孟 超，馬保聰，田相克，劉嘉昊，高 潔，王 松

（臨沂大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

1.引言

并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種在動(dòng)平臺和靜平臺之間利用兩個(gè)或者兩個(gè)以上的互相獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈的連接構(gòu)成的閉鏈機(jī)構(gòu)，以并聯(lián)傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)的多維度系統(tǒng)。與傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，具有牢固性好、壽命長、精度高、能動(dòng)性好、承載能力強(qiáng)、誤差少等諸多特點(diǎn)，具有相當(dāng)大的應(yīng)用發(fā)展前景。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，將六個(gè)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)與3D打印機(jī)結(jié)合，形成了結(jié)構(gòu)新穎的基于stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型五軸3D打印機(jī)。因其獨(dú)特結(jié)構(gòu)特性，對控制程序提出了新要求，其控制精度不是很精準(zhǔn)，且由于打印模型復(fù)雜結(jié)構(gòu)等原因使得誤差干擾加大，因此可能會導(dǎo)致打印機(jī)噴頭不能按照規(guī)定路線進(jìn)行，影響其打印作品整體質(zhì)量。為此需要不斷改進(jìn)，為打印機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制作提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展特點(diǎn)

2.1 五軸3D打印機(jī)

所設(shè)計(jì)的打印機(jī)即為五軸3D打印機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中的一種。目前，我國打印機(jī)發(fā)展還處于起步階段，打印機(jī)研究還不夠深入，至于五軸打印機(jī)在我國由于一些技術(shù)上匱乏還處于尚未發(fā)展階段，而挪威奧斯陸大學(xué)已經(jīng)開始了一種五軸3D打印機(jī)開發(fā)研究，使用基于FANUG Type 1和Type H的標(biāo)準(zhǔn)G代碼，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)中加入了A、B兩個(gè)角度，從而提升了打印機(jī)的靈活度，可以讓打印過程更加順暢，打印產(chǎn)品更加標(biāo)準(zhǔn)化，提升整體打印速度。

2.2 Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)

Stewart平臺并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：牢固性好、壽命長、精度高、能動(dòng)性好、承載能力強(qiáng)、誤差少且不累計(jì)等。該并聯(lián)機(jī)構(gòu)在一些機(jī)械裝置的應(yīng)用上可以與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相互配合形成相輔相成的關(guān)系。Stewart平臺并聯(lián)機(jī)構(gòu)在世界很多領(lǐng)域的到了應(yīng)用，航空、航天、潛水作業(yè)等領(lǐng)域。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，在運(yùn)動(dòng)學(xué)、奇異性、動(dòng)力學(xué)方面還存在著一些需要解決的問題。Stewart平臺中雅可比矩陣是其主要內(nèi)容。

3.主要研究內(nèi)容

針對現(xiàn)有的三軸熔融堆積成型工藝存在的表面粗糙度較差，支撐過多，材料利用率等關(guān)鍵的問題提出運(yùn)用Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的五軸3D打印技術(shù)。本項(xiàng)目的總體方案設(shè)計(jì)是以Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)為核心機(jī)構(gòu)，總共分為三個(gè)部分，分別為Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)底座，以Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制打印噴頭，液冷散熱裝置。

首先是Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的五軸3D打印技術(shù)，突破了平面疊加的打印填充方式，能夠?qū)崿F(xiàn)減少支撐甚至無支撐打印，既節(jié)省了打印時(shí)間和材料消耗，又防止了打印支撐對模型表面的破壞，從而提高了打印精度。

其次噴頭部分選擇Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)用來控制噴頭的自由度，由三個(gè)電機(jī)和三個(gè)支鏈共同控制，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定位，提高了打印速度。Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)與底座的Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)形成互補(bǔ)，因?yàn)镾tewart平臺并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、位置誤差不累計(jì)等特點(diǎn)，平臺和噴頭可以很好的配合進(jìn)行精準(zhǔn)高速打印。

最后是液冷散熱裝置，由于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型五軸3D打印機(jī)內(nèi)部需要有多個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，功率較大所以打印機(jī)內(nèi)部的溫度上升較快，而打印機(jī)內(nèi)部的溫度需要得到精準(zhǔn)的控制，而當(dāng)前的風(fēng)冷結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足打印機(jī)的全身控溫。為了得到一個(gè)穩(wěn)定良好的打印環(huán)境，改革散熱系統(tǒng)是勢在必行的。本次設(shè)計(jì)采用的全機(jī)身的循環(huán)水冷散熱，不但能實(shí)現(xiàn)打印機(jī)內(nèi)部的迅速降溫，并且能夠?qū)μ囟ǖ奈恢眠M(jìn)行精準(zhǔn)的控溫，避免了因?yàn)樯岵患皶r(shí)而產(chǎn)生的打印機(jī)過熱而燒傷模表面。

4.Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)五軸打印裝備設(shè)計(jì)

