述4并聯(lián)機構(gòu)

9、的特點4并聯(lián)機構(gòu)的分類5并聯(lián)機器人的應(yīng)用9發(fā)展展望111.3選題背景及設(shè)計目的111.4選題背景及設(shè)計目的12第二章 機械手的設(shè)計132.1 設(shè)計前分析132.2 Delta機器人結(jié)構(gòu)分析132.3動平臺位置反解15坐標系建立15位置反解分析162.4動平臺位置正解182.5機械手的工作空間182.6機械手的驅(qū)動部分20電機選型20扭力校驗202.7機械手材料選擇21主動臂材料選擇22動平臺材料選擇23靜平臺材料選擇24其他部分確定252.8本章小結(jié)27第三章 三維打印機其他部分的設(shè)計283.1 支架的設(shè)計283.2送料機構(gòu)293.3熱平臺固定303.4料架設(shè)計313.5噴頭清理設(shè)計323.6

10、防護板設(shè)計323.7本章小結(jié)34結(jié) 論35參考文獻36附 錄37致 謝40第一章 緒論1.1三維打印機（Three Dimension Printers），又稱3DP。是一位名為恩里科·迪尼（Enrico Dini）的發(fā)明家設(shè)計的一種神奇的打印機，它甚至可以“打印”出一幢完整的建筑1.1.1橋梁檢修的概述三維打印機在過去通常又被稱為“快速成型機”，它是添加制造技術(shù)的一種形式。工作原理類似打印機的打印頭，不同點在于除了噴頭在做X-Y平面運動外，工作臺還沿著Z軸方向進行垂直運動；并且噴頭噴出的材料不是油墨或打印機用的粉末，而是一種特殊的粘結(jié)劑或者熔融狀態(tài)下的塑料、金屬。1它通過對電腦中三

11、維軟件的識別，進行STL格式（也是三角網(wǎng)格格式）轉(zhuǎn)換，再結(jié)合切層軟件確定擺放方位和切層路徑，并進行切層工作和相關(guān)支撐材料的構(gòu)造。最后使用噴頭將固態(tài)的線型成型材料加熱成半熔融狀態(tài)之后擠出來（采用粘結(jié)劑的就直接擠出），和支撐材料自下而上，一次一層的構(gòu)鑄成最終實體。簡單點說，可以理解為軟件把物體分成若干個橫截面，而三維打印機將這些橫截面一次一層的沉淀、堆積。整個過程就像是普通的二維打印機再加個Z軸，一層疊一層地打印，最終形成我們所需的實體。 從它整個成像的過程來看，我們知道三維打印機至少要由軟件控制系統(tǒng)、成型材料、支撐材料、成型材料匣、支撐材料匣、噴頭、加熱模組、成型空間等幾大部份構(gòu)成。其中成型材料

12、和支撐材料就相當(dāng)于我們普通打印機的耗材，也有的機型不需要支撐材料，大大降低了用戶的后期使用成本，如美國Z Corperation公司的Z系列機型。1.1.2應(yīng)用前景 3D打印已經(jīng)成為一種潮流，三維打印機除了能夠在制造業(yè)中生成各種模型外，由于它的占地空間和環(huán)保理念都逐步適應(yīng)了現(xiàn)代商務(wù)區(qū)的要求，也開始應(yīng)用于教育、建筑、設(shè)計等多個行業(yè)，尤其是工業(yè)設(shè)計，數(shù)碼產(chǎn)品開模等，可以在數(shù)小時內(nèi)完成一個模具的打印，節(jié)約了很多產(chǎn)品到市場的開發(fā)時間。3D 打印機可以使用各種原料打印三維模型。使用三維鋪助設(shè)計軟件，工程師設(shè)計出一個模型或原型之后，無論設(shè)計的是一所房子還是人工心臟瓣膜，之后通過相關(guān)公司生產(chǎn)的3D打印機進行

13、打印，打印的原料可以是有機或者無機的的材料，例如橡膠、塑料、甚至是人體器官，不同的打印機廠商所提供的打印材質(zhì)不同。美國Stratasys公司的桌面型ABS三維打印機就是專門針對辦公室環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的，無噪音，無有害氣體。在各個設(shè)計領(lǐng)域，使用三維打印機能夠輕松將電腦中的效果模型轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨?，更直觀的表達出設(shè)計師的設(shè)計理念，便于交流和演示，同時切身體會該設(shè)計模型的手感，這是僅僅依靠計算機中CAD三維圖像展示所不能做到的。此外，我們可以將龐大的模型，分解成各個小型“零件”，成型之后再拼湊粘合，如房地產(chǎn)中的小區(qū)沙盤?，F(xiàn)在比較出名的是Zcorp（Zprinter）系列三維打印機。就拿Zcorp 510來說

14、，該設(shè)備是由美國Z corporation公司研制的，屬于快速成型設(shè)備，與市場上的同類產(chǎn)品相比，該設(shè)備的手板成型設(shè)計比其他設(shè)備快幾十到百倍，手板可以一次成型，包括顏色，使用耗材便宜，整個過程全自動化進行；超靜，無毒氣，無氣味，是非常適合圖1-1 Zcorp 510三維打印機在辦公室環(huán)境中使用的快速成型機；操作簡單，無需人員配備；任意復(fù)雜外形及內(nèi)腔均無限制；打印的軸承可以轉(zhuǎn)動，打印的杯子可以直接盛水。并且打印后的產(chǎn)品可以再加工。這個技術(shù)是源于打印機的原理而產(chǎn)生的。由噴頭噴出膠水在粉末上面固化而成的，一層層的加高，從而形成立體的。3D Printer 立體打印機適用電器、玩具、電子產(chǎn)品、模具、鞋業(yè)

