基于3—RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的電流體動(dòng)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(dòng)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(dòng)力打印設(shè)備的研發(fā)工作。對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)力 3D打印機(jī) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）11（b）-0040-04

Abstract：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 designed， 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(duì)來說驅(qū)動(dòng)元件少，而且成本較低，結(jié)構(gòu)也比較緊湊，使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Hunt[3]所提出的能夠使得二維轉(zhuǎn)動(dòng)以及一維移動(dòng)同時(shí)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(duì)于三自由度RPS類型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，它運(yùn)動(dòng)空間上的分析研究并不多。追究其根本原因，是因?yàn)镽PS類型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)只有3個(gè)獨(dú)立的自由度，如果要計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的工作空間，就必須要求出3個(gè)自由度的移動(dòng)坐標(biāo)，而此過程中對(duì)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(duì)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(duì)3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析；對(duì)于3-RPS的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(huì)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(dòng)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(dòng)力打印設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)低成本、高精度的圖案化打印功能。

1 3-RPS電流體動(dòng)力打印設(shè)備總體設(shè)計(jì)

整個(gè)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(dòng)平臺(tái)的空間運(yùn)動(dòng)，利用微流量泵將流體壓入噴頭，并且再利用磁控裝置對(duì)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(duì)噴頭以及打印處進(jìn)行觀察，從而及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。

2 設(shè)計(jì)方案

該文對(duì)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(duì)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(dòng)平臺(tái)等的設(shè)計(jì)，對(duì)主要受力部件進(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(gè)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(dòng)范圍以及運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)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(tái)，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(gè)系統(tǒng)的重心下降，增加平穩(wěn)性。

2.2 動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

相應(yīng)裝置利用滾珠型Z軸滑臺(tái)控制位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)滴液體的速度以及顆粒大小的控制，以及裝噴頭時(shí)候?qū)Υ趴匮b置的位置進(jìn)行調(diào)整而不會(huì)干擾監(jiān)控的視野；氣壓裝置中的流體瓶裝在動(dòng)平臺(tái)上，保證在動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)氣壓裝置上導(dǎo)管的牽扯達(dá)到最小；監(jiān)控主要是裝噴頭時(shí)候進(jìn)行位置的定位以及在打印過程中對(duì)打印對(duì)象成型的監(jiān)控。整體的裝配如圖3所示。

整個(gè)動(dòng)平臺(tái)是以動(dòng)平臺(tái)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(tái)通過螺釘固定在直線滾珠型Z軸滑臺(tái)上，通過直線滾珠型Z軸滑臺(tái)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)計(jì)計(jì)算

3.1 電機(jī)的選型

由于動(dòng)平臺(tái)上裝有多個(gè)部件，加上流體的注入，給整個(gè)動(dòng)平臺(tái)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(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

動(dòng)平臺(tái)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(dòng)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(dòng)平臺(tái)基板

動(dòng)平臺(tái)基板用來作為動(dòng)平臺(tái)上各個(gè)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(gè)動(dòng)平臺(tái)基板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(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，該文基于3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并與電流體動(dòng)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(dòng)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(dòng)平臺(tái)等部分組成。

（3）3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)電流體動(dòng)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。

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