Delta型3D打印机结构设计

目录毕业设计论文任务书IDELTA型3D打印机结构设计开题报告III毕业论文设计指导教师审查意见X毕业论文设计评阅教师评语毕业论文设计答辩记录及成绩评定中文摘要1英文摘要2第一章绪论311前言312选题背景313国内外现状3第二章方案论证8第三章结构设计1031工作原理10323D打印机整体尺寸计算1233ROSTOCK运动机构设计1334传动方案设计1435挤出装置设计1736电机的选择1837传感器的选择20第四章运动学仿真2341DELTA型3D打印机结构设计的相关技术指标2442三维模型预处理2443数学建模2444打印机工作空间的验证2745运动精度的验证2846步进电机步距角和同步带节距的验证2847喷嘴最大移动速度的验证2948步进电机额定扭矩的验证2949小结32参考文献34致谢37I毕业设计论文任务书1毕业设计论文题目DELTA型3D打印机结构设计2毕业设计（论文）起止时间2015年3月12日2015年6月5日3毕业设计论文所需资料及原始数据（指导教师选定部分）毕业设计所需资料1三维打印机ZPRINTER310系统Z向升降台的结构设计23D打印机设计的初步分析3冯李航,张为公,龚宗洋,林国余,梁大开DELTA系列并联机器人研究进展与现状J机器人,2014,033753844李艳杰DELTA型并联机构优化设计技术研究D东北大学,20125郭新宇3自由度DELTA并联机构的特性分析与运动仿真D河北工程大学,20136黄海忠DELTA并联机器人结构参数优化与运动控制研究D哈尔滨工业大学,2013原始数据3D打印机相关参数成形尺寸直径、高MM直径200、高300运动精度（MM）02最大移动速度（MM/S）60耗材直径（MM）175打印材料ABS塑料4毕业设计论文应完成的主要内容1查阅参考文献2撰写开题报告II3三臂并联结构设计与计算4打印机其他部件设计5三臂并联结构运动仿真分析6撰写毕业设计论文5毕业设计论文的目标及具体要求正文字数不少于12万字或12万字篇幅的内容毕业设计论文阅读与研究课题有关的有代表性的参考文献资料15篇以上绘图要求（1）DELTA型结构总图1张（2）零件图4张6、完成毕业设计论文所需的条件及上机时数要求完成该毕业设计要求学生具有较强的设计、计算能力，并需自学SOLIDWORKS、ADAMS等工程软件。需上机120学时任务书批准日期2015年3月7日教研室系主任签字任务书下达日期2015年3月10日指导教师签字完成任务日期年月日学生（签名）IIIDELTA型3D打印机结构设计开题报告1题目来源生产/社会实际2目的和意义快速成形技术或快速原型技术（RAPIDPROTOTYPINGMANUFACTURING，RPM）一般统称为3D打印技术，是近年来制造领域的一个重大成果，该技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种先进的制造技术。RPM技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型，或直接制造零件目前，3D打印技术已经广泛应用于航天、航海、国防、医疗、建筑等各个领域。本文设计了一款DELTA型3D打印机即基于三臂并联结构的桌面微型3D打印机。把工业用的并联机械手搬到普通家庭的桌面上，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3D打印机。我们有时候想制作出一些模型来观察和实验，不需要很高的精度，只是需要速度。我们使用DELTA型并联机械手臂来实现3D打印，能保证一定的精度和速度，如果能制作出这样的3D的打印机，很多工程师都可以将自己的设计打印出来。3阅读的主要参考文献及资料名称1栗洋三自由度并联机构的运动分析及其仿真D北京邮电大学,20072王建亮新型三自由度可控机构创新设计D广西大学,20133黄海忠DELTA并联机器人结构参数优化与运动控制研究D哈尔滨工业大学,20134王海东并联机器人机构构型与性能分析D燕山大学,20015施建连杆驱动式9自由度3指灵巧手的结构设计与性能研究D燕山大学,20036金振林新型六自由度正交并联机器人设计理论与应用技术研究D燕山大学,20027郜峰3DOF平动正交并联机器人的性能分析与研究D燕山大学,2010IV8周兵,杨汝清3自由度平动并联机构结构参数的优化J机械设计与研究,2002,0525279张利敏,梅江平,赵学满,黄田DELTA机械手动力尺度综合J机械工程学报,2010,031710冯李航,张为公,龚宗洋,林国余,梁大开DELTA系列并联机器人研究进展与现状J机器人,2014,0337538411黄秀琴新型并联机器人机构结构特性及运动学研究D西安理工大学,200512王朋新型六自由度并联机器人工作空间研究D西安建筑科技大学,200613冯志友,李永刚,张策,杨廷力并联机器人机构运动与动力分析研究现状及展望J中国机械工程,2006,0997998414汪劲松,关立文,王立平,李铁民并联机器人机构构型创新设计研究J机械工程学报,2004,1171215吴生富,王洪波,黄真并联机器人工作空间的研究J机器人,1991,03333916刘善增,余跃庆,佀国宁,杨建新,苏丽颖3自由度并联机器人的运动学与动力学分析J机械工程学报,2009,08111717侯国柱关节型机器人的结构设计及其运动学分析D内蒙古工业大学,200718梁香宁DELTA机器人运动学建模及仿真D太原理工大学,200819