15、、教育、醫(yī)療、汽車、建筑、包裝等行業(yè)進行產(chǎn)品開發(fā)，設(shè)計一驗證，經(jīng)后處理工藝的手板可直接用以市場反饋，開辦展覽等。Z CastTM 直鑄手板技術(shù)，是本機的高級功能，14 小時制成金屬手板。直鑄法：在本機打印機上直接打印模腔、模蕊， 然后用夾具夾緊，直接澆鑄成型；另有翻砂模法、燃燒法。1.1.3存在的問題雖然三維打印很方便，也很節(jié)約材料。如果要將三維打印機像電腦一樣應(yīng)用到我們普通消費都的生活中，還存在一些具體的問題：圖1-2 圖1-3 1.2并聯(lián)機構(gòu)的特點并聯(lián)機構(gòu)（是一種閉環(huán)機構(gòu),其動平臺或稱末端執(zhí)行器通過至少2個獨立的運動鏈與機架相聯(lián)接。最早出現(xiàn)在1965 年，德國Stewart

16、60;發(fā)明了六自由度并聯(lián)機構(gòu)，并作為飛行模擬器用于訓(xùn)練飛行員。1978年澳大利亞著名機構(gòu)學(xué)教授Hunt提出將并聯(lián)機構(gòu)用于機器人手臂。并聯(lián)機構(gòu)的必備的要素如下:末端執(zhí)行器必須具有運動自由度;這種末端執(zhí)行器通過幾個相互關(guān)聯(lián)的運動鏈或分支與機架相聯(lián)接;每個分支或運動鏈由惟一的移動副或轉(zhuǎn)動副驅(qū)動。與傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)相比，并聯(lián)機構(gòu)的零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、伸縮桿件、滑塊構(gòu)件、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成。這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，因而其制造和庫存?zhèn)浼杀颈认嗤δ艿膫鹘y(tǒng)機構(gòu)低得多，容易組裝和模塊化。除了在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點，并聯(lián)機構(gòu)在實際應(yīng)用中更是有串聯(lián)機構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢。

17、其主要優(yōu)點如下：（1）剛度質(zhì)量比大。因采用并聯(lián)閉環(huán)桿系,桿系理論上只承受拉、壓載荷,是典型的二力桿,并且多桿受力，使得傳動機構(gòu)具有很高的承載強度。（2）動態(tài)性能優(yōu)越。運動部件質(zhì)量輕，慣性低,可有效改善伺服控制器的動態(tài)性能,使動平臺獲得很高的進給速度與加速度,適于高速數(shù)控作業(yè)。（3）運動精度高。這是與傳統(tǒng)串聯(lián)機構(gòu)相比而言的,傳統(tǒng)串聯(lián)機構(gòu)的加工誤差是各個關(guān)節(jié)的誤差積累,而并聯(lián)機構(gòu)各個關(guān)節(jié)的誤差可以相互抵消、相互彌補，因此，并聯(lián)機構(gòu)是未來機床的發(fā)展方向。（4）多功能靈活性強?？蓸?gòu)成形式多樣的布局和自由度組合,在動平臺上安裝刀具進行多坐標銑、磨、鉆、特種曲面加工等，也可安裝夾具進行復(fù)雜的空間裝配，適應(yīng)

18、性強，是柔性化的理想機構(gòu)。（5）使用壽命長。由于受力結(jié)構(gòu)合理，運動部件磨損小，且沒有導(dǎo)軌，不存在鐵屑或冷卻液進入導(dǎo)軌內(nèi)部而導(dǎo)致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。（6）在位置求解上，串聯(lián)機構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機構(gòu)正解困難反解卻非常容易。由于機器人在線實時計算是要計算反解的，這對串聯(lián)式十分不利，而并聯(lián)式容易實現(xiàn)。并聯(lián)機構(gòu)作為一種新型機構(gòu)，也有其自身的不足，由于結(jié)構(gòu)的原因，它的運動空間較小，而串并聯(lián)機構(gòu)則彌補了并聯(lián)機構(gòu)的不足，它既有質(zhì)量輕，剛度大，精度高的特點，又增大了機構(gòu)的工作空間，因此具有很好的應(yīng)用前景，尤其是少自由度串并聯(lián)機構(gòu)，適應(yīng)能力強，且易于控制，是當(dāng)前應(yīng)用研究中的一個新熱點。1.2.

19、2并聯(lián)機構(gòu)的分類從運動形式來看，并聯(lián)機構(gòu)可分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)；細分可分為平面移動機構(gòu)、平面移動轉(zhuǎn)動機構(gòu)、空間純移動機構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動機構(gòu)和空間混合運動機構(gòu),另可按并聯(lián)機構(gòu)的自由度數(shù)分類2：   （1）2自由度并聯(lián)機構(gòu)。2自由度并聯(lián)機構(gòu)，如5-R、3-R-2-P（R表示轉(zhuǎn)動副，P表示移動副）平面5桿機構(gòu)是最典型的2自由度并聯(lián)機構(gòu)，這類機構(gòu)一般具有2個移動運動。圖1-4 2自由度的球面5R并聯(lián)機構(gòu)圖1-5 平面2自由度的Diamond機器人（2）3 自由度并聯(lián)機構(gòu)。3 自由度并聯(lián)機構(gòu)各類較多，形式較復(fù)雜，一般有以下形式：平面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR&

