基于解耦并联机构的3D打印机结构设计与研究

摘要

作为快速成形领域的一种新兴技术，3D打印技术综合了计算机技术、精密机械、材料科学等多种先进技术，使产品大大缩短了加工周期，已被广泛应用于医疗、汽车、航空航天等领域。然而目前3D打印设备普遍采用串联机构作为执行机构，因而存在打印精度差、速度低等问题，给3D打印机的推广带来了一定的困难。3D打印机的主体为执行机构，因此执行机构是影响3D打印质量的关键因素之一。为此，本文以3D打印机执行机构为出发点来展开研究，旨在改善现有3D打印设备在本体结构上存在的问题。
　　通过对FDM工艺3D打印机工作机理的分析，阐述3D打印机的运动原理，从结构和功能上指出现有3D打印机执行机构的不足之处，总结影响3D打印精度和速度的因素，提出解耦并联3D打印机器人的设计方法。对比耦合与解耦并联机构的优缺点，选取3-CUR解耦并联机构作为3D打印机的执行机构。
　　对执行机构进行运动学分析，得到机构输入与输出之间的映射关系，应用机构的输入输出微分关系，建立机构输入输出的误差模型，分析机构的定位精度。以灵巧度为指标优化机构的运动精度，以打印空间为目标，基于机构参数性能图谱和遗传算法优化机构参数。
　　采用牛顿欧拉方法建立机构的动力学模型，基于给定轨迹利用Adams软件对动力学模型进行验证。在不考虑构件质量的情况下，动力学模型转化为静力学模型，利用maple软件得到机构的静力全解，利用MATLAB软件绘制机构各支链约束力、力矩在给定工况下的变化曲线，分析机构的受力特性。采用虚设转动副法，建立动平台变形与六维外载荷的映射关系。
　　基于理论分析，对各个杆件进行设计，利用有限元分析软件验证虚拟样机的刚度特性，最后进行样机制造，并分析了其控制原理。

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第1章 绪论

1.1 课题来源及研究背景

1.2 3D打印技术的国内外发展现状

1.3 我国3D打印机面临的问题及解决方向

1.4 研究目的和意义

1.5 论文的主要研究内容

第2章 3D打印机工作机理分析及机构设计方案

2.1 引言

2.2 3D打印技术简介

2.3 基于FDM工艺的3D打印机工作机理

2.4 3D打印机设计方案

2.5 本体机构的选择

2.6 本章小结

第3章 3-CUR机构的定位精度分析与尺寸优化

3.1 引言

3.2 解耦并联3-CUR机构运动学分析

3.3 3-CUR并联机构的定位精度分析

3.4 3-CUR机构运动精度分析

3.5 3-CUR机构尺寸性能图谱的绘制

3.6 基于遗传算法的机构参数优化

3.7 本章小结

第4章 3-CUR机构静力学特性研究和动力学分析

4.1 引言

4.2 并联机构力学模型的建立

4.3 动力学分析

4.4 静力学特性分析

4.5 刚度分析

4.6 本章小结

第5章 3D打印机结构设计与制造

5.1 引言

5.2 样机设计

5.3 样机制造

5.4 样机控制原理

5.5 运动功能实验验证

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务及主要成果

致谢