一种双输出多向3D打印并联机器人的设计与分析

摘要

3D打印技术的飞速发展开启了工业“智造”的新时代，应用前景广泛，成为近几年先进制造业的研究热点。目前市场上大部分基于熔融沉积技术的3D打印机一次只能打印出一个产品，而且主要采用串联机构，以单向分层的打印模式成型产品。在实际应用中这类打印机存在打印精度低、稳定性差和效率低等缺点，当以单向分层打印的方式进行复杂斜面曲面的成型或二次修复加工时，易造成产品表面质量差、力学性能降低以及干涉等问题。在此背景下，本文的研究目标是设计一种基于熔融沉积技术的双输出多向3D打印并联机器人，使其可以实现多输出和多向分层打印，节约成本，提高3D打印的精度与效率。
　　为设计一种能满足双输出和多向3D打印需求的并联机器人，本文首先基于李群理论提出一种综合含有铰接动平台的并联构型的新方法，这种方法可有效的增大并联机构的转动工作空间，在此基础上，设计了一类3T2R型的五自由度并联机构。从中选取一种3T2R型并联机构为主体，采用同支链共驱动的双输出方式，即一套驱动系统同时控制两个相同的输出机构，进一步设计得到双输出多向3D打印并联机器人。然后利用螺旋理论计算了3D打印并联机构的自由度数目;基于封闭矢量法对机构进行了位置反解求解和速度分析;利用位置反解分析了机构的定姿态和定位置工作空间;基于速度分析得到的速度雅克比矩阵，分析了机构的正逆运动奇异以及灵巧性，计算了机构在工作空间内不同位置处的静刚度值。接着以定姿态工作空间和定位置工作空间为优化目标，基于各结构参数对优化目标的影响建立了优化约束条件，利用遗传算法优化计算得到了最优的结构设计尺寸。最后利用优化后的结构参数建立了机构的虚拟样机，在ADAMS软件中对其进行了自由度运动仿真与验证，基于双输出多向3D打印任务，对机构进行了平面打印和斜面打印的轨迹规划以及仿真分析。
　　研究与分析的结果表明，本文设计的3D打印并联机器人具有较大的转动工作空间，能实现多向打印，一台机器一次能同时输出两个相同的打印轨迹，可实现双输出，而且机构在打印运动过程中平稳可靠。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题背景与意义

1．2 相关领域研究现状

1．2．1 3D打印技术研究现状

1．2．2 并联机构研究现状

1．3 研究内容

2 构型方案的提出

2．1 李群理论

2．2 新型并联机构的构型综合方法

2．3 3T2R型并联机构的设计

2．4 本章小结

3 结构设计与运动学分析

3．1 构型选择与设计

3．2 机构的自由度分析

3．3 机构的运动学分析

3．3．1 位置反解

3．3．2 速度雅克比矩阵

3．4 本章小结

4 机构的性能分析

4．1 工作空间分析

4．1．1 定姿态位置工作空间分析

4．1．2 定位置姿态工作空间分析

4．2 奇异性分析

4．3 灵巧性分析

4．4 静刚度分析

4．5 本章小结

5 基于遗传算法的多目标优化设计

5．1 多目标优化算法

5．2 目标函数的建立

5．3 结构参数对工作空间的影响

5．4 结构参数的选取及约束条件

5．4．1 结构参数的选取

5．4．2 约束条件

5．5 优化计算与结果分析

5．6 本章小结

6 虚拟样机仿真与轨迹规划

6．1 虚拟样机仿真流程

6．2 虚拟样机的建立

6．3 机构的运动学仿真分析

6．4 轨迹规划与仿真研究

6．4．1 平面圆轨迹规划与仿真

6．4．2 斜面圆轨迹规划与仿真

6．5 本章小结

7．1 工作总结

7．2 研究展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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