20、#160;機構(gòu)、3-RPR 機構(gòu)，它們具有2個移動和一個轉(zhuǎn)動；球面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR 球面機構(gòu)、3-UPS-1-S球面機構(gòu)，3-RRR 球面機構(gòu)所有運動副的軸線匯交空間一點，這點稱為機構(gòu)的中心，而3-UPS-1-S  球面機構(gòu)則以S的中心點為機構(gòu)的中心，機構(gòu)上的所有點的運動都是繞該點的轉(zhuǎn)動運動；3 維純移動機構(gòu)，如Star Like并聯(lián)機構(gòu)、Tsai 并聯(lián)機構(gòu)和DELTA 機構(gòu)，該類機構(gòu)的運動學(xué)正反解都很簡單，是一種應(yīng)用很廣泛的3維移動空間機構(gòu)；空間3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如典型的3-RPS

21、0;機構(gòu)，這類機構(gòu)屬于欠秩機構(gòu)，在工作空間內(nèi)不同的點其運動形式不同是其最顯著的特點，由于這種特殊的運動特性，阻礙了該類機構(gòu)在實際中的廣泛應(yīng)用；還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構(gòu)，如德國漢諾威大學(xué)研制的并聯(lián)機床采用的3-UPS-1-PU 球坐標式3 自由度并聯(lián)機構(gòu)，由于輔助桿件和運動副的制約，使得該機構(gòu)的運動平臺具有1 個移動和2 個轉(zhuǎn)動的運動（也可以說是3 個移動運動）2。圖1-6 Delta三自由度并聯(lián)機構(gòu)圖1-7 3-RRC移動并聯(lián)機構(gòu)圖 圖1-8 Tsai的移動并聯(lián)機構(gòu)圖1-9 UPU移動并聯(lián)機構(gòu) 圖1-10 3-CRR三自由度并聯(lián)

22、機構(gòu)圖1-11球面并聯(lián)機構(gòu) 圖1-12立方體3-RPS并聯(lián)機構(gòu)（3）4 自由度并聯(lián)機構(gòu)。4 自由度并聯(lián)機構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機構(gòu)，如2-UPS-1-RRRR 機構(gòu)，運動平臺通過3個支鏈與定平臺相連，有2個運動鏈是相同的，各具有1個虎克鉸U ，1個移動副P ，其中P 和1個R是驅(qū)動副，因此這種機構(gòu)不是完全并聯(lián)機構(gòu)。（4）5 自由度并聯(lián)機構(gòu)?，F(xiàn)有的5 自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如韓國Lee的5自由度并聯(lián)機構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu)（2個并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)合）。（5）6 自由度并聯(lián)機構(gòu)。6 自由度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人機構(gòu)中的一大類，是國內(nèi)外學(xué)者研究得最多的并聯(lián)機構(gòu)，廣泛應(yīng)用在飛行模

23、擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領(lǐng)域。但這類機構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學(xué)正解、動力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機構(gòu)必須具有6個運動鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機構(gòu)中，也有擁有3 個運動鏈的6 自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-PRPS 和3-URS 等機構(gòu)，還有在3 個分支的每個分支上附加1個5桿機構(gòu)作這驅(qū)動機構(gòu)的6自由度并聯(lián)機構(gòu)等。2圖1-13 6-RSS并聯(lián)機構(gòu)圖 圖1-14 3-PRPS并聯(lián)機構(gòu)圖1-15 3-PRPS并聯(lián)機構(gòu) 圖l-16 3-PPSP并聯(lián)機構(gòu)圖1-17 3-URS并聯(lián)機構(gòu)1.2

24、.3并聯(lián)機器人的應(yīng)用并聯(lián)機構(gòu)由于其本身特點,一般多用在需要高剛度、高精度和高速度而無需很大空間的場合。主要應(yīng)用有以下幾個方面：（1） 模擬運動飛行員三維空間訓(xùn)練模擬器駕駛模擬器；工程模擬器,如船用搖擺臺等；檢測產(chǎn)品在模擬的反復(fù)沖擊、振動下的運行可靠性；娛樂運動模擬臺。(2)對接動作宇宙飛船的空間對接；汽車裝配線上的車輪安裝；醫(yī)院中的假肢接骨。(3)承載運動大扭矩螺栓緊固；短距離重物搬運。（4）金屬切削加工。可應(yīng)用于各類銑床、磨床鉆床或點焊機、切割機。 圖1-18 波音737-400飛行模擬器 圖1-19德國Mikromat并聯(lián)機床 圖1-20 HexaGlide并聯(lián)機床 圖1-21 LINAP

25、OD并聯(lián)機床 圖1-22 哈工大并聯(lián)機床（5）可用于測量機，也可用來作為其它機構(gòu)的誤差補償器。（6）微動機構(gòu)或微型機構(gòu)并聯(lián)平臺的應(yīng)用領(lǐng)域正在被科研工作者不斷拓寬。（7）并聯(lián)機構(gòu)還可用作機器人的關(guān)節(jié)，爬行機構(gòu)，食品、醫(yī)藥包裝和移載機械手等。發(fā)展展望并聯(lián)機器人雖然經(jīng)過了幾十年的研究，但在理論上比較成熟，但很多都是用在大學(xué)的實驗室中，真正投入到生產(chǎn)實踐中的并聯(lián)機器人不多。近年來，先進制造技術(shù)的發(fā)展對并聯(lián)機器人的研究和發(fā)展起著積極的促進作用。隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人已從當(dāng)初的柔性上下料裝置，正在成為高度柔性、高效率和可重組的裝配、制造和加工系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備。要從組成敏捷生產(chǎn)系統(tǒng)的觀點出發(fā)，來

