并聯(lián)機(jī)械手式三維打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書并聯(lián)機(jī)械手式三維打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)班級機(jī)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(jì)（論文）評語： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）總評成績： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯小組負(fù)責(zé)人簽字： 年 月 日摘要三維打印技術(shù)是集機(jī)械、自動控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料學(xué)等為一體的先進(jìn)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(diǎn)，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(jī)器人的機(jī)構(gòu)原理和特點(diǎn)，還有它的發(fā)展國內(nèi)外發(fā)展情況。然后通過選題背景及設(shè)計(jì)目的引出如今三維打印機(jī)

2、存在的問題，比如成型精度和速度等。本文是對并聯(lián)機(jī)械手式三維打印的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。著重于機(jī)械手的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，簡單性地說明打印機(jī)的整體設(shè)計(jì)。在機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，需要建立運(yùn)動學(xué)模型。對于機(jī)器人的控制系統(tǒng)來說，運(yùn)動學(xué)正解和運(yùn)動學(xué)反解都是不可避免的。還有一個重要點(diǎn)是并聯(lián)機(jī)器人的尺度綜合。尺度綜合是并聯(lián)機(jī)械手設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，速度、精度、剛度、工作空間是評價(jià)并聯(lián)機(jī)械手系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。 機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，因?yàn)槭腔诓⒙?lián)機(jī)械手的三維打印機(jī)，還需要討論三維打印機(jī)的整體設(shè)計(jì)，這也是為了能將并聯(lián)機(jī)械手和三維打印機(jī)很好地結(jié)合為一體。對于部分結(jié)構(gòu)，本文會予以重點(diǎn)討論。關(guān)鍵詞：三維打印技術(shù)，并聯(lián)機(jī)械手，運(yùn)動學(xué)模

3、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 printing technolog

4、y 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

5、 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 kinem

6、atics 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

7、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 stru

8、cture, 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(jī)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(jī)械手綜述4并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)4并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分類5并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用9

9、發(fā)展展望111.3選題背景及設(shè)計(jì)目的111.4選題背景及設(shè)計(jì)目的12第二章機(jī)械手的設(shè)計(jì)132.1 設(shè)計(jì)前分析132.2 Delta機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析132.3動平臺位置反解15坐標(biāo)系建立15位置反解分析162.4動平臺位置正解182.5機(jī)械手的工作空間182.6機(jī)械手的驅(qū)動部分20電機(jī)選型20扭力校驗(yàn)202.7機(jī)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(jī)其他部分的設(shè)計(jì)283.1 支架的設(shè)計(jì)283.2送料機(jī)構(gòu)293.3熱平臺固定303.4料架設(shè)計(jì)313.5噴頭清理設(shè)計(jì)323.6防護(hù)板設(shè)計(jì)323.7本章小結(jié)34結(jié)論35參考文

10、獻(xiàn)36附錄37致謝40第一章緒論1.1三維打印機(jī)概述三維打印機(jī)（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(jì)的一種神奇的打印機(jī)，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(jī)在過去通常又被稱為“快速成型機(jī)”，它是添加制造技術(shù)的一種形式。工作原理類似打印機(jī)的打印頭，不同點(diǎn)在于除了噴頭在做X-Y平面運(yùn)動外，工作臺還沿著Z軸方向進(jìn)行垂直運(yùn)動；并且噴頭噴出的材料不是油墨或打印機(jī)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它通過對電腦中三維軟件的識別，進(jìn)行STL格式（也是三角網(wǎng)

11、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(jìn)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(shí)體。簡單點(diǎn)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(jī)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(jī)再加個Z軸，一層疊一層地打印，最終形成我們所需的實(shí)體。 從它整個成像的過程來看，我們知道三維打印機(jī)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。其中成型材料和支撐材料就相當(dāng)于我們普通打印機(jī)的耗材，

