毕业设计（论文）-一种采用DELTA并联机构的3D打印机结构设计.doc

本科毕业设计（论文）一种采用DELTA 并联机构的3D打印机结构设计学 院 机电工程学院 专 业 机械设制造及其自动化 机械电子工程方向 年级班别 2010级（6）班 学 号 学生姓名 指导教师 2014年6月摘 要三维打印技术是集机械、自动控制、计算机科学、材料学等为一体的先进制造技术。本文首先介绍了三维打印技术的基本原理和特点，以及三维打印技术的发展现状和关键技术。接着阐述并联机器人的机构原理和特点，还有它的发展国内外发展情况。然后通过选题背景及设计目的引出如今三维打印机存在的问题，比如成型精度和速度等。本文是对并联机械手式三维打印的整体结构设计。着重于机械手的机构的设计，简单性地说明打印机的整体设计。在机械手的机构设计部分，需要建立运动学模型。对于机器人的控制系统来说，运动学正解和运动学反解都是不可避免的。还有一个重要点是并联机器人的尺度综合。尺度综合是并联机械手设计的重要内容，速度、精度、刚度、工作空间是评价并联机械手系统性能的重要指标。 机械手的机构设计完成后，因为是基于并联机械手的三维打印机，还需要讨论三维打印机的整体设计，这也是为了能将并联机械手和三维打印机很好地结合为一体。对于部分结构，本文会予以重点讨论。关键词：三维打印技术，并联机械手，运动学模型，尺度综合全套图纸加扣 3012250582AbstractThree-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 printing 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 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 establish 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 index 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 part of the structure, this paper will be focused on.Keywords: 3D printing technology, parallel manipulator, kinematics model, dimension synthesis目 录1 绪论11.1 三维打印机概述11.1.1 三维打印机的概述11.1.2 应用前景11.1.3 存在的问题21.2 并联机械手综述41.2.1 并联机构的特点51.2.2 并联机构的分类61.2.3 并联机器人的应用101.2.4 发展展望111.3 选题背景及设计目的121.4 研究内容132 打印机主传动结构的设计142.1 设计前分析142.2 Delta机器人结构分析142.3 打印机传动形式的确定162.4 动平台位置反解182.5 机械手的工作空间192.6 Delta 3D打印机基本参数的确定202.7 移动平台配件的选择及其固定结构的设计202.7.1 喷嘴的选择及其夹紧结构的设计212.7.2 散热器的选择及其固定钣金的设计222.7.3关节轴承的选取232.7.4移动平台的设计242.8从动臂的设计272.9 传动机构配件的选择及其固定结构的设计282.9.1传动形式的设计282.9.2 丝杆的选择282.9.3 支撑与导向机构的设计292.9.4电机选型302.9.5 滚珠丝杆螺母与直线轴承夹紧结构的设计312.9.6扭力校验312.9.7 电机固定架的结构设计333 打印机其它部件的设计343.1 远程送料机构的选取与固定343.2 上平台的结构设计343.3 下平台及打印平台的结构设计353.4 料架设计35结 论36参考文献37致 谢38附录A 产品效果图391 绪论1.1 三维打印机概述三维打印机（Three Dimension Printers），又称3DP。是一位名为恩里科迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种神奇的打印机，它甚至可以“打印”出一幢完整的建筑1.1.1 三维打印机的概述三维打印机在过去通常又被称为“快速成型机”，它是添加制造技术的一种形式。