26、研究并聯(lián)機器人的進一步發(fā)展。面向先進制造環(huán)境的機器人柔性裝配系統(tǒng)和機器人加工系統(tǒng)中，不僅有多機器人的集成，還有機器人與生產(chǎn)線、周邊設(shè)備、生產(chǎn)管理以及人的集成。要想使并聯(lián)機器人充分發(fā)揮其優(yōu)勢性，適應(yīng)于市場的需求,就需要對并聯(lián)機器人進行模塊化設(shè)計。并聯(lián)機器人的模塊化設(shè)計正是符合敏捷制造提出的策略，敏捷制造的基本思想是企業(yè)能迅速將其組織和裝備重組，快速響應(yīng)市場變化，生產(chǎn)出滿足用戶需求的個性化產(chǎn)品。并聯(lián)機器人的模塊化設(shè)計為并聯(lián)機器人迅速走向市場奠定了良好的基礎(chǔ)。1.3選題背景及設(shè)計目的三維打印雖然說是快速成型，但是實際上也不算快速。就拿有名的三維彩色打印機ZPrinter 650來說，它的最小細節(jié)尺寸

27、是0.004 英寸（0.1 毫米），層厚是0.0035 - 0.004 英寸 (0.089 - 0.102 毫米)，垂直構(gòu)建速度為1.1英寸/小時(28 毫米/小時)。說到底，還是不夠快速。雖然它的精度很高了，但是速度卻很慢。內(nèi)置的處理器運算能力、打印精度、運動機構(gòu)、成型原理等都決定了打印速度。其中運動機構(gòu)不僅決定了打印速度，而且還影響打印精度。常見的三維打印機和傳統(tǒng)打印機一樣，只不過是多加了一個Z軸，可以看作是直角坐標系機器人。而直角坐標系機器人是屬于串聯(lián)機器人一類的。然后既然有串聯(lián)機器人，就有并聯(lián)機器人。并聯(lián)機器人和傳統(tǒng)工業(yè)用串聯(lián)機器人在哲學(xué)上呈對立統(tǒng)一的關(guān)系，和串聯(lián)機器人相比較，并聯(lián)機器

28、人具有以下特點：（1）無累積誤差，精度較高；（2）驅(qū)動裝置可置于定平臺上或接近定平臺的位置，這樣運動部分重量輕，速度高，動態(tài)響應(yīng)好；（3）結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大；（4）完全對稱的并聯(lián)機構(gòu)具有較好的各向同性；（5）工作空間較?。唬?）在位置求解上，串聯(lián)機構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機構(gòu)正解困難反解卻非常容易。根據(jù)這些特點，并聯(lián)機器人在需要高剛度、高精度或者大載荷而無須很大工作空間的領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。如果把并聯(lián)機器人運用到三維打印上，那將會提高成型速度和精度。本次設(shè)計的目的就是要把工業(yè)用的并聯(lián)機械手搬到普通家庭的桌面上，讓其實現(xiàn)三維打印，讓我們不需要花很高的成本去買專業(yè)級別的三維打

29、印機，即使專業(yè)級別的精度很高。我們有時候想制作出一些模型來觀察和試驗，不需要很高的精度，只是需要速度。我們使用并聯(lián)機械手來三維打印，能保證一定的精度和速度。如果能制作出這樣的三維打印機，很多工程師都可以將自己的設(shè)計“打印”出來。1.4選題背景及設(shè)計目的（1）通過對三維打印機和并聯(lián)機械手的學(xué)習(xí)和研究編寫開題報告；（2）結(jié)合三維打印機的實際情況對其并聯(lián)機構(gòu)進行設(shè)計，分析并計算相關(guān)參數(shù)；（3）使用solidworks建模，并繪制工程圖；（4）使用solidworks仿真系統(tǒng)進行運動仿真；（5）翻譯一篇與論文相關(guān)的外文資料。第二章 機械手的設(shè)計2.1 設(shè)計前分析三維打印是由下而上層疊打印，所以打印機構(gòu)

30、在空間上只需要三個平動自由度。所以可使用有三個平動自由度的并聯(lián)機構(gòu)來實現(xiàn)三維打印。同時，要考慮到打印速度、定位精度、承載能力、工作空間等方面。通過查找相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)Delta機構(gòu)比較適合用于三維打印。Delta機器人最早是Clavel在1985年提出的，由于其基座平臺和運動平臺都呈三角形形狀而得名。當(dāng)初設(shè)計Delta機器人時，是想得到一種小型化的機構(gòu)，實現(xiàn)對輕小物件的快速抓取和放置，能完成每秒兩次以上的循環(huán)動作。由于Delta機器人的這個特點，它常用于小元件的裝配插接作業(yè)。而且它機構(gòu)相對比較簡單，可實現(xiàn)空間上的三個平動自由度，它還有能承受大載荷、機構(gòu)剛性好，定位精度高等特點，所以適合快速堆垛及

31、搬運等操作。3圖2-1 Delta機器人如今Delta機器人的研究也比較成熟，控制方法也比較簡便，在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用，所以我選擇采用Delta機構(gòu)來設(shè)計三維打印機。2.2 Delta機器人結(jié)構(gòu)分析Delta機構(gòu)有幾種類型，主要是連接副有些改變。下面只介紹其中一種(如圖2-2)。下面這種Delta機器人有三個平動自由度，是由三組擺動桿機構(gòu)連接固定平臺和運動平臺的空間機構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如下：圖2-2 Delta機器人組成由圖可以看出，固定平臺的三條邊通過三條完全相同的運動鏈分別連接到運動平臺的三個邊上。每條運動鏈中有一個由四個球鉸與桿件組成的平行四邊形閉環(huán)，此閉環(huán)與驅(qū)動桿件（主動臂）相連，驅(qū)動桿件與