12、也有的機(jī)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(jī)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(jī)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(jì)等多個行業(yè)，尤其是工業(yè)設(shè)計(jì)，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(jī)可以使用各種原料打印三維模型。使用三維鋪助設(shè)計(jì)軟件，工程師設(shè)計(jì)出一個模型或原型之后，無論設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行打印，打印的原料可以是有機(jī)或者無機(jī)的的材料

13、，例如橡膠、塑料、甚至是人體器官，不同的打印機(jī)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(jī)就是專門針對辦公室環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，無噪音，無有害氣體。在各個設(shè)計(jì)領(lǐng)域，使用三維打印機(jī)能夠輕松將電腦中的效果模型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物，更直觀的表達(dá)出設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念，便于交流和演示，同時切身體會該設(shè)計(jì)模型的手感，這是僅僅依靠計(jì)算機(jī)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(jī)。就拿Zcorp 510來說，該設(shè)備是由美國Z corporation

14、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(jì)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(jìn)行；超靜，無毒氣，無氣味，是非常適合圖1-1Zcorp 510三維打印機(jī)在辦公室環(huán)境中使用的快速成型機(jī)；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(jī)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(jī)適用電器、玩具、電子產(chǎn)品、模具、鞋業(yè)、教育、醫(yī)療、汽車、建筑、包裝等行業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品

15、開發(fā)，設(shè)計(jì)一驗(yàn)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(jī)的高級功能，14 小時制成金屬手板。直鑄法：在本機(jī)打印機(jī)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(jī)像電腦一樣應(yīng)用到我們普通消費(fèi)都的生活中，還存在一些具體的問題：1、打印速度問題 早期的三維打印機(jī)形成一套模具得花兩三天的時間，隨著打印技術(shù)的提高和成型材料的改進(jìn)，一般都用每分鐘打印多少層來計(jì)算其工作速度，像Dimension和ZP310Pl -us,每分鐘都可以達(dá)到兩三層的速度，形成一套模

16、具只需幾個小時。但這種速度也只適用于為了提高工作效率和質(zhì)量的相關(guān)企業(yè)，暫時無法被家庭用戶所接受。2、購買成本問題 目前不同三維打印機(jī)的報(bào)價(jià)相差很大，但依舊在幾萬到幾十萬人民幣內(nèi)，這個數(shù)字對家庭用戶來說，不如去買套房子。不過如今市面上已經(jīng)涌現(xiàn)出許多開源打印機(jī)，比如Reprap、Makerbot、Makergear系列等。其中Reprap中的Reprappro Huxley打印機(jī)是3D打印機(jī)的開源原型機(jī)，也就是現(xiàn)在很多開源打印機(jī)都是在它的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這些開源打印機(jī)價(jià)格就比較低點(diǎn)。Reprappro Huxley最大可打印體積為5.5x5.5x4.3英寸，其價(jià)格才599美元。圖1-2Repra

17、ppro Huxley開源三維打印機(jī)它的價(jià)格雖然不高，但是成型精度也不高，而且外形也比較簡陋，跟專業(yè)級別的三維打印機(jī)還是有些差距。相對來講，Makerbot系列的Replicator 2x型三維打印機(jī)性能和外觀就比較好點(diǎn)。其最大可打印尺寸為9.7x6x6.1英寸，分辨率為100微米。但其價(jià)格為2800美元。這款三維打印機(jī)型在開源打印機(jī)中已經(jīng)算是比較頂尖的了，其價(jià)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觀的物件，上面介紹的開源打印機(jī)不是你的首選。你需要的是專業(yè)級別的三維打印機(jī)，比如Zcorp、Object、Dimension系列。這些價(jià)格就比較昂貴，這些打印機(jī)設(shè)備比較齊全，而且功能