王攀峰,梅江平,黄田高速并联机械手抓放操作时间最优轨迹规划J天津大学学报,2007,101139114520梁香宁,牛志刚三自由度DELTA并联机器人运动学分析及工作空间求解J太原理工大学学报,2008,01939621李艳杰DELTA型并联机构优化设计技术研究D东北大学,201222郭新宇3自由度DELTA并联机构的特性分析与运动仿真D河北工程大学,201323刘海波基于DELTA机构的高速并联装箱机器人D山东大学,201424李耀斌三自由度并联机器人运动学分析D天津理工大学,201025许敏改进的DELTA型并联机器人机构运动性能研究D东北大学,200826潘芳伟新型六自由度并联机器人运动学仿真D西安建筑科技大学,200727赵杰,朱延河,蔡鹤皋DELTA型并联机器人运动学正解几何解法J哈尔滨工业大学学报,2003,012527V28杭州铭展网络科技有限公司一种便携移动式小型3D打印机PCN2014201495651201491029AKSHMAKOV,EIUNAGAEV,IVKOLMOGORTSEV,SAOSIPOV,VVKOTOVCOMPUTERMODELING,VOLUMEPROTOTYPING,ANDNONCONTACTOPTICALSCANNINGINANINTEGRATEDTECHNOLOGYFORPREPRODUCTIONCASTINGTRIALUSEJMETALLURGIST,2014,58560030ALAINCOLOUREY,DYNAMIEMODELINGANDMASSMATRIXEVALUATIONOFTHEDELTAPARALLELROBOTFORAXESDECOUPLINGCONTROLCI,PROEIROS19961211121831AKOSINSKA,MGALICKI,KKED,DESIGNANDOPTIMIZATIONOFPARAMETERSOFDEIJA4PARALLELMANIPULATORFORAGIVENWORKPLACE,JROBOTSYST2003,20953954832FIEHEREF,ASTEWARTPLARFORMBASEDMANIPULATORGENERALTHEORYANDPRAETIEALCONSTRUETION,INTJOFROBOTRES198615718233MERLETJP,CSURFAEEAPPLIEDTOTHEDESIGNOFANHYBRIDFOREEPOSITIONROBOTCONTROLLER,INRIARESEAREHREPORT,19871055105934FIEHEREF,ASTEWARTPLARFORMBASEDMANIPULATORGENERALTHEORYANDPRAETIEALCONSTRUETION,INTJOFROBOTRES,198615718235MERLETJP,CSURFAEEAPPLIEDTOTHEDESIGNOFANHYBRIDFOREEPOSITIONROBOTCONTROLLER,INRIARESEAREHREPORT,198710551059JINSONG19,XINJUNLIU,ANALYSISOFANOVELEYLINDRIEAL3DOFPARALLELROBOTJ,ROBOTIESANDAUTONOMOUSSYSTEMS,2003,42313536GRAEEKW,COLGATEJE,A6DOFMIEROMANIPULATORFOROPHTHALMIESURGERY,IEEECONFROT第78周用SOLIDWORK和ADAMS对三臂并联结构进行仿真，以便对其运动学进行分析并检验设计参数的正确性和准确性。第910周AUTOCAD绘制零件图和装配图。第1112周编写和整理毕业设计论文并准备毕业答辩。8指导教师审查意见X毕业论文设计指导教师审查意见学生姓名专业班级毕业论文设计题目指导教师职称评审日期评审参考内容毕业论文设计的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文设计是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见指导教师签名评定成绩（百分制）_分毕业论文设计评阅教师评语学生姓名专业班级毕业论文设计题目评阅教师职称阅日期评阅参考内容毕业论文设计的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文设计是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语评阅教师签名评定成绩（百分制）_分毕业论文设计答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业论文设计题目答辩时间时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长成员二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）_分毕业论文设计最终成绩评定依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文设计评分的相关规定等级五级制_答辩小组组长签名秘书签名年月日院系答辩委员会主任签名院系盖章摘要第1页（共37页）DELTA型3D打印机结构设计学生指导老师摘要本论文根据相应的指标、参数在满足标准化型材的前提下对DELTA型3D打印机进行机械结构设计DELTA型运动机构的设计与计算、同步带运动系统的选取与寿命计算、步进电机的选取与计算、传感器的选取。