32、固定平臺之間通過轉(zhuǎn)動副連接。三組平行四邊形機構(gòu)的應(yīng)用使動平臺和固定平臺始終保持平行，消除了運動平臺的轉(zhuǎn)動自由度，從而保留了空間的三個平動自由度（在本次設(shè)計中我采用桿端關(guān)節(jié)軸承來代替球鉸，其原理也是一樣的）。同時，利用空間機構(gòu)自由度計算公式也可以計算出該機構(gòu)的自由度。4圖2-3 采用桿端軸承的平行四邊形閉環(huán)一般情況下，由空間機構(gòu)自由度F的計算公式： （2-1）其中：n構(gòu)件數(shù)g機構(gòu)運動副數(shù) 所有運動副自由度數(shù)和分析該機構(gòu)，容易知道該機構(gòu)具有局部冗余自由度，即球鉸之間的連桿可以繞自身的軸轉(zhuǎn)動，計算自由度時對應(yīng)將四個球鉸中的兩個按虎克鉸考慮，以便消除局部自由度的影響，根據(jù)式（2-1）就可以求出該機構(gòu)的

33、自由度數(shù),此機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目(包括固定平臺)n=11,運動副數(shù)g=15,所以F=6（11-15-l)+3x6+2x6+lx3=3。因此,Delta并聯(lián)機器人具有三個平移自由度,即運動平臺在機器人工作空間內(nèi)沿X、Y、Z三個方向平移運動，也就是可以用到三維打印機上。2.3動平臺位置反解坐標系建立為了方便求解三自由度平臺的空間位置關(guān)系,研究平臺的運動規(guī)律,首先將機構(gòu)稍加改造,將三組平行四邊形閉環(huán)上下兩邊中點之間加入三根虛擬連桿,如圖2-3所示?？紤]到運動平臺只有平動沒有轉(zhuǎn)動,相對于固定平臺姿態(tài)固定,機構(gòu)中所有分支中的平行四邊形框架始終為平面四邊形,而不會扭曲為空間四邊形。在此條件下,平行四邊形左右兩邊

34、的運動與上下兩邊中點連線的運動完全相同。因此,在進行運動分析時,將機構(gòu)簡化為圖2-4所示.接著建立動、靜兩個坐標系,靜坐標系原點O位于上平臺(固定平臺)的幾何中心。動平臺上建立動坐標系,為動平臺的幾何中心,其中Z軸和軸分別垂直于靜平臺和動平臺，軸和軸分別垂直于和.三根主動桿為圖中的,長度均為,從動桿為圖中,長度均為。為電機驅(qū)動臂對基座平臺的張角。 設(shè)計三維打印機的并聯(lián)機械手時，初取=250mm，=450mm。 圖2-3 引入虛擬桿的運動學(xué)模型 圖2-4 Delta并聯(lián)機器人機構(gòu)簡圖位置反解分析Delta機器人通過三個分支鏈將上下平臺連接起來,驅(qū)動臂在電機的驅(qū)動下作一定角度的反復(fù)擺動,再通過平行

35、四邊形閉環(huán)和轉(zhuǎn)動副使動平臺作平移運動。對于該機構(gòu),求解位置反解即給定運動平臺的中心點在靜坐標系中的坐標,求解基座平臺的三個控制電機的旋轉(zhuǎn)角度,也就是三個驅(qū)動臂對固定平臺的張角。運動學(xué)逆問題的求解是機器人控制的關(guān)鍵,因為只有使各關(guān)節(jié)變量按反解中求得的值運動,才能使末端操作器達到所要求的位姿。位置反解的具體分析如下：如圖2-4所示，=R，=r，則點 在靜坐標系中的位置矢量為：圖2-5 固定平臺參數(shù)，其中（ ）同樣也可以得到點在坐標系中的位置矢量為：，其中（ ）根據(jù)幾何學(xué)關(guān)系，可以得出點在坐標系中的位置矢量可以表達為：，其中（ ）假設(shè)矢量在坐標系中為 ,則矢量在坐標系中可以表示為:，其中（ ）因此，

36、根據(jù)，經(jīng)過化簡后可以推導(dǎo)下列等式：將和代入上式可得出整理化簡上式，可以得到下面關(guān)于的一元二次方程： （ ） （2-6）其中經(jīng)過計算，得到下列等式：其中均為已知，所以求解方程（2-6）得：因此，當(dāng)我們知道機器人的運動平臺的位置，根據(jù)下式可以求出電機的輸入，即為驅(qū)動臂的張角: 在本次設(shè)計中，初取R=95mm，r=70mm。2.4動平臺位置正解前面有提到并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)正解是比較困難的，有一種比較有效的方法是采用數(shù)值解法求解非線性方程組，從而求得與動平臺相對應(yīng)的的位置和姿態(tài)，數(shù)值法的優(yōu)點是數(shù)學(xué)的模型比較簡單，并且省去了繁瑣數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，這種方法還可以求解其他的并聯(lián)機構(gòu)，得到了廣泛的應(yīng)用。對于該Del