18、也相對較多，人機(jī)交互界面做得比較好，操作也挺方便，安全性較高。圖1-3Replicator 2x三維打印機(jī)如果你想打印出高精度及良好外觀的物件，上面介紹的開源打印機(jī)不是你的首選。你需要的是專業(yè)級別的三維打印機(jī)，比如Zcorp、Object、Dimension系列。這些價(jià)格就比較昂貴，這些打印機(jī)設(shè)備比較齊全，而且功能也相對較多，人機(jī)交互界面做得比較好，操作也挺方便，安全性較高。相關(guān)研究人員表示：“隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用的擴(kuò)展，專業(yè)級別三維打印機(jī)的價(jià)格有望跌到幾百英鎊?！睋Q句話說，在不久的將來，我們可以花幾千元人民幣來買一臺功能齊全而且精度又高的三維打印機(jī)，相比如今已經(jīng)很普遍的照片級噴墨打印機(jī)來說，

19、這個價(jià)格已經(jīng)不是很高了，我們還是可以接受的。3、成型材料問題如今人們提倡綠色環(huán)保，三維打印機(jī)的許多成型材料是采用化學(xué)聚合物，比如ABS、PLA等。在這里，我們不僅僅是擔(dān)心它的后期使用成本問題。因?yàn)槿绻屗谌胛覀兊募彝ド?，那么這種材料是否安全將是一個很重要的參考因素。比如我們想通過三維打印機(jī)制作一個個性化的杯子，但由于成型材料有毒性而不可食用等不利因素，使這個杯子只可遠(yuǎn)觀而不可褻玩焉，那就失去了它的意義。1.2并聯(lián)機(jī)械手綜述1.2.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Parallel Mechanism）是一種閉環(huán)機(jī)構(gòu),其動平臺或稱末端執(zhí)行器通過至少2個獨(dú)立的運(yùn)動鏈與機(jī)架相聯(lián)接。最早出現(xiàn)在1965&

20、#160;年，德國Stewart 發(fā)明了六自由度并聯(lián)機(jī)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(jī)構(gòu)學(xué)教授Hunt提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人手臂。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的必備的要素如下:末端執(zhí)行器必須具有運(yùn)動自由度;這種末端執(zhí)行器通過幾個相互關(guān)聯(lián)的運(yùn)動鏈或分支與機(jī)架相聯(lián)接;每個分支或運(yùn)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(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)

21、際應(yīng)用中更是有串聯(lián)機(jī)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢。其主要優(yōu)點(diǎn)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(jī)構(gòu)具有很高的承載強(qiáng)度。（2）動態(tài)性能優(yōu)越。運(yùn)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(jìn)給速度與加速度,適于高速數(shù)控作業(yè)。（3）運(yùn)動精度高。這是與傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比而言的,傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)的加工誤差是各個關(guān)節(jié)的誤差積累,而并聯(lián)機(jī)構(gòu)各個關(guān)節(jié)的誤差可以相互抵消、相互彌補(bǔ)，因此，并聯(lián)機(jī)構(gòu)是未來機(jī)床的發(fā)展方向。（4）多功能靈活性強(qiáng)。可構(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(jìn)行多坐標(biāo)銑、磨、鉆、特種曲面加工等

22、，也可安裝夾具進(jìn)行復(fù)雜的空間裝配，適應(yīng)性強(qiáng)，是柔性化的理想機(jī)構(gòu)。（5）使用壽命長。由于受力結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動部件磨損小，且沒有導(dǎo)軌，不存在鐵屑或冷卻液進(jìn)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(jī)構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難反解卻非常容易。由于機(jī)器人在線實(shí)時計(jì)算是要計(jì)算反解的，這對串聯(lián)式十分不利，而并聯(lián)式容易實(shí)現(xiàn)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為一種新型機(jī)構(gòu)，也有其自身的不足，由于結(jié)構(gòu)的原因，它的運(yùn)動空間較小，而串并聯(lián)機(jī)構(gòu)則彌補(bǔ)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的不足，它既有質(zhì)量輕，剛度大，精度高的特點(diǎn)，又增大了機(jī)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(jī)構(gòu)，適應(yīng)能力強(qiáng)，且易于控制，

