并聯(lián)臂式3D打印機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

張小建+夏煒煒+黃嘉昊+解乃軍+陸欣云

摘要：文章針對(duì)并聯(lián)臂式3D打印機(jī)機(jī)構(gòu)展開(kāi)研究，主要目標(biāo)是研究一種便攜式可伸縮的并聯(lián)臂式3D打印機(jī)機(jī)構(gòu)。在傳統(tǒng)3D打印機(jī)的基礎(chǔ)上提出并聯(lián)臂式虛擬軸設(shè)計(jì)方案，構(gòu)造一種新型3D打印機(jī)的機(jī)構(gòu)，并將其作為3D打印機(jī)運(yùn)行的本體機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：便攜式；并聯(lián)臂式；可伸縮；3D打印機(jī)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP334 文章編號(hào)：1009-2374（2016）33-0005-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.33.003

1 概述

3D打印在國(guó)內(nèi)外是一個(gè)新型領(lǐng)域，具有巨大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，不再是依賴(lài)于傳統(tǒng)的工藝技術(shù)，而是根據(jù)設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品模型，打印出想要的實(shí)體模型，不需要過(guò)多的人力物力就能制造出產(chǎn)品。

本文所設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)最新奇的地方在于它的Z軸設(shè)計(jì)。機(jī)器不再采用固定長(zhǎng)度的支撐架，而是將帶有出料器和噴頭的打印機(jī)安置在3條可伸縮的套筒伸縮器上，這樣的設(shè)計(jì)使得打印機(jī)的整體體積不再受限于構(gòu)建空間的體積，而能在不使用的時(shí)候?qū)⒋蛴C(jī)收縮成僅有一個(gè)公事包的大小。

本文研究的并聯(lián)臂式3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了可伸縮功能，當(dāng)開(kāi)展工作時(shí)，結(jié)構(gòu)展開(kāi)的工作尺寸為818×506×450，打印完成之后，結(jié)構(gòu)收縮后，其尺寸為481×347×350，大大減小機(jī)體體積，攜帶存放方便。在提供足夠大的構(gòu)建空間的同時(shí)，能夠根據(jù)工作需要自動(dòng)伸展收縮機(jī)構(gòu)，在不影響甚至是改進(jìn)設(shè)備功能的情況下，改進(jìn)機(jī)體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可伸縮，便于攜帶，提供設(shè)備性能。

2 整體方案設(shè)計(jì)

本論文所研究的并聯(lián)臂式3D打印機(jī)為DELTA機(jī)構(gòu)的一種，從結(jié)構(gòu)形式上來(lái)看與Star Like并聯(lián)機(jī)構(gòu)、Tsai并聯(lián)機(jī)構(gòu)相同，屬于3自由度的三維純移動(dòng)機(jī)構(gòu)。同大部分的并聯(lián)臂式3D打印機(jī)構(gòu)一樣，它主要由三角支撐架機(jī)構(gòu)、并聯(lián)臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)、打印頭和平臺(tái)組件組成。原先的三角支撐架結(jié)構(gòu)是剛性的，不可伸縮，通過(guò)優(yōu)化改良，將三角支撐架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可伸縮式機(jī)架，其設(shè)計(jì)方案如圖1所示。這樣的設(shè)計(jì)方案使3D打印機(jī)框架本體所能適應(yīng)的空間維度更加廣闊，也使打印機(jī)適應(yīng)各種大小零件的打印。三角結(jié)構(gòu)框架的改進(jìn)達(dá)到了伸縮式的目的，使機(jī)構(gòu)本身的靈活性更為突顯。