37、ta機構(gòu)，運動學(xué)正解問題是給定三個驅(qū)動臂相對于固定平臺的張角，求解運動平臺中心點在基座坐標系中的坐標。由式（2-2）得：上面三個式子為一個含有3個未知數(shù)，3個非線性方程的方程，可以采用數(shù)值解法解出3個未知數(shù)來。2.5機械手的工作空間機器人工作空間的大小代表了機器人的末端執(zhí)行器的活動范圍，它是衡量機器人工作能力的一個重要的指標。一般機器人的工作空間被定義為：在結(jié)構(gòu)的限制下末端執(zhí)行器n能夠到達的所有位置的集合8。傳統(tǒng)的分析工作空間的方法有搜索、作圖法等等，我們可以在位置反解的基礎(chǔ)上，求解Delta的工作空間。如下：根據(jù)位置反解的公式（2-2），代入經(jīng)過變化可以得到： （2-17）將上式化簡后，得到

38、 （2-18）其中：參考相關(guān)的文獻得出下面的不等式：，可化簡為 （2-19）然后得出下式： （2-20） 上面的不等式表示的是一個空間的范圍，它的邊界則為，以上的等式都是建立在固定坐標系中的，定義一個新的旋轉(zhuǎn)坐標系，然后： （2-21） 所以動平臺中心點在旋轉(zhuǎn)坐標系T中的位置矢量是： （2-22）將空間邊界的等式經(jīng)過簡化后在旋轉(zhuǎn)坐標系中表達為 （2-23）上面的等式類似圓環(huán)方程，其中圓環(huán)中心為旋轉(zhuǎn)軸：較小的半徑為：較大的半徑為：2.6機械手的驅(qū)動部分電機選型驅(qū)動部分無疑是選用旋轉(zhuǎn)電機。對于并聯(lián)機械手，需要精確控制主動臂的擺角，對于這個桌面型的并聯(lián)機械手，驅(qū)動部分不需要做得復(fù)雜?？煽刂平嵌鹊碾姍C

39、有舵機（用在遙控模型上的）、步進電機等。若是使用步進電機，控制上會比較麻煩點。采用舵機的話可以直接控制旋轉(zhuǎn)角度。如今的舵機轉(zhuǎn)動的最小角度可以為0.1度，而且轉(zhuǎn)動速度也很快，扭矩也很大，控制比較方便，幾乎沒有累計誤差。因為主動臂比較長，所以應(yīng)選扭矩比較大的舵機。本次設(shè)計中初選HS-805BB型舵機，主要技術(shù)參數(shù)如下：表2-1 技術(shù)參數(shù)馬達類型額定電壓操作溫度軸承類型速度（sec/60°）扭力（kg·cm）重量（g）尺寸規(guī)格3對極4.8V-6V-20至+60雙滾珠軸承4.8V：0.19；6.0V：0.144.8V：19.8；6.0V：24.715266 x 30 x57.6mm

40、扭力校驗采用solidworks繪制出機械手，計算各個部件的質(zhì)量。為了能方便計算，將主動臂和從動臂的質(zhì)量加到動平臺上，總質(zhì)量為約為：M總=800g。我們可以取三條運動鏈中的其中一條來進行受力分析。首先EP是二力桿，當(dāng)BE垂直于EP時，動平臺對電機的扭矩最大。如圖（2-6）計算過程如下：，動平臺靜止時，圖2-6 單條鏈受力分析對B的扭矩為所以可以選擇HS-805BB型舵機。2.7機械手材料選擇想要機械手平穩(wěn)地運動，這就需要低慣性，也就是機械手運動部分（不包括靜平臺）的質(zhì)量就要盡量減少，當(dāng)然還要符合一定的剛度。所以強度高，質(zhì)量輕，耐熱度高的工程塑料是個不錯的選擇。通用工程塑料包括聚碳酸酯(Poly

41、carbonate，PC)、聚酰胺(尼龍,Polyamide，PA)、聚甲醛(Polyacetal，Polyoxy Methylene，POM)、變性聚苯醚(Poly Phenylene Oxide，變性PPE)、聚酯(PETP，PBTP)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide，PPS)、聚芳基酯。而熱固性工程塑料則有不飽和聚酯、酚塑料、環(huán)氧塑料等。拉伸強度均超過50MPa，耐沖擊性超過50J/m2，彎曲彈性模量在24000kg/cm2，負載撓曲溫度超過100，其硬度、抗老化性優(yōu)。主動臂材料選擇主動臂受力在舵機選型中有提到，使用三維軟件solidworks中的應(yīng)力分析工具Sim

42、ilationXpress來計算其應(yīng)力分布。不過SimilationXpress只是簡單的初步應(yīng)力分析工具。使用SimilationXpress時，我們需要指定零件的夾具（固定位置）、載荷（包括大小和方向）、材質(zhì)等參數(shù)。然后再進行模擬分析。我們先拿主動臂做應(yīng)力分析（如圖2-6）圖2-6 主動臂應(yīng)力分布因為已經(jīng)指定了零件的材質(zhì)和受力，所以SimilationXpress會計算出其應(yīng)力分布和變形比例等參數(shù)。圖2-6中右邊有個色譜條，深藍色表示應(yīng)力最小，紅色表示應(yīng)力最大。也就是如果模擬出來的零件應(yīng)力分布圖全部是藍色，表示這個零件的強度是完全沒有問題的。如果有某個地方出現(xiàn)紅色，說明這個地方可能會有危險