23、是當(dāng)前應(yīng)用研究中的一個新熱點(diǎn)。1.2.2并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分類從運(yùn)動形式來看，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)；細(xì)分可分為平面移動機(jī)構(gòu)、平面移動轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、空間純移動機(jī)構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和空間混合運(yùn)動機(jī)構(gòu),另可按并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)分類2：   （1）2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。2自由度并聯(lián)機(jī)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(jī)構(gòu)是最典型的2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這類機(jī)構(gòu)一般具有2個移動運(yùn)動。圖1-4 2自由度的球面5R并聯(lián)機(jī)構(gòu)圖1-5 平面2自由度的Diamond機(jī)器人（2）3 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。3 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)各類較多，形式較復(fù)雜，一般有以下形式

24、：平面3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如3-RRR 機(jī)構(gòu)、3-RPR 機(jī)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(jī)構(gòu)，如3-RRR 球面機(jī)構(gòu)、3-UPS-1-S球面機(jī)構(gòu)，3-RRR 球面機(jī)構(gòu)所有運(yùn)動副的軸線匯交空間一點(diǎn)，這點(diǎn)稱為機(jī)構(gòu)的中心，而3-UPS-1-S  球面機(jī)構(gòu)則以S的中心點(diǎn)為機(jī)構(gòu)的中心，機(jī)構(gòu)上的所有點(diǎn)的運(yùn)動都是繞該點(diǎn)的轉(zhuǎn)動運(yùn)動；3 維純移動機(jī)構(gòu)，如Star Like并聯(lián)機(jī)構(gòu)、Tsai 并聯(lián)機(jī)構(gòu)和DELTA 機(jī)構(gòu)，該類機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(jī)構(gòu)；空間3自由

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

26、構(gòu) 圖1-10 3-CRR三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)圖1-11球面并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖1-12立方體3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)（3）4 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。4 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如2-UPS-1-RRRR 機(jī)構(gòu)，運(yùn)動平臺通過3個支鏈與定平臺相連，有2個運(yùn)動鏈?zhǔn)窍嗤模骶哂?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(jī)構(gòu)不是完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)。（4）5 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的5 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如韓國Lee的5自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu)（2個并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)合）。（5）6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的一大類，是國內(nèi)外學(xué)者

27、研究得最多的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機(jī)床等領(lǐng)域。但這類機(jī)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(yùn)動學(xué)正解、動力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機(jī)床的精度標(biāo)定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機(jī)構(gòu)必須具有6個運(yùn)動鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，也有擁有3 個運(yùn)動鏈的6 自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如3-PRPS 和3-URS 等機(jī)構(gòu)，還有在3 個分支的每個分支上附加1個5桿機(jī)構(gòu)作這驅(qū)動機(jī)構(gòu)的6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)等。2圖1-13 6-RSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)圖 圖1-14 3-PRPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)圖1-15 3-PRPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)圖l-16 3-PPSP并聯(lián)機(jī)構(gòu)

28、圖1-17 3-URS并聯(lián)機(jī)構(gòu)1.2.3并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用并聯(lián)機(jī)構(gòu)由于其本身特點(diǎn),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(yùn)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(yùn)行可靠性；娛樂運(yùn)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(yùn)動大扭矩螺栓緊固；短距離重物搬運(yùn)。（4）金屬切削加工?？蓱?yīng)用于各類銑床、磨床鉆床或點(diǎn)焊機(jī)、切割機(jī)。圖1-18 波音737-400飛行模擬器圖1-19德國Mikromat并聯(lián)機(jī)床圖1-20 HexaGlide并

29、聯(lián)機(jī)床圖1-21 LINAPOD并聯(lián)機(jī)床圖1-22 哈工大并聯(lián)機(jī)床（5）可用于測量機(jī)，也可用來作為其它機(jī)構(gòu)的誤差補(bǔ)償器。（6）微動機(jī)構(gòu)或微型機(jī)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(jī)構(gòu)還可用作機(jī)器人的關(guān)節(jié)，爬行機(jī)構(gòu)，食品、醫(yī)藥包裝和移載機(jī)械手等。1.2.4發(fā)展展望并聯(lián)機(jī)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(shí)驗(yàn)室中，真正投入到生產(chǎn)實(shí)踐中的并聯(lián)機(jī)器人不多。近年來，先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展對并聯(lián)機(jī)器人的研究和發(fā)展起著積極的促進(jìn)作用。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)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

