基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的多功能3D制造設(shè)備的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換件的仿真分析及設(shè)計

韓朝　劉樂田　段常偉　葛宏林

摘 要：設(shè)計了一種基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的多功能3D制造設(shè)備上動平臺與工作模塊之間快速穩(wěn)固結(jié)合的轉(zhuǎn)換零件以及轉(zhuǎn)換電路。通過對現(xiàn)有的并聯(lián)機器人進行測繪、建模及受力分析。設(shè)計出一種能夠兼容3D打印模塊、激光雕刻模塊及實現(xiàn)定位拾取功能機械手的轉(zhuǎn)換件。該零件具有保持不變的結(jié)構(gòu)與外觀，能夠與這三種工作模塊中任意元件固定。通過該轉(zhuǎn)換件可使工作模塊與設(shè)備上的動平臺之間穩(wěn)固結(jié)合，實現(xiàn)不同模塊在單臺設(shè)備上的快速切換。優(yōu)化了工作模塊切換時的電路轉(zhuǎn)換，可增強設(shè)備工作時的穩(wěn)定性以及模塊轉(zhuǎn)換的快捷性。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)結(jié)構(gòu);3D制造設(shè)備;轉(zhuǎn)換件

1 概述

并聯(lián)結(jié)構(gòu)機器人在現(xiàn)代社會中廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，有著無累計誤差、精度高、動態(tài)響應(yīng)好等先天優(yōu)勢。[1-3]在制造業(yè)中，并聯(lián)機器人被廣泛應(yīng)用于3D打印，激光雕刻等加工領(lǐng)域，且能通過連接機械手實現(xiàn)定位拾取的功能。由此可設(shè)計出一種轉(zhuǎn)換零件，使其與工作模塊固定。并于并聯(lián)機器人的動平臺上增設(shè)電磁鐵，使轉(zhuǎn)換件與動平臺兩者之間牢固吸附。且對主板接線進行改造，增加數(shù)據(jù)接口，使切換工作模塊時工作電路能夠同時快速轉(zhuǎn)換。由此可使單臺設(shè)備實現(xiàn)3D打印、激光雕刻及定位拾取三種功能（抑或更多），令不同模塊在單臺設(shè)備上能夠快捷切換，使加工方式單一的并聯(lián)機器人能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能。本文研究內(nèi)容主要面向于小型企業(yè)與個人用戶，可在減少支出成本的同時實現(xiàn)多種制造加工方式。[4]

2 連接動平臺與工作元件的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換件

2.1 轉(zhuǎn)換件的結(jié)構(gòu)特點

該轉(zhuǎn)換件大體上是一個圓角三角型塊，外觀見圖1。

轉(zhuǎn)換件上部設(shè)置有3D打印模塊滑槽。下部銑出激光雕刻模塊方形卡槽，在卡槽邊緣增加一塊長條形背板并鉆出定位螺絲孔。在三角形三個頂點處各銑出一個用于定位電磁鐵的圓槽，圓槽內(nèi)部鑲嵌鋼片。轉(zhuǎn)換件中心處開孔。該轉(zhuǎn)換件三視圖及各部分具體尺寸見圖2。

經(jīng)材料仿真后證明，該轉(zhuǎn)換件各部分受力均勻、結(jié)構(gòu)合理，能夠保證工作模塊與其穩(wěn)定固定，且該轉(zhuǎn)換件的微小形變可忽略不計。電磁鐵的吸力也足以令與工作模塊固定后的整個部件與動平臺之間穩(wěn)固吸附，使其二者之間微小的相對位移可忽略不計。具體受力分析見下文圖3。

2.2 轉(zhuǎn)換件的工作原理

本轉(zhuǎn)換件可視為連接并聯(lián)機器人動平臺與工作模塊之間的橋梁，該轉(zhuǎn)換件與工作模塊之間通過卡槽、螺絲固定，使之與工作模塊構(gòu)成一個部件。

在固定3D打印模塊時，轉(zhuǎn)換件上端滑槽用于在z軸上固定3D打印模塊，在理論上消除z軸上的相對位移。同時利用動平臺中心處的孔洞固定3D打印模塊散熱管頂端，從而在理論上消除x-y平面上的相對位移。

在固定激光雕刻模塊時，轉(zhuǎn)換件下端的方形卡槽用于固定激光雕刻模塊散熱器頂部，在理論上消除x-y平面上的相對位移。用螺絲將散熱器背部與卡槽邊緣處帶螺絲孔的長條形背板固定，在理論上消除z軸上的相對位移。