为了检验所设计的打印机能否满足所给定的参数要求，对打印机做运动学仿真1。仿真的内容分为两个部分打印机的Z轴运动仿真和打印机的三轴联动仿真。打印机的Z轴运动仿真是让一个步进电机运动，写入驱动函数23（STEP函数）对步进电机进行控制。仿真后得到步进电机的步距角与同步带的位移间的对应关系，再结合所建的数学模型便可验证所设计的打印机是否满足工作范围、运动精度的要求。对三个电机分别写入驱动函数进行仿真便可得到打印机喷头运动的最大速度与三个同步带运动的速度，进而便可验证打印机的运动速度是否满足要求。三个同步带的运动速度可看出打印机整体运动的平稳性。由仿真所得到的数据计算得出步进带动负载运动所需要的扭矩进而验证所选步进电机是否满足要求。关键词DELTA型3D打印机结构设计运动学仿真参数验DELTA型3D打印机结构设计第2页（共37页）DELTATYPE3DPRINTERSTRUCTURALDESIGNSTUDENTINSTRUCTORABSTRACTINTHISPAPER,ACCORDINGTOTHECORRESPONDINGINDEX,PARAMETERPROFILESTOMEETSTANDARDIZATIONPREMISEDELTATYPE3DPRINTERSMECHANICALSTRUCTUREDESIGNDESIGNANDCALCULATIONOFDELTATYPEMOVEMENTMECHANISM,SELECTIONBELTMOVEMENTSYSTEMSANDLIFETIMECALCULATIONOFTHEM,SELECTIONSTEPPERMOTORSANDCALCULATIONOFITSCORRESPONDINGPARAMETERS,SELECTTHESENSORTOTESTWHETHERTHEPRINTERDESIGNEDCANMEETTHEGIVENPARAMETERSREQUIREDFORTHEPRINTER,KINEMATICSSIMULATIONAREDONESSIMULATIONCONTENTISDIVIDEDINTOTWOPORTIONSZAXISMOTIONEMULATIONANDPRINTEREMULATIONTRIAXIALLINKAGEEMULATIONZAXISMOTIONEMULATIONONLYREQUIREASTEPPERMOTORWORK,INPUTDRIVINGFUNCTIONSTEPFUNCTIONOFTHESTEPPERMOTORCONTROLAFTERSIMULATING,MEASURINGCORRESPONDINGRELATIONSHIPBETWEENTHEDISPLACEMENTOFTHEBELTANDSTEPPERMOTORSTEPANGLE,THENCOMBININGWITHTHEMATHEMATICALMODELWHICHISBUILTTOVERIFYIFTHEPRINTERWHICHISDESIGNEDCANMEETTHESCOPEOFWORK,MOVEMENTPRECISIONTHREEMOTORDRIVINGFUNCTIONSAREWRITTENTOSIMULATETHESPEEDOFTHEMAXIMUMSPEEDOFTHEPRINTERANDTHREENOZZLEBELT,THENYOUCANVERIFYWHETHERTHEMOVEMENTSPEEDOFTHEPRINTERMEETSTHEGIVENREQUIREMENTSACCORDINGTOTHETHREEBELTWORKINGSPEEDCANJUDETHEMOVEMENTOFTHEOVERALLPRINTERSMOOTHBYDATAFROMTHESIMULATIONRESULTSCANCALCULATETORQUETHATSTEPPERMOTIONNEEDTODRIVETHELOADANDTHENVERIFYWHETHERTHESELECTINGSTEPPERMOTORMEETSTHEGIVENREQUIREMENTSFROMPAPERKEYWORDSDELTATYPE3DPRINTERSTRUCTURALDESIGNKINEMATICSSIMULATIONPARAMETERVALIDATION绪论第3页（共37页）DELTA型3D打印机结构设计第一章绪论11前言快速成形技术或快速原型技术2123（RAPIDPROTOTYPINGMANUFACTURING，RPM）一般统称为3D打印技术，是近年来制造领域的一个重大成果，该技术诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种先进的制造技术。RPM技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型，或直接制造零件。目前，3D打印技术已经广泛应用于航天、航海、国防、医疗、建筑等各个领域。3D打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的新型制造技术26。3D打印机则出现在上世纪90年代中期，即一种利用光固化和逐层叠加等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。就目前来说，3D打印机在国内外是一个比较新的领域，具有巨大的市场潜力。