工作原理类似打印机的打印头，不同点在于除了喷头在做X-Y平面运动外，工作台还沿着Z轴方向进行垂直运动；并且喷头喷出的材料不是油墨或打印机用的粉末，而是一种特殊的粘结剂或者熔融状态下的塑料、金属1。它通过对电脑中三维软件的识别，进行STL格式（也是三角网格格式）转换，再结合切层软件确定摆放方位和切层路径，并进行切层工作和相关支撑材料的构造。最后使用喷头将固态的线型成型材料加热成半熔融状态之后挤出来（采用粘结剂的就直接挤出），和支撑材料自下而上，一次一层的构铸成最终实体。简单点说，可以理解为软件把物体分成若干个横截面，而三维打印机将这些横截面一次一层的沉淀、堆积。整个过程就像是普通的二维打印机再加个Z轴，一层叠一层地打印，最终形成我们所需的实体。 从它整个成像的过程来看，我们知道三维打印机至少要由软件控制系统、成型材料、支撑材料、成型材料匣、支撑材料匣、喷头、加热模组、成型空间等几大部份构成。其中成型材料和支撑材料就相当于我们普通打印机的耗材，也有的机型不需要支撑材料，大大降低了用户的后期使用成本，如美国Z Corperation公司的Z系列机型。1.1.2 应用前景 3D打印已经成为一种潮流，三维打印机除了能够在制造业中生成各种模型外，由于它的占地空间和环保理念都逐步适应了现代商务区的要求，也开始应用于教育、建筑、设计等多个行业，尤其是工业设计，数码产品开模等，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品到市场的开发时间。3D 打印机可以使用各种原料打印三维模型。使用三维铺助设计软件，工程师设计出一个模型或原型之后，无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜，之后通过相关公司生产的3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的的材料，例如橡胶、塑料、甚至是人体器官，不同的打印机厂商所提供的打印材质不同。美国Stratasys公司的桌面型ABS三维打印机就是专门针对办公室环境应用而设计的，无噪音，无有害气体。在各个设计领域，使用三维打印机能够轻松将电脑中的效果模型转变为实物，更直观的表达出设计师的设计理念，便于交流和演示，同时切身体会该设计模型的手感，这是仅仅依靠计算机中CAD三维图像展示所不能做到的。此外，我们可以将庞大的模型，分解成各个小型“零件”，成型之后再拼凑粘合，如房地产中的小区沙盘。现在比较出名的是Zcorp（Zprinter）系列三维打印机。就拿Zcorp 510来说，该设备是由美国Z corporation公司研制的，属于快速成型设备，与市场上的同类产品相比，该设备的手板成型设计比其他设备快几十到百倍，手板可以一次成型，包括颜色，使用耗材便宜，整个过程全自动化进行；超静，无毒气，无气味，是非常适合图1.1 Zcorp 510三维打印机在办公室环境中使用的快速成型机；操作简单，无需人员配备；任意复杂外形及内腔均无限制；打印的轴承可以转动，打印的杯子可以直接盛水。并且打印后的产品可以再加工。这个技术是源于打印机的原理而产生的。由喷头喷出胶水在粉末上面固化而成的，一层层的加高，从而形成立体的。3D Printer 立体打印机适用电器、玩具、电子产品、模具、鞋业、教育、医疗、汽车、建筑、包装等行业进行产品开发，设计一验证，经后处理工艺的手板可直接用以市场反馈，开办展览等。Z CastTM 直铸手板技术，是本机的高级功能，14 小时制成金属手板。直铸法：在本机打印机上直接打印模腔、模蕊， 然后用夹具夹紧，直接浇铸成型；另有翻砂模法、燃烧法。1.1.3 存在的问题虽然三维打印很方便，也很节约材料。如果要将三维打印机像电脑一样应用到我们普通消费都的生活中，还存在一些具体的问题：1、打印速度问题 早期的三维打印机形成一套模具得花两三天的时间，随着打印技术的提高和成型材料的改进，一般都用每分钟打印多少层来计算其工作速度，像Dimension和ZP310Pl -us,每分钟都可以达到两三层的速度，形成一套模具只需几个小时。但这种速度也只适用于为了提高工作效率和质量的相关企业，暂时无法被家庭用户所接受。2、购买成本问题 目前不同三维打印机的报价相差很大，但依旧在几万到几十万人民币内，这个数字对家庭用户来说，不如去买套房子。不过如今市面上已经涌现出许多开源打印机，比如Reprap、Makerbot、Makergear系列等。其中Reprap中的Reprappro Huxley打印机是3D打印机的开源原型机，也就是现在很多开源打印机都是在它的基础上发展起来的。