30、。要從組成敏捷生產(chǎn)系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，來研究并聯(lián)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展。面向先進(jìn)制造環(huán)境的機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)和機(jī)器人加工系統(tǒng)中，不僅有多機(jī)器人的集成，還有機(jī)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(jī)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(jī)器人進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。并聯(lián)機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)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(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)為并聯(lián)機(jī)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(jì)目的三維打印雖然說是快速成型，但是實(shí)際上也不算快速。就拿有名的三維彩色打印機(jī)ZPrin

31、ter 650來說，它的最小細(xì)節(jié)尺寸是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(yùn)算能力、打印精度、運(yùn)動機(jī)構(gòu)、成型原理等都決定了打印速度。其中運(yùn)動機(jī)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(jī)和傳統(tǒng)打印機(jī)一樣，只不過是多加了一個Z軸，可以看作是直角坐標(biāo)系機(jī)器人。而直角坐標(biāo)系機(jī)器人是屬于串聯(lián)機(jī)器人一類的。然后既然有串聯(lián)機(jī)器人，就有并聯(lián)機(jī)器人。并聯(lián)機(jī)器人和傳統(tǒng)工業(yè)用串聯(lián)機(jī)器人在哲學(xué)上呈對立統(tǒng)一

32、的關(guān)系，和串聯(lián)機(jī)器人相比較，并聯(lián)機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：（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(yùn)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(jī)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(jī)構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難反解卻非常容易。根據(jù)這些特點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)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(jī)器人運(yùn)用到三維打印上，那將會提高成型速度和精度。本次設(shè)計(jì)的目的就是要把工業(yè)用的并聯(lián)機(jī)械手搬到普通家庭的桌面上，讓其實(shí)現(xiàn)三維打印，讓我們不

33、需要花很高的成本去買專業(yè)級別的三維打印機(jī)，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(yàn)，不需要很高的精度，只是需要速度。我們使用并聯(lián)機(jī)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(jī)，很多工程師都可以將自己的設(shè)計(jì)“打印”出來。1.4選題背景及設(shè)計(jì)目的（1）通過對三維打印機(jī)和并聯(lián)機(jī)械手的學(xué)習(xí)和研究編寫開題報(bào)告；（2）結(jié)合三維打印機(jī)的實(shí)際情況對其并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析并計(jì)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(jìn)行運(yùn)動仿真；（5）翻譯一篇與論文相關(guān)的外文資料。第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)前分析三維打

34、印是由下而上層疊打印，所以打印機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)來實(shí)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(jī)構(gòu)比較適合用于三維打印。Delta機(jī)器人最早是Clavel在1985年提出的，由于其基座平臺和運(yùn)動平臺都呈三角形形狀而得名。當(dāng)初設(shè)計(jì)Delta機(jī)器人時，是想得到一種小型化的機(jī)構(gòu)，實(shí)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(jī)器人的這個特點(diǎn)，它常用于小元件的裝配插接作業(yè)。而且它機(jī)構(gòu)相對比較簡單，可實(shí)現(xiàn)空間上的三個平動自由度，它還有能承受大載荷、機(jī)構(gòu)剛性好，定

35、位精度高等特點(diǎn)，所以適合快速堆垛及搬運(yùn)等操作。3圖2-1 Delta機(jī)器人如今Delta機(jī)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(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)三維打印機(jī)。2.2 Delta機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析Delta機(jī)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(jī)器人有三個平動自由度，是由三組擺動桿機(jī)構(gòu)連接固定平臺和運(yùn)動平臺的空間機(jī)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如下：圖2-2 Delta機(jī)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(yùn)動鏈分別連接到運(yùn)動平臺的三個邊上。每條運(yùn)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