3D打印带来了世界性制造业革命，3D打印机可以不像传统的生产要依赖生产的工艺性，3D打印机的最突出的优点是只要你设计出相应的产品模型，就可以打印出你想要的东西。3D打印机不需要任何机械加工工具，可以节省大量物人力、物力。DELTA型3D打印机28作为3D打印机的一个重要分支，它以价格低、占地面积极少、实用等优点在现实生活中应用的越来越广泛。DELTA型3D打印机在制造业、工业设计、医疗领域、航空航天领域、产品模型、建筑设计、科学研究、食品科学领域都有应用。DELTA型3D打印机在这些领域的成长和普及说明DELTA型3D打印机的研究和制造是非常有实际意义的。普通二维打印机，它只能做X和Y方向的运动，只能在平面内运动，而3D打印机增加了Z轴的运动，可打印出来立体的实物。而喷头要精准稳定地做X、Y、Z方向的运动，它必须要有精确平稳的轨道承载，能否在这三个方向DELTA型3D打印机结构设计第4页（共37页）上自由地运动是我对其结构研究的重要部分，而DELTA型3D打印机要求的是在最小的空间里实现三个运动方向运动范围的最大化18。在本设计中主要使用了CAD、SOLIDWORKS、ADAMS等工程软件，用SOLIDWORKS三维建模、ADAMS运动仿真，CAD画出装配图和零件图，通过在指导老师和同学的帮助下完成对DELTA型3D打印机的结构设计。12选题背景121题目来源社会生产/实践122研究目的和意义这项技术将复杂的零件制造变为简单的由下至上的二维叠加，大大降低了设计与制造的复杂度，让一些传统方式无法加工的奇异结构制造变得快捷，一些复杂铸件的生产由传统的长达3个月缩短到10天。同时，对研发出的新产品，可快速根据图纸做出样品，大大缩短研发周期。DELTA型3D打印机作为3D打印机的一个重要分支，它以价格低、占地面积极少、实用等优点在现实生活中应用的越来越广泛。DELTA型3D打印机具有结构简单、安装维护方便、性价比高等特点。DELTA型3D打印机因其区别于其他类型的3D打印机的独特优势在实际生活中应用越来越广。DELTA机型是一种并联式运动结构的3D打印机，DELTA机型实际上是分为两大类，一种是工业上用的并联式机器人；另外一种是ROSTOCK的运动结构。本文设计了一款DELTA型3D打印机即基于三臂并联结构ROSTOCK运动机构的桌面微型3D打印机。把工业用的并联机械手搬到普通家庭的桌面上，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3D打印机。我们有时候想制作出一些模型来观察和实验，不需要很高的精度，只是需要速度。我们使用DELTA型并联机械手臂来实现3D打印，能保证一定的精度和速度，如果能制作出这样的3D的打印机，很多工程师都可以将自己的设计打印出来。通过对DELTA型3D打印机的深入研究，挖掘出其特有的优势使3D打印技术发挥越来越大的作用。13国内外现状131国内研究现状绪论第5页（共37页）自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势，其自主研发的3D打印机如图1所示。华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；其研究团队研发出了世界上最大的选择性激光烧结快速成形设备如图2所示。西安交通大学自主研制了三维打印机用喷头，并开发图1清华大学自主研发的3D打印机图2世界上最大的选择性激光烧结快速成形设备图3西安交通大学研发的3D激光打印机图4西北工业大学凝固技术国家点实验室研发的3D激光打印机DELTA型3D打印机结构设计第6页（共37页）了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到402MM，其研发团队研发的3D激光打印机如图3所示。中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，已经能够利用“3D打印”从事高性能致密金属零件的制造及修复，图4为其研发的3D打印机。北京航天航空大学、湖南大学等高校已经研发出了激光3D打印机用来打印钛合金等金属制品。但总体而言国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。我国已有部分技术处于世界先进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造，3D打印机打印的飞机模型图5所示。图53D打印机打印的飞机模型图63D打印机打印的义肢图73D打印机打印的建筑模型图83D打印机打印的艺术品生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑,3D打印机打印的义肢如图6所示。3D绪论第7页（共37页）打印在教育领域的发展也比较迅速模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在普通高校和军事院校，3D打印机已经被用于教学和科研。在建筑工程中3D打印也发挥着日益重要和作用，建筑设计师用3D打印出来的建筑模型进行风动试验和效果展示、建筑工程和施工（AEC）模拟，3D打印机打印的建筑模型如图7所示。在文化创意和数码娱乐中也少不了3D打印的身影打印出形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体，3D打印机打印的艺术品如图8所示。