基于3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的電流體動力打印設(shè)備設(shè)計(jì)

1、    基于3rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)的電流體動力打印設(shè)備設(shè)計(jì)    張國輝+楊益+王偉偉+齊鑫+顧金梅摘 要：3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有高精度、高承載能力、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動等優(yōu)點(diǎn)，由此基于3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)，開展新型電流體動力打印設(shè)備的研發(fā)工作。對3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)電流體打印機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對一些受力部件以及非標(biāo)準(zhǔn)零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，相關(guān)結(jié)果表明采用3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)的電流體動力打印設(shè)備設(shè)計(jì)方案可行。關(guān)鍵詞：三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu) 電流體動力 3d打印機(jī) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：tp24 ：a ：1674-098x（2016）11（b）-0040-04abstrac

2、t：the 3-rps parallel mechanism has the advantages of high precision， high load capacity， simple and compact structure， easy to realize high-speed movement， etc. the research work of this paper is based on 3-rps parallel mechanism. the structure of 3-rps parallel mechanism current-body printer is des

3、igned， and some force components and non-standard parts are designed and calculated. the results show that the design scheme of 3-rps parallel mechanism is feasible.key words：three-freedom parallel mechanism； electrohydrodynamic； 3d printer； structural design近年來，由于三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)相對來說驅(qū)動元件少，而且成本較低，結(jié)構(gòu)也比較緊湊，使

4、得它擁有了很大的發(fā)展以及運(yùn)用潛力，從而引起了國內(nèi)外大量機(jī)械領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注1-2。其中，澳大利亞的hunt3所提出的能夠使得二維轉(zhuǎn)動以及一維移動同時實(shí)現(xiàn)的3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)成為了全球該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。但對于三自由度rps類型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它運(yùn)動空間上的分析研究并不多。追究其根本原因，是因?yàn)閞ps類型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)只有3個獨(dú)立的自由度，如果要計(jì)算得到對應(yīng)的工作空間，就必須要求出3個自由度的移動坐標(biāo)，而此過程中對方程整體的求解帶來巨大的困難，尤其體現(xiàn)在解析解的復(fù)雜工作量上。李艷文4對3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異判別式以及奇異分布進(jìn)行了研究；利用牛頓的歐拉法則，李永剛5對3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆動力學(xué)進(jìn)行了分

5、析；對于3-rps的驅(qū)動力以及約束反力，趙燕6采用了力和力矩的平衡方程來進(jìn)行確定；而在并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度上，胡波7根據(jù)虛設(shè)機(jī)構(gòu)的方法提出了全新的求解方式；運(yùn)用特征列的方法，牛祿峰8對3-rps的位置正解進(jìn)行了求解。目前ehd打印設(shè)備的性能還不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高。設(shè)備大多僅適用于低濃度溶液的打印，所以打印設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡化，精度的提升將會是今后的重要課題。傳統(tǒng)的ehd打印設(shè)備的直線模組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動精度高，但生產(chǎn)產(chǎn)品成本高，花費(fèi)也高，一般不適合中低端消費(fèi)者。采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)ehd打印，有承載能力好、累計(jì)誤差少、結(jié)構(gòu)簡單等一些突出的優(yōu)點(diǎn)。因此，該文主要基于三自由度prs機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一種電流體動力打印設(shè)備，以

6、實(shí)現(xiàn)低成本、高精度的圖案化打印功能。1 3-rps電流體動力打印設(shè)備總體設(shè)計(jì)整個設(shè)備的設(shè)計(jì)以在實(shí)際產(chǎn)品上進(jìn)行圖案化打印為主要目標(biāo)，在設(shè)計(jì)過程中，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件以及市場上可用的零部件進(jìn)行外部的總體設(shè)計(jì)。運(yùn)用三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動平臺的空間運(yùn)動，利用微流量泵將流體壓入噴頭，并且再利用磁控裝置對流體進(jìn)行控制進(jìn)行打印。在裝噴頭以及打印過程中可用監(jiān)控裝置對噴頭以及打印處進(jìn)行觀察，從而及時對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。2 設(shè)計(jì)方案該文對3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)電流體打印機(jī)進(jìn)行了整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對一些受力部件以及非標(biāo)準(zhǔn)零件進(jìn)行了工作原理以及作用還有參數(shù)的分析。在該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要包括了基本外部支架、動平臺等的設(shè)計(jì)，對主要受力