本設(shè)計(jì)方案：利用三個(gè)滑塊分別在三根直線(xiàn)滑軌上是移動(dòng)，帶動(dòng)并聯(lián)臂運(yùn)動(dòng)，從而形成對(duì)X、Y、Z三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的控制，并聯(lián)臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)和同步帶，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶帶動(dòng)滑塊在直線(xiàn)滑軌上上下移動(dòng)。由此順序的連接，使整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形成一個(gè)整體，保證了運(yùn)動(dòng)的可靠穩(wěn)定，為確保打印精度奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為42HS8401，同步帶型號(hào)為2GT-6。送料機(jī)構(gòu)置于三角支撐架結(jié)構(gòu)的上端，打印頭設(shè)置在可伸縮式機(jī)架內(nèi)部，通過(guò)并聯(lián)臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與可伸縮式機(jī)架連接，送料機(jī)與打印頭之間通過(guò)送料管連通，平臺(tái)組件設(shè)置在可伸縮式機(jī)架底部。自上而下的合理布置使打印機(jī)本身的各機(jī)構(gòu)清晰明了，為打印機(jī)構(gòu)提供了一種快捷有效的生產(chǎn)方式。

在產(chǎn)品優(yōu)化及功能開(kāi)發(fā)中，產(chǎn)品在平臺(tái)組件上增設(shè)了一個(gè)小小的零件——便攜把手，安裝這一零件是為了達(dá)到便攜的目的。在不影響機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)，同時(shí)又要做到不干涉3D打印機(jī)正常工作且不影響其美觀的前提下，將便攜把手安裝在打印平臺(tái)的底部，利用它來(lái)提起整個(gè)機(jī)器就會(huì)方便多了。

3 功能組件1——可伸縮部件設(shè)計(jì)

在打印相對(duì)較大的零件時(shí)，我們也需要足夠大的3D打印機(jī)進(jìn)行打印，以滿(mǎn)足零件本身的空間要求。如果設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠滿(mǎn)足較大零件生產(chǎn)的機(jī)器，那么它的占地面積勢(shì)必會(huì)很大，在不需要其工作時(shí)，它所占的空間就浪費(fèi)了。為了避免這樣的情況，也為并聯(lián)臂3D打印機(jī)更加靈活，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款可伸縮的打印機(jī)框架結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)在于三角支撐架的橫向及縱向皆可通過(guò)調(diào)節(jié)伸縮，這樣的設(shè)計(jì)使其在使用過(guò)程中適應(yīng)性更強(qiáng)、更方便攜帶。

圖1所示的是縮小到最小狀態(tài)的三角結(jié)構(gòu)框架。可伸縮式機(jī)架為角件和伸縮桿構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，角件包括三個(gè)上支撐角件和三個(gè)下支撐角件，三條伸縮桿呈三角形平行排列，每條伸縮桿的上下兩端分別與一個(gè)上支撐角件和一個(gè)下支撐角件固定連接，三個(gè)上支撐角件通過(guò)三條伸縮桿相連，構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，作為可伸縮式機(jī)架的頂部，三個(gè)下支撐角件通過(guò)三條伸縮桿相連，構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，作為可伸縮式機(jī)架的底部。伸縮桿包括支撐桿套、支撐桿、直線(xiàn)軸承和軸承座，支撐桿套的一端固定在角件上，另一端通過(guò)直線(xiàn)軸承和軸承座與支撐桿的一端連接，支撐桿的另一端固定在另一角件上，軸承座上還設(shè)有鎖緊螺釘座，鎖緊螺釘座上設(shè)有鎖緊螺釘，鎖緊螺釘用于鎖緊伸縮桿，固定其長(zhǎng)度。

支撐桿分別通過(guò)直線(xiàn)軸承伸入到對(duì)應(yīng)的支撐桿套中，支撐桿是活動(dòng)件，當(dāng)支撐桿伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，通過(guò)設(shè)置在鎖緊螺釘座上的鎖緊螺釘進(jìn)行鎖緊，使上方三根桿固定不動(dòng)，形成首尾相接的三角形。下方結(jié)構(gòu)相同，上下一致動(dòng)作，便可實(shí)現(xiàn)水平方向上的伸縮。垂直方向上的伸縮原理相同。

三角支撐架機(jī)構(gòu)中的支撐桿套、角件是采用鑄鋁銑削加工而成的，利用鑄鋁為材料不僅能夠滿(mǎn)足三角架本身的剛度要求，而且這種材料質(zhì)量輕，大大減小了打印機(jī)的重量。支撐桿采用45鋼鍍鉻而成，支撐桿直徑不大，采用45鋼鍍鉻保證了支撐桿的剛性，延長(zhǎng)了它的使用壽命。承座與鎖緊螺釘座采用鋁件加工而成，表面做噴砂處理。