36、驅(qū)動桿件（主動臂）相連，驅(qū)動桿件與固定平臺之間通過轉(zhuǎn)動副連接。三組平行四邊形機(jī)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(yùn)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(jì)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(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式也可以計(jì)算出該機(jī)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(jī)構(gòu)自由度F的計(jì)算公式： （2-1）其中：n構(gòu)件數(shù)g機(jī)構(gòu)運(yùn)動副數(shù)所有運(yùn)動副自由度數(shù)和分析該機(jī)構(gòu)，容易知道該機(jī)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(jì)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)

37、式（2-1）就可以求出該機(jī)構(gòu)的自由度數(shù),此機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目(包括固定平臺)n=11,運(yùn)動副數(shù)g=15,所以F=6（11-15-l)+3x6+2x6+lx3=3。因此,Delta并聯(lián)機(jī)器人具有三個平移自由度,即運(yùn)動平臺在機(jī)器人工作空間內(nèi)沿X、Y、Z三個方向平移運(yùn)動，也就是可以用到三維打印機(jī)上。2.3動平臺位置反解2.3.1坐標(biāo)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(yùn)動規(guī)律,首先將機(jī)構(gòu)稍加改造,將三組平行四邊形閉環(huán)上下兩邊中點(diǎn)之間加入三根虛擬連桿,如圖2-3所示?？紤]到運(yùn)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(jī)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

38、間四邊形。在此條件下,平行四邊形左右兩邊的運(yùn)動與上下兩邊中點(diǎn)連線的運(yùn)動完全相同。因此,在進(jìn)行運(yùn)動分析時,將機(jī)構(gòu)簡化為圖2-4所示.接著建立動、靜兩個坐標(biāo)系,靜坐標(biāo)系原點(diǎn)O位于上平臺(固定平臺)的幾何中心。動平臺上建立動坐標(biāo)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(jī)驅(qū)動臂對基座平臺的張角。設(shè)計(jì)三維打印機(jī)的并聯(lián)機(jī)械手時，初取=250mm，=450mm。圖2-3引入虛擬桿的運(yùn)動學(xué)模型圖2-4 Delta并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖2.3.2位置反解分析Delta機(jī)器人通過三個分支鏈將上下平臺連接起來,驅(qū)動臂在電

39、機(jī)的驅(qū)動下作一定角度的反復(fù)擺動,再通過平行四邊形閉環(huán)和轉(zhuǎn)動副使動平臺作平移運(yùn)動。對于該機(jī)構(gòu),求解位置反解即給定運(yùn)動平臺的中心點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo),求解基座平臺的三個控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,也就是三個驅(qū)動臂對固定平臺的張角。運(yùn)動學(xué)逆問題的求解是機(jī)器人控制的關(guān)鍵,因?yàn)橹挥惺垢麝P(guān)節(jié)變量按反解中求得的值運(yùn)動,才能使末端操作器達(dá)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(diǎn)在靜坐標(biāo)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(diǎn)在坐標(biāo)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(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置矢量可以表達(dá)為：，其中（）假設(shè)矢量在坐標(biāo)系中為 ,則矢量在坐標(biāo)

40、系中可以表示為:，其中（）因此，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(jì)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(jī)器人的運(yùn)動平臺的位置，根據(jù)下式可以求出電機(jī)的輸入，即為驅(qū)動臂的張角:在本次設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的運(yùn)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(diǎn)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(jī)構(gòu)，得

41、到了廣泛的應(yīng)用。對于該Delta機(jī)構(gòu)，運(yùn)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(yùn)動平臺中心點(diǎn)在基座坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。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(jī)械手的工作空間機(jī)器人工作空間的大小代表了機(jī)器人的末端執(zhí)行器的活動范圍，它是衡量機(jī)器人工作能力的一個重要的指標(biāo)。一般機(jī)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(dá)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： （