7、部件進(jìn)行了力學(xué)上的校核。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.1 打印機(jī)架結(jié)構(gòu)在整個3d打印機(jī)的設(shè)計(jì)中，如圖2所示，外部支架主要用來支撐整體系統(tǒng)，給3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)創(chuàng)造運(yùn)動范圍以及運(yùn)動方向。采用基本的三角洲打印機(jī)的通用外部結(jié)構(gòu)，以30鋁型材為框架材料，構(gòu)建出一個截面為三角形的柱體。外部支架直接利用商家已有的三角洲型3d打印機(jī)的機(jī)架（科塞爾3d打印機(jī)機(jī)架）。整個機(jī)架采用120 cm的30鋁型材作為高度上的支撐件并且作為傳動帶的基本導(dǎo)軌；上下端用60 cm的30鋁型材構(gòu)成三角柱形空間，并在下方裝配成型平臺，用于最終打印物品的材料累積以及最終成型；下端三角處放置步進(jìn)電機(jī)，增加下端重量從而放低重心，使得整個系統(tǒng)的

8、重心下降，增加平穩(wěn)性。2.2 動平臺設(shè)計(jì)相應(yīng)裝置利用滾珠型z軸滑臺控制位置，從而實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)滴液體的速度以及顆粒大小的控制，以及裝噴頭時候?qū)Υ趴匮b置的位置進(jìn)行調(diào)整而不會干擾監(jiān)控的視野；氣壓裝置中的流體瓶裝在動平臺上，保證在動平臺運(yùn)動過程中對氣壓裝置上導(dǎo)管的牽扯達(dá)到最??；監(jiān)控主要是裝噴頭時候進(jìn)行位置的定位以及在打印過程中對打印對象成型的監(jiān)控。整體的裝配如圖3所示。整個動平臺是以動平臺基板為基礎(chǔ)，在中間位置直接放入噴頭放置塊，然后在噴頭放置塊中放置噴頭，通過裝配關(guān)系將噴頭進(jìn)行位置的固定。磁控臺通過螺釘固定在直線滾珠型z軸滑臺上，通過直線滾珠型z軸滑臺的上下調(diào)整來改變磁控裝置的z軸位置。 3 主要部件設(shè)

9、計(jì)計(jì)算3.1 電機(jī)的選型由于動平臺上裝有多個部件，加上流體的注入，給整個動平臺的安全計(jì)算重量為2 kg，因此在空間上受力分析后，得到并聯(lián)臂的受力為：3.2 動平臺設(shè)計(jì)動平臺是通過3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)的桿件和同步帶等連接并保證運(yùn)動的。由此來保證該并聯(lián)機(jī)構(gòu)為三自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)臂采用碳纖維作為材料，通用型碳纖維強(qiáng)度為1 000 mpa、模量為450 gpa左右，此次設(shè)計(jì)中并聯(lián)臂長420 mm，臂的安全拉力為7.69 n。由此可知，并聯(lián)臂存在一定誤差，但在可行范圍內(nèi)。3.3 非標(biāo)準(zhǔn)件動平臺基板動平臺基板用來作為動平臺上各個部件的承載物，并和并聯(lián)臂連接形成三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。如圖4所示，整個動平臺基板

10、作為固定其他裝置的基礎(chǔ)，周邊側(cè)面上的按照機(jī)架要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。4 結(jié)論（1）并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有高精度、高承載能力、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動等優(yōu)點(diǎn)，該文基于3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并與電流體動力打印原理結(jié)構(gòu)，研發(fā)了一種3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)的電流體動力打印設(shè)備。（2）3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)電流體打印設(shè)備主要是由基本外部支架、3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)、動平臺等部分組成。（3）3-rps并聯(lián)機(jī)構(gòu)電流體動力打印設(shè)備成本較低，并能適用于具有能在復(fù)雜外形產(chǎn)品表面上進(jìn)行圖案化打印的功能。參考文獻(xiàn)1 韓書葵，方躍法，郭盛.少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)真實(shí)運(yùn)動分析j.機(jī)械工程學(xué)報，2009，45（9）：58-63.2 寧淑榮，郭希娟，黃真.一種

11、新型少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)4-rpr（rr）及基礎(chǔ)分析j.機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，23（8）：14-16.3 hunt kh.structural kinematics of inparallelactuated robot-amsj.journal of mechanisms，1983，105（4）：705-712.4 li yanwen，huang zhen.method used in singularity research based on kinematics and its example in applicationj.chinese journal of mechanical engineering，2004，17（2）：161-165.5 李永剛，宋移民，馮志友，等.基于牛頓歐拉法的3-rp并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆動力學(xué)分析j.航空學(xué)報，2007，28（5）