这些开源打印机价格就比较低点。Reprappro Huxley最大可打印体积为5.5x5.5x4.3英寸，其价格才599美元。图1.2 Reprappro Huxley开源三维打印机它的价格虽然不高，但是成型精度也不高，而且外形也比较简陋，跟专业级别的三维打印机还是有些差距。相对来讲，Makerbot系列的Replicator 2x型三维打印机性能和外观就比较好点。其最大可打印尺寸为9.7x6x6.1英寸，分辨率为100微米。但其价格为2800美元。这款三维打印机型在开源打印机中已经算是比较顶尖的了，其价格有些偏高可是可以理解的。如果你想打印出高精度及良好外观的物件，上面介绍的开源打印机不是你的首选。你需要的是专业级别的三维打印机，比如Zcorp、Object、Dimension系列。这些价格就比较昂贵，这些打印机设备比较齐全，而且功能也相对较多，人机交互界面做得比较好，操作也挺方便，安全性较高。图1.3 Replicator 2x三维打印机如果你想打印出高精度及良好外观的物件，上面介绍的开源打印机不是你的首选。你需要的是专业级别的三维打印机，比如Zcorp、Object、Dimension系列。这些价格就比较昂贵，这些打印机设备比较齐全，而且功能也相对较多，人机交互界面做得比较好，操作也挺方便，安全性较高。相关研究人员表示：“随着技术的成熟和应用的扩展，专业级别三维打印机的价格有望跌到几百英镑。”换句话说，在不久的将来，我们可以花几千元人民币来买一台功能齐全而且精度又高的三维打印机，相比如今已经很普遍的照片级喷墨打印机来说，这个价格已经不是很高了，我们还是可以接受的。3 成型材料问题 如今人们提倡绿色环保，三维打印机的许多成型材料是采用化学聚合物，比如ABS、PLA等。在这里，我们不仅仅是担心它的后期使用成本问题。因为如果要让它融入我们的家庭生活，那么这种材料是否安全将是一个很重要的参考因素。比如我们想通过三维打印机制作一个个性化的杯子，但由于成型材料有毒性而不可食用等不利因素，使这个杯子只可远观而不可亵玩焉，那就失去了它的意义。1.2 并联机械手综述1.2.1 并联机构的特点并联机构（Parallel Mechanism）是一种闭环机构,其动平台或称末端执行器通过至少2个独立的运动链与机架相联接。最早出现在1965年，德国Stewart发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练飞行员。1978年澳大利亚著名机构学教授Hunt提出将并联机构用于机器人手臂。并联机构的必备的要素如下:末端执行器必须具有运动自由度;这种末端执行器通过几个相互关联的运动链或分支与机架相联接;每个分支或运动链由惟一的移动副或转动副驱动。与传统的串联机构相比，并联机构的零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、伸缩杆件、滑块构件、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成。这些通用组件可由专门厂家生产，因而其制造和库存备件成本比相同功能的传统机构低得多，容易组装和模块化。除了在结构上的优点，并联机构在实际应用中更是有串联机构不可比拟的优势。其主要优点如下：（1）刚度质量比大。因采用并联闭环杆系,杆系理论上只承受拉、压载荷,是典型的二力杆,并且多杆受力，使得传动机构具有很高的承载强度。（2）动态性能优越。运动部件质量轻，惯性低,可有效改善伺服控制器的动态性能,使动平台获得很高的进给速度与加速度,适于高速数控作业。（3）运动精度高。这是与传统串联机构相比而言的,传统串联机构的加工误差是各个关节的误差积累,而并联机构各个关节的误差可以相互抵消、相互弥补，因此，并联机构是未来机床的发展方向。（4）多功能灵活性强。可构成形式多样的布局和自由度组合,在动平台上安装刀具进行多坐标铣、磨、钻、特种曲面加工等，也可安装夹具进行复杂的空间装配，适应性强，是柔性化的理想机构。（5）使用寿命长。由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。（6）在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。由于机器人在线实时计算是要计算反解的，这对串联式十分不利，而并联式容易实现。