42、2-17）將上式化簡后，得到 （2-18）其中：參考相關(guān)的文獻(xiàn)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(biāo)系中的，定義一個新的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后： （2-21） 所以動平臺中心點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(biāo)系中表達(dá)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(jī)械手的驅(qū)動部分2.6.1電機(jī)選型驅(qū)動部分無疑是選用旋轉(zhuǎn)電機(jī)。對于并聯(lián)機(jī)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(jī)械手，驅(qū)動部分

43、不需要做得復(fù)雜?？煽刂平嵌鹊碾姍C(jī)有舵機(jī)（用在遙控模型上的）、步進(jìn)電機(jī)等。若是使用步進(jìn)電機(jī)，控制上會比較麻煩點(diǎn)。采用舵機(jī)的話可以直接控制旋轉(zhuǎn)角度。如今的舵機(jī)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(jì)誤差。因?yàn)橹鲃颖郾容^長，所以應(yīng)選扭矩比較大的舵機(jī)。本次設(shè)計(jì)中初選HS-805BB型舵機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如下：表2-1 技術(shù)參數(shù)馬達(dá)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：24.715

44、266 x 30 x57.6mm2.6.2扭力校驗(yàn)采用solidworks繪制出機(jī)械手，計(jì)算各個部件的質(zhì)量。為了能方便計(jì)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(yùn)動鏈中的其中一條來進(jìn)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(jī)的扭矩最大。如圖（2-6）計(jì)算過程如下：，動平臺靜止時，圖2-6 單條鏈?zhǔn)芰Ψ治鰧的扭矩為所以可以選擇HS-805BB型舵機(jī)。2.7機(jī)械手材料選擇想要機(jī)械手平穩(wěn)地運(yùn)動，這就需要低慣性，也就是機(jī)械手運(yùn)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(qiáng)度高，質(zhì)量輕，耐熱度高的工程塑料是個不錯

45、的選擇。通用工程塑料包括聚碳酸酯(Polycarbonate，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(qiáng)度均超過50MPa，耐沖擊性超過50J/m2，彎曲彈性模量在24000kg/cm2，負(fù)載撓曲溫度超過100，其硬度、抗老化性優(yōu)。2.7.1主動臂材料選擇主動臂受力在舵機(jī)選型中有提到，使

46、用三維軟件solidworks中的應(yīng)力分析工具SimilationXpress來計(jì)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(jìn)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?yàn)橐呀?jīng)指定了零件的材質(zhì)和受力，所以SimilationXpress會計(jì)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(lán)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(lán)色，表示這個零件的強(qiáng)度是完全沒有問題

47、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(xiǎn)，在實(shí)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(qiáng)度。應(yīng)力分析后，如果發(fā)現(xiàn)有危險(xiǎn)地方可以進(jìn)行優(yōu)化。可以修改結(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)來優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)。雖然工程塑料抗拉強(qiáng)度很好，但是成本還是比較高的，而且密度比較高點(diǎn)。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(qiáng)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?yàn)?/p>

48、機(jī)械手需要一定的剛度，所以我們應(yīng)選擇尼龍作為主動臂的材料。2.7.2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(jī)械性能也要打達(dá)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?yàn)镻PS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(jī)械性能優(yōu)異，阻燃性能好。因?yàn)檫@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(qiáng)度校核。2.7

49、.3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(jī)械手的運(yùn)動精度。對于整臺桌面型的三維打印機(jī)來說，整體的質(zhì)量不能太大，價(jià)格也不能太貴。所以先試選價(jià)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(jī)械手和舵機(jī)的重量（約有2kg），采用solidworks進(jìn)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?yàn)橹爸鲃颖圻x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?yàn)橹爸鲃颖圻x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