4.1 Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)五軸3D打印機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)五軸3D打印機(jī)工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會影響到零件的打印質(zhì)量與打印速度，基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的3D打印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，由原三角洲的鋁型材構(gòu)成支撐架、Stewart并聯(lián)工作臺、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)組成。在該新型五軸3D打印機(jī)中，3根鋁材通過兩個(gè)鋁板彼此連接而成，構(gòu)成整體框架，用來支撐內(nèi)部零件的安裝，該框架延續(xù)了原有三角洲打印機(jī)優(yōu)勢，制造成本低，易于維護(hù)安裝，結(jié)構(gòu)簡單，方便后期研究開發(fā)。

圖1 基于 Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型五軸3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.1 Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

Delta機(jī)構(gòu)為典型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由固定平臺和浮動(dòng)平臺以及三條完全一致的支鏈構(gòu)成，三條支鏈在固定平臺與浮動(dòng)平臺之間上下移動(dòng)并呈120度均勻分布。每一條支鏈的組成都是有一個(gè)主動(dòng)桿和一個(gè)被動(dòng)桿。

Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)以精度高，工作空間大，速度高等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。所以該五軸打印機(jī)采用Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)。但是將原有旋轉(zhuǎn)鉸鏈換成了球形鉸鏈，球形鉸鏈會限制三個(gè)自由度X,Y,Z，而三個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度是沒有約束的，通過SolidWorks的motion仿真發(fā)現(xiàn)模型完全沒有之前旋轉(zhuǎn)鉸鏈時(shí)的冗余約束，模型的自由度也成了正常的三個(gè)自由度，并且空間運(yùn)動(dòng)范圍更大，不容易出現(xiàn)干涉。

4.1.2 Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

底座是用來承載已加工表面的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的打印機(jī)底座的自由度只有一個(gè)，從而導(dǎo)致模型的后期處理支撐過多且難以消除，而運(yùn)用Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的五軸打印機(jī)在打印過程中可以控制平臺的傾斜角度，從而打印模型中懸空或者傾斜的部分能達(dá)到減少或者是消除支撐。Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)由多個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)組成，多個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)共同作用，互相沒有累積，還能互相抵消誤差，致使運(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)精度更高，能更好貼合模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾斜。Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的輸入驅(qū)動(dòng)設(shè)置在平臺底面降低重心，使得平臺重量相對較輕，運(yùn)動(dòng)時(shí)可以達(dá)到快速響應(yīng)。

4.2 Stewart 并聯(lián)機(jī)構(gòu)五軸打印控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

3D打印機(jī)作為一種數(shù)控設(shè)備，通過切片軟件對3D模型進(jìn)行切片后生成的運(yùn)動(dòng)指令來完成打印操作。而運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)本質(zhì)上就是解析這些運(yùn)動(dòng)指令，并把驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作脈沖發(fā)送出，讓3D打印機(jī)機(jī)械部分執(zhí)行動(dòng)作，完成打印，控制系統(tǒng)如圖2所示。

本設(shè)計(jì)采用了較為流行的makerbase公司FDM主板—Robin系列，Robin系列主控板采用32位高速ARM芯片支持TFT觸摸屏，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)打、斷料檢測、wifi傳輸?shù)裙δ堋；緷M足現(xiàn)有FDM打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制需求。

圖2 基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型五軸3D打印機(jī)的系統(tǒng)控制流程圖

4.2.2 冷卻控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)是采用了液冷散熱系統(tǒng)，液冷散熱系統(tǒng)是利用泵推動(dòng)散熱管中的冷卻液循環(huán)并進(jìn)行散熱。液冷散熱作為一種成熟的冷卻控制系統(tǒng)，一直廣泛應(yīng)用于汽車，飛機(jī)引擎等。液冷散熱系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域也正在普及，得益于液冷散熱效果遠(yuǎn)大于空氣，其安全性和穩(wěn)定性都有了很大進(jìn)步。由于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型五軸3D打印機(jī)內(nèi)部需要有多個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，功率較普通桌面級打印機(jī)大許多，打印機(jī)內(nèi)部溫度上升較快且不易控制，噴頭和打印機(jī)內(nèi)部溫度一旦過高很容易燙傷模型表面，并且溫度過高很容易燒焦耗材產(chǎn)生異味，風(fēng)冷散熱已經(jīng)不能滿足打印機(jī)的散熱要求，所以本打印機(jī)采用了液冷散熱系統(tǒng)對打印機(jī)進(jìn)行整機(jī)散熱，可以精準(zhǔn)地對打印機(jī)進(jìn)行局部控溫，有效避免打印機(jī)局部溫度過熱，使打印機(jī)的工作更加穩(wěn)定安全。

5.結(jié)語

該系統(tǒng)在繼承了現(xiàn)有三維打印基礎(chǔ)平臺的功能后主要開展了新型Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺的設(shè)計(jì),確定了并聯(lián)臂的結(jié)構(gòu)并結(jié)合基礎(chǔ)平臺的特性進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)。為滿足姿態(tài)轉(zhuǎn)變平臺的安裝與標(biāo)定要求，進(jìn)而進(jìn)行打印控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其滿足五軸系統(tǒng)控制的要求。最后解決現(xiàn)有擠出裝置在3D打印過程中的問題，最終完成本五軸3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)。