并联机构作为一种新型机构，也有其自身的不足，由于结构的原因，它的运动空间较小，而串并联机构则弥补了并联机构的不足，它既有质量轻，刚度大，精度高的特点，又增大了机构的工作空间，因此具有很好的应用前景，尤其是少自由度串并联机构，适应能力强，且易于控制，是当前应用研究中的一个新热点。1.2.2 并联机构的分类从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构,另可按并联机构的自由度数分类2： （1）2自由度并联机构。2自由度并联机构，如5-R、3-R-2-P（R表示转动副，P表示移动副）平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2个移动运动。图1.4 2自由度的球面5R并联机构图1.5 平面2自由度的Diamond机器人 （2）3自由度并联机构。3自由度并联机构各类较多，形式较复杂，一般有以下形式：平面3自由度并联机构，如3-RRR机构、3-RPR机构，它们具有2个移动和一个转动；球面3自由度并联机构，如3-RRR球面机构、3-UPS-1-S球面机构，3-RRR球面机构所有运动副的轴线汇交空间一点，这点称为机构的中心，而3-UPS-1-S球面机构则以S的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动；3维纯移动机构，如StarLike并联机构、Tsai并联机构和DELTA机构，该类机构的运动学正反解都很简单，是一种应用很广泛的3维移动空间机构；空间3自由度并联机构，如典型的3-RPS机构，这类机构属于欠秩机构，在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点，由于这种特殊的运动特性，阻碍了该类机构在实际中的广泛应用；还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构，如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的3-UPS-1-PU球坐标式3自由度并联机构，由于辅助杆件和运动副的制约，使得该机构的运动平台具有1个移动和2个转动的运动（也可以说是3个移动运动）2。图1.6 Delta三自由度并联机构图1.7 3-RRC移动并联机构图 图1.8 Tsai的移动并联机构图1.9 UPU移动并联机构 图1.10 3-CRR三自由度并联机构 图1.11 球面并联机构 图1.12 立方体3-RPS并联机构（3）4 自由度并联机构。4 自由度并联机构大多不是完全并联机构，如2-UPS-1-RRRR 机构，运动平台通过3个支链与定平台相连，有2个运动链是相同的，各具有1个虎克铰U ，1个移动副P ，其中P 和1个R是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。（4）5自由度并联机构。现有的5自由度并联机构结构复杂，如韩国Lee的5自由度并联机构具有双层结构（2个并联机构的结合）。（5）6自由度并联机构。6自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6个运动链。但现有的并联机构中，也有拥有3个运动链的6自由度并联机构，如3-PRPS和3-URS等机构，还有在3个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等2。图1.13 6-RSS并联机构图 图1.14 3-PRPS并联机构图1.15 3-PRPS并联机构 图l.16 3-PPSP并联机构图1.17 3-URS并联机构1.2.3 并联机器人的应用并联机构由于其本身特点,一般多用在需要高刚度、高精度和高速度而无需很大空间的场合。主要应用有以下几个方面：(1)模拟运动飞行员三维空间训练模拟器驾驶模拟器；工程模拟器,如船用摇摆台等；检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性；娱乐运动模拟台。(2)对接动作宇宙飞船的空间对接；汽车装配线上的车轮安装；医院中的假肢接骨。(3)承载运动大扭矩螺栓紧固；短距离重物搬运。(4)金属切削加工。可应用于各类铣床、磨床钻床或点焊机、切割机。 图1.18 波音737-400飞行模拟器 图1.19 德国Mikromat并联机床 图1.20 HexaGlide并联机床 图1.21 LINAPOD并联机床 图1.22 哈工大并联机床(5)可用于测量机，也可用来作为其它机构的误差补偿器。