50、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351.112，而尼龍是133.334.綜合考慮，所以選擇尼龍材料。2.7.4其他部分確定材料的選擇依然遵循避重就輕的原則。機(jī)械手的平行四邊形桿基本上采用鋁合金，除了一些標(biāo)準(zhǔn)零件。從動臂是由兩條細(xì)桿組成，細(xì)桿的直徑為10mm，因?yàn)閯悠脚_的質(zhì)量很輕，算上運(yùn)動時候的瞬間拉力。當(dāng)主動臂和從動臂垂直時，因?yàn)槎鏅C(jī)的扭矩而使主動臂對從動臂產(chǎn)生拉力。舵機(jī)在關(guān)節(jié)點(diǎn)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(xì)桿應(yīng)力分析還有連接主動臂和從動臂的螺紋桿（從

51、動臂和動平臺連接的螺紋桿）也是鋁合金制作。圖2-15螺旋連接桿因?yàn)閯悠脚_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(jī)械手的選型，根據(jù)三維打印機(jī)的性能要求，選取了Delta型并聯(lián)機(jī)器人作為打印機(jī)構(gòu)。然后參考相關(guān)文獻(xiàn)來討論并聯(lián)機(jī)器人的自由度求解，運(yùn)動模型的建模。其中包括運(yùn)動平臺的位置正解、位置反解和機(jī)械手工作空間的求解方法的介紹。最后是機(jī)械手的設(shè)計(jì)介紹，包括對制作材料的選擇。這里先設(shè)計(jì)驅(qū)動部分，也就是電機(jī)選型。接著對選擇的舵機(jī)進(jìn)行扭力校驗(yàn)。還有機(jī)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(jìn)

52、行初步應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核。不過這個應(yīng)力分析功能并不全面，只是作為初步的模擬分析。通過分析來改變機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和材料，以此來改善機(jī)械手的機(jī)械性能。第三章 三維打印機(jī)其他部分的設(shè)計(jì)之前已經(jīng)設(shè)計(jì)好機(jī)械手的結(jié)構(gòu)了，但是對于三維打印機(jī)來說，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)構(gòu)。接下來就介紹三維打印機(jī)的整體設(shè)計(jì)。3.1 支架的設(shè)計(jì)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(jì) 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

53、3.2送料機(jī)構(gòu)圖3-4 送料機(jī)構(gòu)的組成圖3-5 送料機(jī)構(gòu)（滾絲機(jī)構(gòu)）的組成為什么要設(shè)計(jì)滾絲機(jī)構(gòu)？因?yàn)槿缃袢S打印機(jī)已經(jīng)慢慢地進(jìn)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(jī)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(jī)構(gòu)是在1.75mm的ABS絲的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。所以要換直徑大點(diǎn)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動就帶動ABS絲沿著架設(shè)好的軟塑料管進(jìn)入熱熔噴頭，變成熔融狀態(tài)。選用的步進(jìn)電機(jī)參數(shù)如下：表3-1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號步距角（°）機(jī)身長（mm）相電壓（V）相電流（A）相電感（

54、mH）靜力矩（N·m）定位力矩（N·cm）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(jìn)行連接。PEEk耐高溫，有一定的隔熱效果。因?yàn)楣潭ㄗ捎肞PS耐高溫材料，所以打印機(jī)的底座可以用尼龍材料等。3.4料架設(shè)計(jì)料架裝置在打印機(jī)上面可以減少占地面積，從

55、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(jì)原則是減小對料架底的壓力。3.5噴頭清理設(shè)計(jì)圖3-10 噴頭清理設(shè)計(jì)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(dá)到材料熔點(diǎn)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

56、下。3.6防護(hù)板設(shè)計(jì)因?yàn)闊崛蹏婎^有可能被加熱到200以上，所以具有一定的危險(xiǎn)性。而且機(jī)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(hù)措施。我們可以加些透明的塑料擋板，這樣就起到防護(hù)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(hù)窗，用于飛機(jī)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(hù)板進(jìn)行一個簡單的設(shè)計(jì)。這里設(shè)計(jì)的防護(hù)板有簡單的門轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)，如圖：圖3-11 防護(hù)板設(shè)計(jì)圖3-12 防護(hù)板開關(guān)門示意3.7本章小結(jié)本章主要論述了