張國輝+楊益+王偉偉+齊鑫+顧金梅

摘 要：3-RPS并聯(lián)機構(gòu)具有高精度、高承載能力、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于實現(xiàn)高速運動等優(yōu)點，由此基于3-RPS并聯(lián)機構(gòu)，開展新型電流體動力打印設(shè)備的研發(fā)工作。對3-RPS并聯(lián)機構(gòu)電流體打印機的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并對一些受力部件以及非標準零件進行了設(shè)計計算，相關(guān)結(jié)果表明采用3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的電流體動力打印設(shè)備設(shè)計方案可行。

關(guān)鍵詞：三自由度并聯(lián)機構(gòu) 電流體動力 3D打印機 結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：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)機構(gòu)相對來說驅(qū)動元件少，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)展以及運用潛力，從而引起了國內(nèi)外大量機械領(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)動以及一維移動同時實現(xiàn)的3-RPS并聯(lián)機構(gòu)成為了全球該領(lǐng)域的研究熱點之一。

但對于三自由度RPS類型的并聯(lián)機構(gòu)，它運動空間上的分析研究并不多。追究其根本原因，是因為RPS類型的并聯(lián)機構(gòu)只有3個獨立的自由度，如果要計算得到對應(yīng)的工作空間，就必須要求出3個自由度的移動坐標，而此過程中對方程整體的求解帶來巨大的困難，尤其體現(xiàn)在解析解的復雜工作量上。李艷文[4]對3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的奇異判別式以及奇異分布進行了研究；利用牛頓的歐拉法則，李永剛[5]對3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的逆動力學進行了分析；對于3-RPS的驅(qū)動力以及約束反力，趙燕[6]采用了力和力矩的平衡方程來進行確定；而在并聯(lián)機構(gòu)剛度上，胡波[7]根據(jù)虛設(shè)機構(gòu)的方法提出了全新的求解方式；運用特征列的方法，牛祿峰[8]對3-RPS的位置正解進行了求解。

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)復雜，運動精度高，但生產(chǎn)產(chǎn)品成本高，花費也高，一般不適合中低端消費者。采用并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)EHD打印，有承載能力好、累計誤差少、結(jié)構(gòu)簡單等一些突出的優(yōu)點。因此，該文主要基于三自由度PRS機構(gòu)設(shè)計一種電流體動力打印設(shè)備，以實現(xiàn)低成本、高精度的圖案化打印功能。

1 3-RPS電流體動力打印設(shè)備總體設(shè)計

整個設(shè)備的設(shè)計以在實際產(chǎn)品上進行圖案化打印為主要目標，在設(shè)計過程中，盡可能采用標準件以及市場上可用的零部件進行外部的總體設(shè)計。運用三自由度并聯(lián)機構(gòu)實現(xiàn)動平臺的空間運動，利用微流量泵將流體壓入噴頭，并且再利用磁控裝置對流體進行控制進行打印。在裝噴頭以及打印過程中可用監(jiān)控裝置對噴頭以及打印處進行觀察，從而及時對設(shè)備進行調(diào)整。

2 設(shè)計方案

該文對3-RPS并聯(lián)機構(gòu)電流體打印機進行了整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對一些受力部件以及非標準零件進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)計中，主要包括了基本外部支架、動平臺等的設(shè)計，對主要受力部件進行了力學上的校核。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 打印機架結(jié)構(gòu)

在整個3D打印機的設(shè)計中，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)機構(gòu)創(chuàng)造運動范圍以及運動方向。采用基本的三角洲打印機的通用外部結(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打印機的機架（科塞爾3D打印機機架）。整個機架采用120 cm的30鋁型材作為高度上的支撐件并且作為傳動帶的基本導軌；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，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電機，增加下端重量從而放低重心，使得整個系統(tǒng)的重心下降，增加平穩(wěn)性。

2.2 動平臺設(shè)計

相應(yīng)裝置利用滾珠型Z軸滑臺控制位置，從而實現(xiàn)對點滴液體的速度以及顆粒大小的控制，以及裝噴頭時候?qū)Υ趴匮b置的位置進行調(diào)整而不會干擾監(jiān)控的視野；氣壓裝置中的流體瓶裝在動平臺上，保證在動平臺運動過程中對氣壓裝置上導管的牽扯達到最小；監(jiān)控主要是裝噴頭時候進行位置的定位以及在打印過程中對打印對象成型的監(jiān)控。整體的裝配如圖3所示。

整個動平臺是以動平臺基板為基礎(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)系將噴頭進行位置的固定。磁控臺通過螺釘固定在直線滾珠型Z軸滑臺上，通過直線滾珠型Z軸滑臺的上下調(diào)整來改變磁控裝置的Z軸位置。

3 主要部件設(shè)計計算

3.1 電機的選型

由于動平臺上裝有多個部件，加上流體的注入，給整個動平臺的安全計算重量為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 動平臺設(shè)計

動平臺是通過3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的桿件和同步帶等連接并保證運動的。由此來保證該并聯(lián)機構(gòu)為三自由度的并聯(lián)機構(gòu)。

并聯(lián)臂采用碳纖維作為材料，通用型碳纖維強度為1 000 MPa、模量為450 GPa左右，此次設(shè)計中并聯(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 非標準件動平臺基板

動平臺基板用來作為動平臺上各個部件的承載物，并和并聯(lián)臂連接形成三自由度并聯(lián)機構(gòu)。如圖4所示，整個動平臺基板作為固定其他裝置的基礎(chǔ)，周邊側(cè)面上的按照機架要求進行設(shè)計。

4 結(jié)論

（1）并聯(lián)機構(gòu)具有高精度、高承載能力、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于實現(xiàn)高速運動等優(yōu)點，該文基于3-RPS并聯(lián)機構(gòu)，并與電流體動力打印原理結(jié)構(gòu)，研發(fā)了一種3-RPS并聯(lián)機構(gòu)的電流體動力打印設(shè)備。

（2）3-RPS并聯(lián)機構(gòu)電流體打印設(shè)備主要是由基本外部支架、3-RPS并聯(lián)機構(gòu)、動平臺等部分組成。

（3）3-RPS并聯(lián)機構(gòu)電流體動力打印設(shè)備成本較低，并能適用于具有能在復雜外形產(chǎn)品表面上進行圖案化打印的功能。

參考文獻

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[8] 牛祿峰.利用特征列方法求解并聯(lián)機構(gòu)位置正解[J].機械設(shè)計，2007，24（8）：28-29.