(6)微动机构或微型机构并联平台的应用领域正在被科研工作者不断拓宽。(7)并联机构还可用作机器人的关节，爬行机构，食品、医药包装和移载机械手等。1.2.4 发展展望并联机器人虽然经过了几十年的研究，但在理论上比较成熟，但很多都是用在大学的实验室中，真正投入到生产实践中的并联机器人不多。近年来，先进制造技术的发展对并联机器人的研究和发展起着积极的促进作用。随着先进制造技术的发展，工业机器人已从当初的柔性上下料装置，正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。要从组成敏捷生产系统的观点出发，来研究并联机器人的进一步发展。面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理以及人的集成。要想使并联机器人充分发挥其优势性，适应于市场的需求,就需要对并联机器人进行模块化设计。并联机器人的模块化设计正是符合敏捷制造提出的策略，敏捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组，快速响应市场变化，生产出满足用户需求的个性化产品。并联机器人的模块化设计为并联机器人迅速走向市场奠定了良好的基础。1.3 选题背景及设计目的三维打印虽然说是快速成型，但是实际上也不算快速。就拿有名的三维彩色打印机ZPrinter 650来说，它的最小细节尺寸是0.004 英寸（0.1 毫米），层厚是0.0035 - 0.004 英寸 (0.089 - 0.102 毫米)，垂直构建速度为1.1英寸/小时(28 毫米/小时)。说到底，还是不够快速。虽然它的精度很高了，但是速度却很慢。内置的处理器运算能力、打印精度、运动机构、成型原理等都决定了打印速度。其中运动机构不仅决定了打印速度，而且还影响打印精度。常见的三维打印机和传统打印机一样，只不过是多加了一个Z轴，可以看作是直角坐标系机器人。而直角坐标系机器人是属于串联机器人一类的。然后既然有串联机器人，就有并联机器人。并联机器人和传统工业用串联机器人在哲学上呈对立统一的关系，和串联机器人相比较，并联机器人具有以下特点：(1)无累积误差，精度较高；(2)驱动装置可置于定平台上或接近定平台的位置，这样运动部分重量轻，速度高，动态响应好；(3)结构紧凑，刚度高，承载能力大；(4)完全对称的并联机构具有较好的各向同性；(5)工作空间较小；(6)在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难反解却非常容易。根据这些特点，并联机器人在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。如果把并联机器人运用到三维打印上，那将会提高成型速度和精度。而且，市场上大部分的3D打印机都因为是XYZ轴串联移动的形式，所以外观都像一个四四方方的盒子，而本人觉得，3D打印机完全可以设计得更优雅，让消费者更愿意买回去放在家里，而不一定都要是一个微波炉形状。本次设计的目的就是要把工业用的并联机械手搬到普通家庭的桌面上，设计一款优雅、简洁和对称的3D打印机让其实现三维打印，让我们不需要花很高的成本去买专业级别的三维打印机，让很多人可以随时将自己的设计“打印”出来。1.4 研究内容(1)通过查阅文献，对三维打印机和并联机械手的学习和研究；(2)结合三维打印机的实际情况对其并联机构进行设计，分析并计算相关参数；(3)使用solidworks建模，并绘制工程图；(4)使用solidworks仿真系统进行运动仿真；(5)翻译一篇与论文相关的外文资料。2 打印机主传动结构的设计2.1 设计前分析三维打印是由下而上层叠打印，所以打印机构在空间上只需要三个平动自由度。所以可使用有三个平动自由度的并联机构来实现三维打印。同时，要考虑到打印速度、定位精度、承载能力、工作空间等方面。通过查找相关资料，发现Delta机构比较适合用于三维打印。Delta机器人最早是Clavel在1985年提出的，由于其基座平台和运动平台都呈三角形形状而得名。当初设计Delta机器人时，是想得到一种小型化的机构，实现对轻小物件的快速抓取和放置，能完成每秒两次以上的循环动作。由于Delta机器人的这个特点，它常用于小元件的装配插接作业。而且它机构相对比较简单，可实现空间上的三个平动自由度，它还有能承受大载荷、机构刚性好，定位精度高等特点，所以适合快速堆垛及搬运等操作3。