轉(zhuǎn)換件與工作模塊在實際使用中不需要拆分，由此可達到快捷更換工作模塊的目的。在需要更換工作模塊時，本轉(zhuǎn)換件上的三個圓形凹槽用于與并聯(lián)機器人的動平臺進行固定，在理論上消除x-y平面上的相對位移。而圓形凹槽內(nèi)部鑲嵌的鋼材則是為了與動平臺上的電磁鐵吸附，從而在理論上消除z軸上的相對位移。轉(zhuǎn)換件中間的孔洞可使各工作模塊的數(shù)據(jù)線及供電線通過動平臺中心的孔洞與主板上的接線連接。囿于機械手種類繁多，接口處便于加工，該轉(zhuǎn)換件未設(shè)有機械手的連接固定槽口，機械手的連接方案可依照該轉(zhuǎn)換件現(xiàn)有的槽口進行再設(shè)計。

2.3 轉(zhuǎn)換件受力分析

2.3.1 轉(zhuǎn)換件電磁鐵受力狀況

工作情況為：電磁鐵受到1N的拉力。

該轉(zhuǎn)換件在X軸所受反作用力（N）為-6.16303e-006，Y軸方向為-2.30572e-006，Z軸方向為1，反力矩在各個方向上都為0。

2.3.2 轉(zhuǎn)換件螺釘校核

工作情況為：螺栓只受預緊力。

式中F′是螺栓所受預緊力、[σ]是緊連接螺栓的許用切應(yīng)力。

假設(shè)預緊力F′=100N，產(chǎn)生摩擦力足夠固定機械爪和激光頭，得σc=27MPa≤[σ]。

因此，用M3的螺栓連接能夠滿足使用強度。

在該轉(zhuǎn)換件被電磁鐵固定時，假設(shè)螺栓處受到1N的拉力。該轉(zhuǎn)換件所受到的最小應(yīng)力為1.502e+001N/m2，最大應(yīng)力為3.750e+004N/m2。最小合位移為0.000e+000mm，最大合位移為8.886e-006mm。最小對等應(yīng)變?yōu)?.754e-010，最大對等應(yīng)變?yōu)?.255e-007。

該轉(zhuǎn)換件在被電磁鐵固定的情況下，于螺釘處的受力圖見圖3。

2.4 轉(zhuǎn)換件的材料分析

該轉(zhuǎn)換件的各參數(shù)如下：

材料：6061合金

質(zhì)量：0.0437907kg

體積：1.62188e-005m3

重量：0.429149N

質(zhì)量密度：2700kg/m3

屈服強度：5.51485e+007N/m2

張力強度：1.24084e+008N/m2

彈性模量：6.9e+010N/m2

泊松比：0.33

抗剪模量：2.6e+010N/m2

熱擴張系數(shù)：2.4e-005/Kelvin

3 切換工作元件時的電路轉(zhuǎn)換

在切換工作模塊時，我們采用杜邦線作為導通電路的線材。杜邦線具有制作速度快、操作簡便等特點。我們將杜邦線在框架上進行固定，在切換工作模塊時，僅需簡單的插拔動作就能夠快速切換工作模塊。在機器故障時也能快速地拆除線纜，以便維修機器。

4 研究總結(jié)

本方案通過設(shè)計出轉(zhuǎn)換件，將多種工作模塊應(yīng)用于一臺機器上，可應(yīng)用于小型企業(yè)生產(chǎn)及家庭DIY。該轉(zhuǎn)換件能使單臺并聯(lián)機器人實現(xiàn)多種功能，使并聯(lián)機器人的擴展性得到極大增強。而且成本低，小型化，便于拆裝，具有一定的推廣價值。通過該轉(zhuǎn)換件，可使并聯(lián)機器人的普及性更高，為未來企業(yè)制造及家庭DIY提供了一種全新的可能性。

參考文獻：

[1]吳懋亮，蔡杰，何濤，謝飛.并聯(lián)結(jié)構(gòu)的3D打印系統(tǒng)設(shè)計與分析[J].機械設(shè)計與制造，2016（07）：113-115+120.

[2]郭曉波，翟雁，吳麗娜.基于3D打印并聯(lián)機器人機構(gòu)的工作空間分析[J].機床與液壓，2018，46（05）：6-8.

[3]蔡團團.基于Delta并聯(lián)機械結(jié)構(gòu)的3D打印機研究[D].長沙理工大學，2017.

[4]韓剛.3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其前景[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（04）：48.