4 功能組件2——便攜部件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)便攜式機(jī)構(gòu)時(shí)，充分考慮到了方便、快捷、節(jié)省的設(shè)計(jì)理念，在原有的、已完成的機(jī)構(gòu)框架上想出路，既保證了機(jī)構(gòu)原來(lái)的工作性能，又完善了機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體的功能，同時(shí)又不影響其美觀。

由平臺(tái)組件的組成看，原平臺(tái)組件在打印機(jī)機(jī)構(gòu)中主要有兩大作用：一是提供打印平臺(tái)打印相關(guān)零件，打印平臺(tái)置于加熱平臺(tái)之上，為加工零件提供依托平臺(tái)；二是內(nèi)設(shè)調(diào)平螺絲，通過(guò)調(diào)平螺絲連接打印平臺(tái)與三角伸縮支架機(jī)構(gòu)的同時(shí)，也通過(guò)調(diào)平螺絲對(duì)打印平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平，以確保打印精度?，F(xiàn)在加熱平臺(tái)的底部安裝一個(gè)便攜把手，增加了一項(xiàng)便攜的功能。通過(guò)對(duì)平臺(tái)組件的開(kāi)發(fā)利用不僅使其只作為打印零件的依托，更使它作為整個(gè)框架構(gòu)件的紐帶，成為便攜把手的有利依托。當(dāng)整個(gè)機(jī)構(gòu)縮到最小時(shí)，將機(jī)構(gòu)倒置，這樣其整體就是一個(gè)可提攜的三角箱體，這樣的設(shè)計(jì)更符合人體舒適度的要求，方便攜帶。

在材料的選擇上也充分考慮到材料與加工零件材料的相適應(yīng)性，由此加熱平臺(tái)采用3mm厚的三角形鋁基板制成；打印平臺(tái)采用高硼玻璃制成，耐高溫、耐腐蝕，性能穩(wěn)定，在此平臺(tái)上打印零件方便摘取。

5 結(jié)語(yǔ)

并聯(lián)臂式3D打印機(jī)的打印速度要比普通XYZ三軸3D打印機(jī)快很多，且成本可降低20%左右?？梢源蛴〉漠a(chǎn)品目前以日常生活用品為主，比如塑料水杯、盒子等以及文化創(chuàng)意物品、外形復(fù)雜美觀的裝飾品。本文主要針對(duì)并聯(lián)臂式3D打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，重點(diǎn)對(duì)送料機(jī)構(gòu)與支撐構(gòu)件進(jìn)行了研究與優(yōu)化，使該機(jī)構(gòu)達(dá)到了更高的打印精度和速度，具有一定的運(yùn)用前景。

未來(lái)并聯(lián)臂式3D打印機(jī)研究方向主要有以下四個(gè)方面：（1）并聯(lián)臂式3D打印機(jī)綜合檢測(cè)系統(tǒng)的研究，包括位置、速度等；（2）并聯(lián)臂式3D打印機(jī)工作空間和靈活度的分析；（3）多自由度并聯(lián)臂式3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)與研究；（4）提高并聯(lián)臂式3D打印機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的精度及其抗干擾能力。

通過(guò)對(duì)并聯(lián)臂式3D打印機(jī)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)，項(xiàng)目組同學(xué)學(xué)會(huì)了使用UG軟件進(jìn)行曲面建模，學(xué)會(huì)使用UG進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真以及有限元分析，并且進(jìn)一步明確了未來(lái)的研究方向。在學(xué)到知識(shí)的同時(shí)，還學(xué)到如何合理地利用時(shí)間，如何合理地進(jìn)行人力資源分配。我們要勇于探索高端，不能滿(mǎn)足于現(xiàn)狀。

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作者簡(jiǎn)介：張小建（1994-），江蘇南通人，南京工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）