图2.1 Delta机器人如今Delta机器人的研究已经很成熟，控制方法也比较简便，在工业上有广泛的应用，所以我选择采用Delta机构来设计三维打印机。2.2 Delta机器人结构分析Delta机构有几种类型，主要是连接副有些改变。下面只介绍其中一种(如图2-2)。下面这种Delta机器人有三个平动自由度，是由三组摆动杆机构连接固定平台和运动平台的空间机构。具体结构如下：图2.2 Delta机器人组成由图可以看出，固定平台的三条边通过三条完全相同的运动链分别连接到运动平台的三个边上。每条运动链中有一个由四个球铰与杆件组成的平行四边形闭环，此闭环与驱动杆件（主动臂）相连，驱动杆件与固定平台之间通过转动副连接。由于平行四边形闭环有一边是水平的，根据平行四边形连杆的对应杆相互平行可知：动平台和固定平台始终保持平行，消除了运动平台的转动自由度，从而保留了空间的三个平动自由度（本次设计中我采用杆端关节轴承来代替球铰，其原理也是一样的）。同时，利用空间机构自由度计算公式也可以计算出该机构的自由度4。图2.3 采用杆端轴承的平行四边形闭环一般情况下，由空间机构自由度F的计算公式： （2.1）其中：n构件数 g机构运动副数 所有运动副自由度数和分析该机构，容易知道该机构具有局部冗余自由度，即球铰之间的连杆可以绕自身的轴转动，计算自由度时对应将四个球铰中的两个按虎克铰考虑，以便消除局部自由度的影响，根据式（2.1）就可以求出该机构的自由度数,此机构的构件数目(包括固定平台)n=11，运动副数g=15，所以：F=6（11-15-l)+36+26+l3=3因此，Delta并联机器人具有三个平移自由度，即运动平台在机器人工作空间内沿X、Y、Z三个方向平移运动，也就是可以用到三维打印机上。2.3 打印机传动形式的确定由于Delta机械手是主动臂是旋转的形式，所以在主动臂在极限位置的时候会占用很大的空间，如图2.4所示。这与一开始的设计一款家用式3D打印机的目标相违背，因为家用式就要力求结构简洁和省空间。任何人都不希望摆一个占地方的大个子机器在家里。 （a）delta 3D打印机 （b）加保护壳的delta 3D打印机图2.4 主动臂为旋转形式的delta机器人 从Delta机器人的工作原理可知，主动臂的选择运动起作用的是旋转后末端在Z轴上的分位移，而其在与Z轴垂直的分量位移只会增加作业的空间，所以应想办法将和部分无效作业空间去掉。由于只是Z轴的位移有实际作用，可以选择直线运动代替原来的旋转运动，以节省作业空间，如图2.5所示。而传动机构的组成主要有：电机，滚珠丝杆，光轴，直线轴承，联轴器以及必要的固定件，如图2.6所示。 图2.5 将主动臂的旋转运动改成直线运动图2.6 传动部分2.4 动平台位置反解在此反解中使用的是坐标向量法，由于此法只和构件的起始终点坐标有关，和运动的过程无关，求解方便。为了方便求解三自由度平台的空间位置关系，研究平台的运动规律，首先将机构稍加改造，将三组平行四边形闭环上下两边中点之间加入三根虚拟连杆，考虑到运动平台只有平动没有转动,相对于固定平台姿态固定,机构中所有分支中的平行四边形框架始终为平面四边形,而不会扭曲为空间四边形。在此条件下,平行四边形左右两边的运动与上下两边中点连线的运动完全相同6。因此,在进行运动分析时,将机构简化为图2.7所示图2.7 引入虚拟杆的运动学模型Z接着建立静坐标系,静坐标系原点O位于静平台的几何中心。由于采用向量法是与只和构件的起始终点坐标有关，和运动的过程无关。为求解方便，这里暂时以动平台与静平台中心点重合的情况做分析，并且假设动平台就位于最低位置上（即z=0）。坐标系建立如图5.85。 图2.8 平台的运动参数其中：a：静平台的半径l：从动杆的长度e：动平台的半径A：从动杆与驱动块的节点B：动平台与从动杆的节点O：动平台的中心点：从动杆在O点位于坐标原点时与X轴正方向的夹角，分别为1，2，3设O点的坐标为（x,y,z），则B点的坐标为（x+e,y,z)，根据勾股定理，可算得A点的坐标为(acosi,asini,zi)由空间坐标计算从动臂的长度，可得： （2.3） 解得： （2.4）所以，当： （2.5） （2.6） （2.7）当动平台不是位于最低位置时，即z0，此时，当： （2.8） （2.9） （2.10）2.5 机械手的工作空间由最后的公式：（2.8）、（2.9）、（2.10），可得出三个从动杆分别的移动范围为以，为圆心，以为半径的圆，而三个圆相交的区域，即为工作区域，图2.9中黄色部分。