一种并联增材制造设备的关键技术研究

摘要

增材制造设备广泛采用串联结构，然而串联结构具有刚度小、精度低、实时控制困难等缺点。新型的并联机构具有刚度好、运动精度高、易在线控制等优点。因而，将增材制造技术和并联机构相结合的并联增材制造设备具有很好的应用前景。
　　针对并联增材制造设备的开发，本文对以下方面关键技术进行了系统的研究(1)对并联增材制造设备进行了运动学分析;(2)对并联增材制造进行了动力学分析;(3)对并联增材制造设备进行了刚柔耦合仿真分析;(4)对往复直线扫描路径、环形扫描路径和分形曲线扫描路径的生成算法进行了研究，并给出了实例，验证了这三种算法的可行性。
　　首先，对并联增材制造设备进行了运动学分析。建立并联增材制造设备的位置约束方程，对并联增材制造设备进行了位置分析;采用影响系数矩阵法对并联增材制造设备进行了速度、加速度分析;使用ADAMS进行了并联增材制造设备的运动学仿真，对位置、速度和加速度的数学模型的正确性进行验证。以上研究为并联增材制造设备动力学分析奠定了基础。
　　其次，对并联增材制造进行了动力学分析。采用拉格朗日方法建立并联增材制造设备的动力学数学方程;使用Matlab对动力学数学模型进行了求解，使用ADAMS对并联增材制造设备进行了动力学仿真，验证了动力学数学模型的正确性。以上研究为并联增材制造设备控制系统的设计奠定了理论基础。
　　再次，对并联增材制造设备进行了刚柔耦合仿真分析。使用ANSYS和ADAMS建立并联增材制造设备的刚柔耦合模型，对并联增材制造设备的多刚体模型、刚柔耦合模型进行动力学仿真;将刚柔耦合仿真中连杆的载荷文件输出，在ANSYS中对连杆进行瞬态动力学分析。保证了结构设计的合理性与运动的稳定性，进一步提高增材制造制件的成形质量和成型效率。
　　最后，研究了增材制造中往复式扫描路径、环形扫描路径和基于裁剪法的Hilbert曲线扫描路径的生成算法。在Visual Studio2010中实现了上述三种算法，为增材制造的扫描路径的选择与优化提供了算法与程序实现基础。为减小增材制造中的翘曲变形、提高制件的成型质量提供了加工轨迹算法方面的理论保障。
　　本文的工作为并联式增材制造设备的结构设计、控制系统的设计提供了理论依据，并为增材制造的扫描路径提供了算法保障。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 增材制造技术

1．1．1．增材制造制造技术概述

1．1．2．增材制造技术的原理

1．1．3 增材制造技术的应用

1．2 增材制造技术的国内外研究现状

1．2．1 增材制造设备的国内外发展现状

1．2．2 并联机构的国内外研究现状

1．2．3 增材制造技术扫描路径的国内外研究现状

1．3 课题的研究意义与研究内容

1．3．1 课题的研究意义

1．3．2 课题的研究内容

第二章 并联增材制造设备的运动学分析与仿真

2．1 概述

2．2 并联增材制造设备结构选型

2．3 并联增材制造设备的位置分析

2．3．1 坐标变换理论

2．3．2 并联增材制造设备的位置分析

2．4 并联增材制造设备的速度和加速度分析

2．4．1 3-PSS并联机构的影响系数矩阵

2．4．2 并联增材制造设备的速度分析

2．4．3 并联增材制造设备的加速度分析

2．5 并联增材制造设备运动学的数值计算与仿真

2．5．1 并联增材制造设备的虚拟样机的建立

2．5．2 位置逆解模型的数值计算与仿真

2．5．3 速度逆解模型的数值计算与仿真

2．5．4 加速度逆解模型的数值计算与仿真

2．6 本章小结

第三章 并联增材制造设备的动力学分析和仿真

3．1 概述

3．2 动力学建模的理论基础

3．2．1 动力学普遍方程

3．2．2 广义坐标

3．2．3 力的雅各比矩阵

3．2．4 连杆的转动惯量

3．3 并联增材制造设备的动力学分析

3．3．1 系统的动能和势能分析

3．3．2 并联增材制造设备的动力学模型与求解

3．3．3 计算实例和动力学仿真

3．4 本章小结

第四章 并联增材制造设备的刚柔耦合模型动力学仿真

4．1 概述

4．2 柔性体理论

4．2．1 柔性体系统建模理论基础

4．2．2 柔性体系统的动力学方程

4．3 并联增材制造设备的刚柔耦合模型仿真

4．3．1 并联增材制造设备的刚柔耦合模型

4．3．2 并联增材制造设备的刚柔耦合模型的仿真

4．4 仿真结果与分析

4．4．1 运动学仿真结果分析

4．4．2 动力学仿真结果分析

4．5 连杆的强度和刚度分析

4．5．1 连杆的强度校核

4．5．2 连杆的刚度分析

4．6 本章小结

第五章 增材制造技术的成型轨迹规划

5．1 概述

5．2 扫描路径算法基础

5．2．1 基本概念

5．2．2 边界元素的平分线

5．3 往复直线扫描路径

5．4．环形扫描路径

5．4．1 单连通域的Voronoi图的生成

5．4．2 多连通域的Voronoi图的生成

5．4．3 环形填充路径的生成

5．5．基于分形算法的扫描路径

5．5．1 分形理论简介

5．5．2 Hilbert曲线

5．5．3 基于裁剪法的成型路径的规划

5．6．小结

第六章 总结与展望

6．1 研究结果总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文