科幻类电影阿凡达运用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工艺的水平。近年来，国内企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立与国内重点高校合作。目前，依托高校研究成果，对3D打印设备进行产业化运作的公司实体主要有北京殷华（依托于清华大学）、陕西恒通智能机器（依托西安交通大学）、湖北滨湖机电（依托华中科技大学）。这些公司都已实现了一定程度的产业化，部分公司生产的便携式桌面3D打印机的价格已具备国际竞争力，成功进入欧美市场。国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。一些中小企业成为国外3D打印设备的代理商，经销全套打印设备、成型软件和特种材料。还有一些中小企业购买了国内外各类3D打印设备，专门为相关企业的研发、生产提供服务。其中，广东省工业设计中心、杭州先临快速成型技术有限公司等企业，设立了3D打印服务中心，发挥科技人才密集的优势，向国内外客户提供服务，取得了良好的经济效益。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。132国外研究现状经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在001MM的单层厚度上实现600DPI的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25MM厚度的垂直速率，并可实现24位色彩的彩色打印。目前，全球3D打印机行业，美国3DSYSTEMS和STRATASYS两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。DELTA型3D打印机结构设计第8页（共37页）此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的FABHOME和SHAPEWAYS、英国的REPRAP等公司。3DSYSTEMS公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。其于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者ZCORPORATION公司之后，3DSYSTEMS奠定了在3D打印领域的龙头地位。STRATASYS公司于2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议，生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购SOLIDSCAPE公司之后，STRATASYS又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商OBJET宣布合并。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。在国外，美国“太空制造公司”联手美国太空总署马歇尔航天中心已能为太空空间站提供空间站所需的各种金属装备和金属零部件。目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制零部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司QUIRKY通过在线征集用户的设计方案，以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出60种创新产品，年收入达到100万美元。第二章方案论证DELTA型3D打印机是一种含并联式运动机构的3D打印机，该并联式运动机构的作用是牵引喷头。为保证喷头有良好的运动轨迹和工作精度，该并联式运动机构要限制喷头在各个方向的转动自由度，从而使喷头在水平面内工作。基于以上要求，其运动机构有两种设计方案，一种是工业用并联机械手臂82425如图9所示,另外一种是ROSTOCK运动结构2829如图10所示。方案一工业用并联机械手臂的结构如图9所示，机架的三条边通过完全相同的运动链分别连接到动平台上，每个运动链中有一个由四个胡克铰和杆件组成的平行四边形闭环，此闭环与主动臂相连，驱动杆与机架间通过转动副连接。三组平行四边形的应用使动平台始终保持水平，消除了动平台的转动自由度从而保留了空间的平动自由度。由空间机构学理论可知由空间机构学理论可知对于一般的空间机构，其自由度数目F均可利用KUTZBACHGRUBLER公式15计算获得方案论证第9页（共37页）图9工业用并联机械手臂；161GIFNGFI（1）N运动杆数目G运动副数IF运动副I具有的自由度数在该空间机构中转动副有1个自由度，胡克铰有2个自由度，所以N8,G9,15115IIF,将以上数据代入公式（11）得1616891153GIFNGFI（2）由本并联机械臂连接副的关系可知，每条支链约束动平台两个转动自由度，任意两个支链就可限制三个转动自由度，所以本结构形式的并联机器人共有三个平动自由度，分别为沿XYZ向的平移自由度,因此可以用在3D打印机上。方案二含ROSTOCK运动机构如图2所示，由图可知该机构由三个平行四边形闭环组成，通过平行四边形闭环把立柱和动平台连接起来。与工业用并联机械手臂相似，三个平行四边形闭环也消除了该机构的3个转动自由度，该机构也有3个平动自由度，因此可以用在上3D打印机上。