图2.9 打印机的工作范围2.6 Delta 3D打印机基本参数的确定初步设定Delta 3D打印机的打印层厚为0.1mm、a=150mm、e=36mm，而打印范围设定为直径为100mm（即R=50mm）、高300mm的圆柱区域。由图2.9可知：，这里选l=200mm。由刚刚确定的参数，可做出工作区域与静平台的位置关系，如图2.10，等边三角形为静平台的最小尺寸，而灰色区域为工作区域，从中可测出，平行四边形连杆机构的最小旋转角度为19.47。图2.10 静平台与工作区域的位置关系2.7 移动平台配件的选择及其固定结构的设计 想要移动平台平稳地运动，这就需要低惯性，也就是运动部分（不包括静平台）的质量就要尽量减少，当然还要符合一定的刚度。所以，本设计中，不像其他3D打印机那样把送料电机也放在移动平台上，这样增加了移动平台的质量同时增加了惯性，这对运动平台的平稳运动与精度都将造成不利影响。本设计中将送料机构置于移动平台之外，增加一根送料导管连接送料结构和喷头。2.7.1 喷嘴的选择及其夹紧结构的设计喷嘴主要是根据喷嘴的出料孔孔径还有打印的层厚来确定的，此3D打印机的层厚设定为0.1mm，现在主流的喷嘴的出料孔孔径主要有0.3mm，0.4mm，0.5mm。而0.3mm的喷嘴由于造价比较高，而0.4mm能符合要求，故选择出料孔为0.4mm的喷嘴。喷嘴的形状如图2.11，工作电压为12/24V，可远程送料，总重量约为100g。图2.11 打印机喷头如果要打印ABS材料，需要把喷头加热到170以上。所以动平台部分零件需要耐高温，而且机械性能也要打达到要求。经过分析，我选择工程塑料PPS作为动平台的材料。因为PPS有良好的耐热性能，可在180220温度范围内使用。它的耐腐蚀性接近聚四氟乙烯，而且机械性能优异，阻燃性能好。由于喷嘴加热部分主要在下面的铝合金块上，所以喷嘴与移动平台的固定位置选择在如图2.12红色部分。配合尺寸为13。这里设计两个有半圆孔的固定件相互配合将喷头固定在移动平台上，如图2.13所示。用Solidworks测得该零件的质量为3.75g7。 图2.12 喷头内部结构 图2.13 夹紧块及其安装效果图2.7.2 散热器的选择及其固定钣金的设计3D打印机在工作的时候，需要把喷头的温度控制在一个范围内，例如在开始打印前，需要给喷头预热，打印时才能迅速溶解材料，而温度又不能过高，否则会导致其他部件溶解烧毁。而在打印完成后，我们又希望喷头能够迅速冷却下来。所以这里就有必要给喷头设置一个散热器，而这里采用的是散热风扇作为散热器，其规格如表2.1所示，外观结构如图2.14所示。而为了使整个移动平台受力均匀，同时也使风对喷丝的方向的影响减至最小，这里采用两台散热风扇对称分布。表2.1 散热风扇参数表型号额定电压(V)风 量(CFM)转速(R/min)轴承结构 电流（A）重量（g）尺寸规格(mm)4010125.20/7.604500滚动轴承0.081640 x 40 x10图2.14 散热风扇外观结构采用钣金件与散热扇的固定的方式，钣金件上面必需留有风扇的进风孔，同时，钣金件必需与移动平台固定，这里采用钻孔加以螺栓螺母固定的方式，最后的钣金件外观如图2.15，材料采用304钢，用Solidworks测得其质量为：5.74g。因散热扇的质量比较轻，故这里不对钣金件做受力分析。图2.15 散热扇固定钣金件2.7.3关节轴承的选取关节轴承的选取主要考虑到3D打印机的工作范围，由杆件长度以及前面的计算可知，关节轴承的旋转角度只要超过38.94。这里选择的是RBLD-M6关节轴承，具体参数如下图2.16所示。这里关节轴承的旋转角度为=40，大于原先计算的最小值38.94，所以满足要求。每个关节轴承的重量为26g。图2.16 关节轴承参数表2.7.4移动平台的设计由前面几节可知，移动平台的大致形状为一个等边三角形。移动平台的上所要固定的配件主要有：喷头及其夹紧块，散热扇及其固定钣金，以及六个关节轴承。夹紧块和固定钣金件都是采用M310的内六角螺栓配合螺母固定，其中两个夹紧块和两个固定钣金件都是采用对称固定。而关节轴承的配合端为M615。总共有六个，两两对称分布，而每对都沿等边三角形的一边分布。平台中间还需有一个圆孔让喷头穿过，而且不能太靠近喷头以防止融化。这里材料也是采用PPS，根据前面的要求，初步设计结果如图2.17所示，用Solidworks测得的重量为18.86g。