43、，在實際中也許會斷裂或者疲勞。在應(yīng)力分析過程中我們還可以選擇安全系數(shù)來校核零件的強度。應(yīng)力分析后，如果發(fā)現(xiàn)有危險地方可以進行優(yōu)化?？梢孕薷慕Y(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)來優(yōu)化零件的設(shè)計。雖然工程塑料抗拉強度很好，但是成本還是比較高的，而且密度比較高點。我們可以先試選ABS材料來做應(yīng)力分析。其應(yīng)力參數(shù)如下：圖2-7 采用ABS時的應(yīng)力參數(shù)如果換成低比重、高抗拉強度、耐磨、自潤滑性好、沖擊韌性優(yōu)異、具有剛?cè)峒鎮(zhèn)涞哪猃垼≒A），它的應(yīng)力參數(shù)如下：圖2-8 采用尼龍時的應(yīng)力參數(shù)通過分析，尼龍所受應(yīng)力較小，其變形比例為50.63。采用ABS時變形比例是104.39，因為機械手需要一定的剛度，所以我們應(yīng)選擇尼龍作為主動

44、臂的材料。動平臺材料選擇動平臺由平臺主體、熱熔噴嘴（黃銅）、發(fā)熱電阻、加熱電阻固定塊（鋁合金）、噴嘴固定塊1、噴嘴固定塊2和一些螺絲螺母組成（如圖）圖2-9 動平臺三維圖如果要打印ABS材料，需要把噴頭加熱到170以上。所以動平臺部分零件需要耐高溫，而且機械性能也要打達到要求。經(jīng)過分析，我選擇工程塑料PPS作為動平臺的材料。因為PPS有良好的耐熱性能，可在180220溫度范圍內(nèi)使用。它的耐腐蝕性接近聚四氟乙烯，而且機械性能優(yōu)異，阻燃性能好。因為這個部分都是尺寸不大的零件，而且質(zhì)量加起來約為200多克，所以在此不做受力分析和強度校核。靜平臺材料選擇靜平臺（固定平臺）也需要一定的剛度，才能確保機械

45、手的運動精度。對于整臺桌面型的三維打印機來說，整體的質(zhì)量不能太大，價格也不能太貴。所以先試選價格比較低的工程塑料POM。它是一種性能優(yōu)良的工程塑料，在國外有“奪鋼”、“超鋼”之稱。整個靜平臺要承受機械手和舵機的重量（約有2kg），采用solidworks進行應(yīng)力分析。圖2-10 靜平臺應(yīng)力分析圖2-11 采用POM時的應(yīng)力參數(shù)因為之前主動臂選了尼龍材料，所以我在這里選擇尼龍材料來作對比。其分析數(shù)據(jù)下：圖2-11 采用POM時的應(yīng)力參數(shù)因為之前主動臂選了尼龍材料，所以我在這里選擇尼龍材料來作對比。其分析數(shù)據(jù)下：圖2-12 采用尼龍時的應(yīng)力參數(shù) 面圖表，通過軟件分析，采用POM的情況下的變形比例是

46、351.112，而尼龍是133.334.綜合考慮，所以選擇尼龍材料。其他部分確定材料的選擇依然遵循避重就輕的原則。機械手的平行四邊形桿基本上采用鋁合金，除了一些標準零件。從動臂是由兩條細桿組成，細桿的直徑為10mm，因為動平臺的質(zhì)量很輕，算上運動時候的瞬間拉力。當(dāng)主動臂和從動臂垂直時，因為舵機的扭矩而使主動臂對從動臂產(chǎn)生拉力。舵機在關(guān)節(jié)點E處產(chǎn)生的扭力為：則每條桿受的拉力（推力）約為7.7/2=3.85N（可取4N）。為了安全起見，可以對其做應(yīng)力分析。圖2-13 平行四邊形桿圖2-14 細桿應(yīng)力分析還有連接主動臂和從動臂的螺紋桿（從動臂和動平臺連接的螺紋桿）也是鋁合金制作。圖2-15 螺旋連接

47、桿因為動平臺的質(zhì)量很小，所以螺紋桿在這里不做應(yīng)力分析。2.8本章小結(jié)本章首先討論了并聯(lián)機械手的選型，根據(jù)三維打印機的性能要求，選取了Delta型并聯(lián)機器人作為打印機構(gòu)。然后參考相關(guān)文獻來討論并聯(lián)機器人的自由度求解，運動模型的建模。其中包括運動平臺的位置正解、位置反解和機械手工作空間的求解方法的介紹。最后是機械手的設(shè)計介紹，包括對制作材料的選擇。這里先設(shè)計驅(qū)動部分，也就是電機選型。接著對選擇的舵機進行扭力校驗。還有機械手的主動臂、從動臂等的材料都需要選擇，然后使用三維軟件solidworks2010中的SimilationXpress進行初步應(yīng)力分析和強度校核。不過這個應(yīng)力分析功能并不全面，只是

48、作為初步的模擬分析。通過分析來改變機械手的結(jié)構(gòu)和材料，以此來改善機械手的機械性能。第三章 三維打印機其他部分的設(shè)計之前已經(jīng)設(shè)計好機械手的結(jié)構(gòu)了，但是對于三維打印機來說，這是遠遠不夠的。既然要打印，必須要有打印平臺、外殼（支撐架）、送料等機構(gòu)。接下來就介紹三維打印機的整體設(shè)計。3.1 支架的設(shè)計支架主要由底座、型材、固定平臺組成（如下圖）。 圖3-1 支架設(shè)計 圖3-2 帶有螺紋孔的型材底座和固定平臺靠兩端帶有螺紋孔的型材和內(nèi)六角螺絲連接。這種方法比較簡便可靠，而且成本不高。然后在底座下面加上橡膠腳墊，起到防滑作用。圖3-3 底座加入腳墊3.2送料機構(gòu)圖3-4 送料機構(gòu)的組成圖3-5 送料機構(gòu)（