DELTA型3D打印机结构设计第10页（共37页）图10含ROSTOCK运动机构表1方案比较结构控制复杂程度喷头运动平稳性功能实现难易程度商业化程度方案一复杂较难差较难几乎没有方案二简单较易好较易较成熟方案选择由上表可知，综合考虑两个方案的各个方面，本设计选择方案二。第三章结构设计31工作原理结构设计第11页（共37页）含ROSTOCK运动机构的DELTA型3D打印机的实物如图11所示，3D打印机的整体框架是一个由直径12MM的不锈钢搭建的正三棱柱，三棱柱的三根侧棱为滑轨，依靠不锈钢侧棱的加工精度保证滑轨的垂直度与刚度。导轨的上方安装有三台步进电机如图12所示，步进电机通过其轴上的同步带轮带动滑块上的同步带运动，从而将电机轴的旋转运动转变为滑块的直线运动，并带动滑块在导轨上上下行进如图13所示。滑块依靠连杆与打印机喷头相连，当滑块上下运动时，依靠连杆的刚度完成对喷头的牵引，实现对打印头位置的控制。打印所需的原料通过一根聚乙烯管从打印机的上方送入，送入条料所需的动力由一个步进电机提供。工作平面位于打印机的底层，图11含ROSTOCK运动机构的DELTA型3D打印机的实物图图12步进电机的安装位置DELTA型3D打印机结构设计第12页（共37页）打印机整体采用开放框架，方便打印机平台的调平以及打印机的扩展和维护。辅助系统和检测系统直接安装在打印机的框架之上实现对打印过程的在线监测。图13同步带的传动323D打印机整体尺寸计算原始成形尺寸直径200MM，高度300MM。整体尺寸计算模型图如图14所示，等边JHG为圆P的外切圆，其中|PQ|PK|PL|100MM,GKHJ,HLGJ,JQGH,由几何学知识得HG|GJHJ2HK2|PK|0TAN6034641MM，所以正三棱柱底边边长的最小值为34641MM。考虑到零件结构和安装以及任务书的要求，正三棱柱的底边边长取400MM，高度值取800MM。图14整体尺寸计算模型图结构设计第13页（共37页）33ROSTOCK运动机构设计331确定连杆长度最值ROSTOCK运动机构中的6根连杆长度是相同的。下面要确定连杆的最小长度值。保持打印机的正三棱柱的外形尺寸不变，当ROSTOCK运动机构中的6根杆共面时其处于极限位置，连杆的长度取得最值,此时ROSTOCK运动机构的简化模型如图。图15连杆取最小值时ROSTOCK运动机构的简化模型由工作原理可知，ABC为等边三角形，,|AB|AC|BC|400MM,CFAB,ADBC,BEAC,由等边三角形的三线合一性质可知，点O为ABC的中心。所以|AO|BO|CO|23|AD|23|AB|SIN60O067X400XSIN60O23094MM所以连杆即直径为6的不锈钢杆长度的最小值为23094MM。保持打印机的正三棱柱的外形尺寸不变，当滑块位于正三棱柱的最高处，喷头位于打印机底座平面时其处于另一极限位置，连杆的长度取得最大值，此时ROSTOCK运动机构的简化模型如图6所示。图16连杆取最大值时ROSTOCK运动机构的简化模型结构设计第14页（共37页）其中B800MM,A23094MM,由勾股定理得2222800230948326788CABMM所以连杆即6的不锈钢杆长度的最大值为83267MM综上可得，连杆长度L的取值范围为23094MML83267MM，考虑打印机的结构和安装，取直径为6MM的不锈钢杆的长度为了300MM332连杆的强度校核由图2可知，含ROSTOCK运动机构的DELTA型3D打印机中除连杆外各个部件所承受的载荷均很小，所选用的材料的强度均满足要求；而连杆由于在运动过程中可能会受到一定程度的拉伸，所以要校核连杆的强度。连杆选用直径为6MM的304不锈钢杆。打印机在工作过程中连杆和喷头的质量（约束300G）均很小，它们对连杆的强度影响可以忽略不计，而连杆两端所受拉力大小相差不大，故连杆可等效为二力杆，此二力杆两端所受力大小为10N（相当于10KG的力）。由材料力学29的中的轴向拉伸与压缩的强度计算公式得2/4BFD3代入数据得2/410/314660354BFDMPA4经查机械设计手册得304不锈钢的抗拉刚度520BMPA，所以所选直径为6MM的304不锈钢丝杆满足要求。34传动方案设计341传动方案选择由打印机的整体尺寸和工作原理可知，该处的传动属于远距离直线传动，可选用的传动方案有螺杆传动和皮带传动，两种传动的优缺点比较如表2所示。结构设计第15页（共37页）表2螺杆传动与皮带传动的比较过载保护能力结构工作速度传动效率制造安装精度缓冲吸振能力螺杆传动无复杂较低较低较高无皮带传动较好简单较高较高较低较好综合考虑3D打印机的各个方面情况，本设计中的传动方案选择皮带传动。皮带传动分为普通V带传动和同步带传动，两种传动的比较如表3所示。表3V带与同步带的比较项目方案相对滑动传动效率节能效果结构工作环境要求外廓尺寸V带有低差复杂较高较大同步带无高好简单较低较小传动的平稳性和精准性对于保证打印机的工作精度和速度是至关重要的，从表2可知，同步带与V带相比传动更加平稳和准确，因此本设计选用同步带传动，由机械设计手册选取MXL型同步带和MXL型同步带轮。342同步带寿命估算本次设计的传动方案选择同步带传动，从本打印机的整体设计考虑，同步带是打印机中最易损坏零件，同步带的工作寿命决定了整台打印机的工件时间，所以有必要计算下同步带的工件寿命23。同步带的寿命与许多因素有关，主要的因素是同步DELTA型3D打印机结构设计第16页（共37页）带材料的强度和耐磨性、带齿和带轮齿的几何特性、应力循环特性和带所传递的最大工作载荷。