图2.17移动平台由于移动平台连接的附件比较多，故其强度与变形量对Delta 3D打印机的打印精度的影响较大，在此对利用SolidWorks其进行有限元分析9，分析其应变和变形量。先对移动平台进行受力分析，移动平台主要受到喷头及其夹紧块，散热扇及其固定钣金，以及六个关节轴承的作用力。根据之前计算的各个部件的重量，对模型施加力的作用，如图2.18所示，喷头及夹紧块和散热扇及固定钣金对平台的作用面积都是螺栓与平台的接触面积，选择垂直于平台表面。力的大小分别是0.5488N、0.245N。而关节轴承相对于平台来说，刚性会强很多，所以，在此设置六个与关节轴承接触的面为“几何固定”，因为移动平台本身也有重力作用，故在此分析模型中加多一个重力选项。赋予移动平台PPS材料，其弹性模量为：9.61109 Pa，然后对模型进行网格化，网格大小选择适中，如图2.19。所有设置的参数如图2.20所示。最后点运行，对模型进行有限元分析，分析结果如图2.21、2.22所示，分析得移动平台受到的最大应力约为59.951Pa，这远远低于其弹性模量9.61109 Pa。而其最大变形量为8.66110-5mm。对工作产生的影响可以忽略，故该平台设计的尺寸合格。而移动平台最终的零件爆炸图如图2.23所示8。图2.18 对平台施加力示意图 图2.19 对移动平台进行网格化 图2.20分析设置的参数图2.21 应力分析图2.22 位移分析图2.23 移动平台爆炸图2.8从动臂的设计 想要机械手平稳地运动，这就需要低惯性，也就是机械手运动部分（不包括静平台）的质量就要尽量减少，当然还要符合一定的刚度。由于从动臂两端连接两个关节轴承，这里需在其两端加工螺纹。又考虑到刚刚提到的要求，故这里采用铝合金作为从动臂的材料。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。从2.7.3节中，我们确定了关节轴承的连接螺纹孔为M616，故在此设计铝棒的直径为6mm，长度根据2.6节可知，铝棒和关节轴承配合后的有效工作长度为200mm，根据已确定的数据用SolidWorks设计的从动臂如图2.24，长度为172mm，测的其质量为13.13g。由于移动平台的总质量不高而铝合金强度比较大，故这里不对铝合金做有限元分析。图2.24 从动臂2.9 传动机构配件的选择及其固定结构的设计2.9.1传动形式的设计由于喷头的移动过程需要很平稳，并且需要能有很小的移动量，且本设计中需要将电机的旋转运动变成直线运动。故这里采用丝杆，利用步进电机带动滚丝杆转动，进而带动从动臂上下移动。而每根滚珠丝杆两边加直线轴承与光轴起到导向作用10。2.9.2 丝杆的选择由于喷头的移动过程需要很平稳，并且需要能有很小的移动量，且本设计中需要将电机的旋转运动变成直线运动，故丝杆是一个符合上述条件的选择，因为丝杆是将回转运动转化为直线运动的理想的产品。其作用原理为：当丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。而现在的丝杆主要有两大类：滑动丝杆与滚珠丝杆。其中滚珠丝杆的优势有：1、滑动丝杠副和驱动力相比1/3由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。2、高精度的保证滚珠丝杠副是一般是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加与预压,由于预压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。由于上述的优点，所以这里采用滚珠丝杆作为传动件。滚珠丝杆的选择参数主要有公称直径还有导程。由于公称直径在本设计中不重要，故暂定为5mm。而导程，考虑到精度问题，这里选择导程为1mm。根据2.6确定的参数可知，要满足打印高度为300mm，由于还要考虑从动臂的长度，则至少需要丝杆的长度为300+200=500mm。另外丝杆还需要固定，需要考虑后续的设计，故在此暂不定丝杆的长度。2.9.3 支撑与导向机构的设计由于整个打印机的上下平台需要支撑件固定，移动平台也是通过从动杆固定在支撑件上。而且，从动杆组成的平行四边形机构要求不能有转动自由度。故此处不能用滚珠丝杆作为支撑件，一、过大的作用力会使其变形，影响工作精度；二、滚珠丝杆有转动的自由度，不能满足从动机构的要求。所以这里需要在滚珠丝杆附近设计支撑与导向机构。由于此处是直线往复运动，故首选为直线轴承，配合直线光轴进行