49、滾絲機構(gòu)）的組成為什么要設(shè)計滾絲機構(gòu)？因為如今三維打印機已經(jīng)慢慢地進入一些企業(yè)甚至家庭中了。因此，市場中已經(jīng)存在許多三維打印機的成型材料，比如ABS絲、PLA絲等。圖3-6 1.75mm的ABS絲不過此送料機構(gòu)是在1.75mm的ABS絲的基礎(chǔ)上設(shè)計的。所以要換直徑大點的ABS絲的話，就得把軸承和送絲頭的距離改大。ABS絲靠軸承和送絲頭壓緊，然后步進電機轉(zhuǎn)動就帶動ABS絲沿著架設(shè)好的軟塑料管進入熱熔噴頭，變成熔融狀態(tài)。選用的步進電機參數(shù)如下：表3-1 步進電機參數(shù)電機型號步距角（°）機身長（mm）相電壓（V）相電流（A）相電感（mH）靜力矩（N·m）定位力矩（N·c

50、m）轉(zhuǎn)動慣量（g·cm2）引線數(shù)42BYGH34041.834120.4370.260.23443.3熱平臺固定加熱平臺作用是防止打印料在噴出時遇到比自己溫度低很多的物體時突然冷卻，從而使收縮率變大、成型的尺寸變小。不過要安裝加熱平臺，和加熱平臺接觸的塑料件需要耐高溫，所以加熱平臺固定座選擇PPS材料。圖3-7 加熱平臺固定加熱平臺和固定座用套有PEEK管的螺絲螺母進行連接。PEEk耐高溫，有一定的隔熱效果。因為固定座采用PPS耐高溫材料，所以打印機的底座可以用尼龍材料等。3.4料架設(shè)計料架裝置在打印機上面可以減少占地面積，從而使結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)如下：圖3-8 料架圖3-9 料架組

51、成其中套筒是塑料件，裝在ABS打印絲的料盤中心，使其能套入轉(zhuǎn)盤固定軸，起到定心的作用。目的是為了減小轉(zhuǎn)盤固定軸的外徑，從而減少整體的重量。軸承固定框、轉(zhuǎn)盤固定軸、轉(zhuǎn)盤都是鋁合金，料架底座是鈑金件，也就是冷軋類型不銹鋼，此處料架的設(shè)計原則是減小對料架底的壓力。3.5噴頭清理設(shè)計圖3-10 噴頭清理設(shè)計每次打印后，噴嘴可能會有殘留的打印料。在下次打印時會影響成型的精度或者堵塞噴頭，還有就是想要換其他種打印料。所以應(yīng)該設(shè)置一個清理噴頭的地方。清理的方法是：首先加熱噴頭，達到材料熔點后，將噴嘴移動到清理噴頭的地方與鐵刷頭接觸，將噴頭處的打印料刷下。3.6防護板設(shè)計因為熱熔噴頭有可能被加熱到200以上，

52、所以具有一定的危險性。而且機械手在打印過程中可能會碰到其他物體或者是可能會有外來干擾導(dǎo)致打印中的模型移位，所以需要添加防護措施。我們可以加些透明的塑料擋板，這樣就起到防護的作用，而且又能看到打印的過程。經(jīng)過相關(guān)資料查詢，可采用PC工程塑料。PC工程塑料是一種性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，具有突出的抗沖擊能力，耐蠕變和尺寸穩(wěn)定性好，耐熱、吸水率低、無毒、介電性能優(yōu)良，是五大工程塑料中唯一具有良好透明性的產(chǎn)品，也是近年來增長速度最快的通用工程塑料。PC可用作門窗玻璃，PC層壓板廣泛用于銀行、使館、拘留所和公共場所的防護窗，用于飛機艙罩，照明設(shè)備、工業(yè)安全檔板和防彈玻璃等。在這里只對防護板進行一個簡單的

53、設(shè)計。這里設(shè)計的防護板有簡單的門轉(zhuǎn)軸機構(gòu)，如圖：圖3-11 防護板設(shè)計圖3-12 防護板開關(guān)門示意3.7本章小結(jié)本章主要論述了并聯(lián)機械手式三維打印機的整體的設(shè)計。其中插入了零件或著裝配體的示意圖等來說明某個部分的設(shè)計內(nèi)容。從打印機的支架設(shè)計到防護板（外殼）的設(shè)計，都是基于使用三維軟件solidworks繪制出來的零件來說明的。設(shè)計說明不是很具體，其中有些螺絲、螺母的固定連接沒有具體的說明，有些設(shè)計有可能考慮的不是很全面，只是做了個大概的設(shè)計，某些細節(jié)部分沒有予以講解。 整臺打印機的基本結(jié)構(gòu)在本章中已經(jīng)設(shè)計完成，可不可行還需要進一步的分析論證。結(jié) 論本文章數(shù)不多，但是包含了整個并聯(lián)機械手式三維打印機的設(shè)計。設(shè)計的目的是為了能將并聯(lián)機械手和三維打印機結(jié)合在一起，將打印速度和精度提高，然后搬到桌面上，實現(xiàn)“神奇”的打印，讓普通家庭也能自己搞發(fā)明創(chuàng)作，實現(xiàn)全民制造。 在第二章中主要介紹了Delta并聯(lián)機械手的概念和運動方程建模過程，參考前人的研究成果來進行機構(gòu)的運動分析。其中包括動平臺的位置正解、位置反解、工作空間等。大部分公式都來源于其他文獻，具體合不合理還需要深入的驗算。理論部分計算完成后，就進行機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計。機械手