但就其运转条件下的失效情况而言,表征同步带寿命的主要是同步带的疲劳破坏和齿面磨损,而最重要的运转指标是疲劳寿命。按照ANDERUS提出的取决于承载或变形速度的裂纹扩展速度的理论可知,在重复变形的工作条件下,对传动比I1的同步带传动,其带体的疲劳裂纹扩展可用下述方程描述即TODLQTDTDN（5）L裂纹沿可能扩展路线上的剩余长度N同步带的挠转次数Q取决于温度的常数,由实验确定刀常数,对氯丁橡胶的同步带可近似取4T同步带每绕转一次所需的时间T单位面积上的特征能,即裂纹扩展时单位面积上所逸散的变形能,TK/WK常数,它与变形大小有关,为变形的函数,一般可取KW橡胶试件的变形能量密度,亦应由实验确定由（1）式可得到（2）式DLQKLWTDN（6）对上式积分得1101111QKWTNLL式中0L已出现的裂纹或缺陷长度由于断裂时的L0L，故由式6可求出带断裂时所经历的挠转次数即疲劳寿命FN为1101FNQKWLT（7）在使用上式时,应该注意Q和附值是与温度有关的,必须通过实验确定。由于同步带工作时,基体内的温度分布很难精确确定,所以Q和附值仅是概略值。守值的物理意义实结构设计第17页（共37页）质是在反复变形时将由于内部损耗而生热,导致基体内部温度升高,从而影响疲劳寿命,而且生成热量的大小与承载频率和应力或变形的幅值有关。根据同步带的工作特点,其疲劳寿特征能对DL/DT变化率的影响,它可根据W111AIM一LANDEL一FERRY方程,通过实验确定T与DL/DT的关系,从而得出Q值。在室温条件下由（6）式知292410/QCMSERGCM，而充填橡胶的能量密度63510/WERGCM，当传动功率为05KW,转速为600R/MIN时，对于MXL型带，齿数Z30,I1的传动，每次转一次的时间T6S,0L1MM代入（4）式得1091410FNRR35挤出机构设计351挤出机挤出装置由挤出机和挤出喷头组成30，送料装置负责条料的送给。3D打印机的挤出机主要有直接挤丝、齿轮挤丝、液体挤出三种类型。本设计的挤出装置的设计主要考虑以下两个方面一方面为了提高打印机的工作精度，应可能减轻喷头的重量，需要将挤出机装于3D打印机的顶部，故属于远程挤丝。另一方面本设计所选用的打印原料为熔点在170左右的环保高分子材料ABS，故基于以上两个方面的考虑在本设计中选择齿轮的方案，挤出机有以下三种设计方案（1）通过电机带动齿轮，齿轮与相连接，通过电机带动螺杆转动从而控制材料的进退。此结构装置比较复杂，而且螺杆上会有颗粒状材料残留。（2）采用输出轴为圆柱形步进电机，用小螺栓将送丝轮固定在输出轴上，用一个装有滚轴的装置来挤压打印材料，使材料夹在送丝轮和滚轴之间，使打印材料两侧受到受到压力产生浅凹槽，迫使材料在电机带动下前进或倒退。这种装置的的好处在于对于步进电机的电流和参数要求并不是太高，同时由于采用齿轮减速加力，因此挤丝力会较好。缺点就是这种装置的结构复杂程度较高，维护起来有点麻烦。（3）通过步进电机的输出轴带动一软轴，用软轴控制两边齿轮，用一对齿轮夹紧打印材料，可完成打印材料的前进和倒退。但此结构装置较复杂，成本较高且只能对应一种直径的打印材料，更换其他直径的打印材料就必须重新设计一个软轴。DELTA型3D打印机结构设计第18页（共37页）从结构和实用两个方面考虑，本设计选用第二种设计方案。本方案的实物图如图17所示，送料机构由齿轮、轴承、步进电机组成。送料装置原理图如图18所示。采用送料齿轮轮和轴承相互配合，依靠轮齿的抓紧力钳住条料向前动作，从而达到条料的图17挤出装置实物图图18送料装置原理图进给。送料轮齿为主动轮，负责提供条料进给所需的动力，轴承起定位的作用，同时可以有效减小条料的进给阻力。轴承与送料齿轮之间的间隙略小于条料的直径，因此条料进入轴承与送料齿轮之间的缝隙时会受到两轮的挤压而产生摩擦力，使之沿图结构设计第19页（共37页）18箭头所示方向运动，可以利用其自身的弹性力确保送料齿轮有一定的抓紧力，保证条料不发生回抽，送料的精确性可通过对步进角度的控制得到保证。要做到条料送进不失步，步进电机需要提供足够的扭矩。图19挤出喷嘴原理图352挤出喷头喷出技术采用熔融沉积成型技术6，成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点（1熔丝功能与料丝送进功能将送进的固态料丝及时充分地熔化成为熔融状态并从喷嘴挤出（2流道功能为熔融态材料提供稳定流动的通道（3定径功能对挤出熔融态物料进行定径,变为满足要求的细小直径的丝材进行堆积（4出丝速度匹配与出丝起停控制功能出丝速度可控,可以根据扫描速度进行调整,实现速度互相匹配。出丝应能根据路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型路径,尤其是在路径起始和停止处。挤出喷头将挤出机送来的打印条料采用电阻式加热融化后，由挤出喷嘴挤出。挤出喷头装置主要由进料管、加热管、散热片、喷嘴、散热风扇、监测装置组成。挤出喷头的原理如图19所示。由送料装置送进的条料经过进料管进入加热管，在加热管内迅速加热至180左右使其完全熔化。当后续的条料进入加热管后，借助未熔丝材DELTA型3D打印机结构设计第20页（共37页）的活塞作用将熔融材料挤出喷嘴,挤出的条料在打印床上冷却固化形成打印件。在挤出装置的前端，如果条料过早地融化，会因条料的热膨胀产生的逆向压力将液态的条料挤出到冷端凝固，引起进料管的堵塞。为防止这种情况的发生，在进料管上加装散热片和散热风扇对进料管进行冷却降温。进料管为贯穿整个挤出装置，上端接入软管插头，下端与喷嘴相连。进料管的上半部分被数根散热片包裹，下半部分被加热管包裹。在挤出机构中喷嘴是比较重要的部件，因为打印产品的表面质量取决于喷嘴。考虑到DELTA型3D打印机的机械轴负载能力较弱以及为了提高打印精度，本设计选取重量较轻的JHEAD型喷嘴，该喷嘴的实物图如图20所示。图20JHEAD型喷嘴36电机的选择电机控制系统按照运动过程的需要分为驱动伺服和驱动步进两大类，它们优缺点的比较如表4所示综合考虑控制要求、成本要求以及3D打印机的实际工作要求，3D印机的电机选择步进电机其作用是为滑块提供动力，即通过带动同步带使滑块在导轨上做直线运动。选择步进电机需要考虑的因素有（1）最小转速要使打印喷头的最大移动速度达到60MM/S，步进电机的最小转速应达到250R/MIN。（2）额定扭矩3D打印机中电机的扭矩涉及两个方面第一方面，滑块运动时在自身重力和连杆压力的结构设计第21页（共37页）作用下，最大阻力为02N电机轴的输出力要克服阻力从而带动同步带运动；第二方面，在行进停止时步进电机可以保持的最大静扭矩要有效防止滑块在自身重力作用下表4伺服电机与步进电机的比较伺服电机步进电机控制类型闭环控制开环控制控制精度带17位编码器的电机而言驱动器每接收器131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为0360/131072000027466,是步距为018步进电机脉冲当量的1/655。两相混合式步进电机的步距角一般为018、009，两相混合式步进电机的步距角一般为0072、0036。低频特性交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。步进电机在低速时易出现低频振动现象。频率特性交流伺服电机为恒力矩输出，其额定转速一般为2000R/MIN3000R/MIN在该范围内电机都能输出额定扭矩，在额定转速以上为恒功率输出。步进电机输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般为300R/MIN600R/MIN。DELTA型3D打印机结构设计第22页（共37页）沿滑轨下滑；第三方面，为保证挤出机要送料不失步，步进电机需要提供足够的扭矩。通过拉力测定，条料在送进的过程中，步进电机的扭矩需保持在05NM左右。基于以上三个方面的考虑，查机械设计手册选42HB48174型步进电机，其部分参数如下表542HB48174型步进电机的部分参数额定扭矩保持扭矩步距角步距精度027NM040NM0185表6接触式和非接触传感器比较结构设计第23页（共37页）37传感器的选择本3D打印机中的传感器包括温度传感器和机械位置传感器。371温度传感器温度传感器按工作原理分为接触式和非接触式，它们的比较如表7所示。由上表分析，接触式温度传感器的特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，并且接触式测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，并且可以方便地组成多路集中测量与控制系统；非接触时的对于1000摄氏度以下误差较大，故采用接触式的温度传感器。其中，热敏电阻的镍的有效温度测量范围在150300，精度在0205之间，标准化程度高，精度及灵敏度均较好，对于本设计来讲镍更加表7压力传感器的分类传感器类型特点弹簧管压力计压力作用下弹簧管变形相对较小，一般用于测量较大压力场合。为提高灵敏度可采用多圈弹簧，其结构简单、使用方便、价格低廉，测压范围宽，精度可达01。压电式压力传感器利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。其体积小、结构简单、工作可靠。测量范围宽，可测100MPA以下的大力，测量精度高，频率响应高，可达30KHZ。膜式压力计有膜片压力计和膜盒压力计两种。前者用于测量腐蚀性人质，后者用于测量气体微压和负压。DELTA型3D打印机结构设计第24页（共37页）适合作为温度传感器。372机械位置传感器机械位置传感器选用压力传感器，它用于检测喷头的三原色颜料用量和粘剂的用量，还有打印原料当前使用情况检测。但物量不够的时候，反馈并提醒用户加入颜料、粘剂或原料。综合考虑各个方面因素，选用电位器来做测量，且能达到比较高的精度。第四章运动学仿真41DELTA型3D打印机结构设计的相关技术指标运动学仿真的目的在于验证所设计的打印机的结构是否满足任务书给定的运动学相关技术指标。任务书给定的相关技术指标有（1）打印机的工作区域直径200MM,高300MM的圆柱体；（2）喷嘴的运动精度02MM，打印厚度02MM；（3）喷嘴运动的最大速度60MM/S。42三维模型预处理在SOLIDWORKS中建好三维模型后将其导入ADAMS中进行运动学仿真，为了便于仿真应对模型进行预处理。为方便在ADAMS中对模型进行处理应在SOLIDWORKS中将三维模型进行结构简化即去掉与运动无关的零部件。另外，为保证三维模型在SOLIDWORKS和ADAMS中所处的坐标系一致以便于处理，在SOLIDWORKS应将模型的坐标原点与系统的坐标原点重合。SOLIDWORKS中处理好的三维模型如图21所示。将简化后的模型导入ADAMS中后要再次进行处理