五自由度3D打印装置研制及关键技术研究
发布时间：2022-01-04 16:28
熔融沉积成型技术FDM（Fused Deposition Modeling）是目前应用最广泛、技术最成熟的3D打印技术之一,广泛应用在教育、医疗和新材料制造等领域。但因其成型原理的限制,对某些具有悬臂、中空结构试件以及复杂自由曲面试件打印时,需要添加支撑结构才能完成成型,不仅浪费时间和材料,还会在拆除支撑后降低打印件表面质量。为了克服这些问题,本文基于FDM原理,提出了一种具有五自由度的3D打印装置,旨在降耗减时的同时,提升打印试件的表面质量。本文对整个打印装置进行了整体的布局设计和试验样机搭建;分析了打印装置各个系统的功能,并对每个功能系统进行了具体的机械结构设计。3-P[2-SS]并联喷头机构在X、Y、Z轴三个方向平动,U-3-PUS并联打印平台机构围绕X、Y轴偏转运动,通过两组并联机构配合实现5个自由度运动,可以在减少支撑结构甚至去除支撑结构情况下,对有悬臂、中空结构的试件以及复杂自由曲面的试件的打印。本文对并联喷头机构、并联打印平台机构进行了自由度分析、运动学正逆解分析,建立了关于各并联结构的运动输入与输出关系的数学模型,为控制程序提供了设计依据。在此基础上,对U-3-PUS并...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．６模型结构与有限元对应点分析＠??ＷｅｉｍｉｎｇＷａｎｇ＾等从节约打印材料、降低打印成本出发，提出了一种自动优化设??
?吉林大学硕士学位论文???國??图１．８?Ｂｏｅｉｎｇ７３７飞行模拟器?图１．９?ＰＩ公司的微定位器Ｍ－８５０??Ｄｅｌｔａ机器人则最早出现于上个世纪８０年代，发明人为Ｒｅｙｍｏｎｄ?Ｃｌａｖｅｌ，初衷是??对质量孝体积小的物体进行高效率抓取，为典型的空间三自由度并联机构，动静平台??均呈三角形，如图１．９［３３］。１９９９年，ＡＢＢ开始销售Ｄｅｌｔａ机器人。直到其专利在２０１２??年解禁后，国内的机器人企业才开始生产并销售Ｄｅｌｔａ机器人。??国内对于Ｄｅｌｔａ机构的研宄也一直在进行，东北大学的王耿华将Ｄｅｌｔａ机构可靠??性作为研宄对象，将机构的弹性变形、质量等动力学因素考虑进来，建立了?Ｄｅｌｔａ型并??联机构的刚柔混合模型，运用ＡＮＳＹＳ和ＡＤＡＭＳ联合仿真的方法对模型可靠性进行??分析。东北大学的许敏［３５］对〇６池机构进行了改进，对新结构工作空间、奇异性等进行??分析，并提出了一种适用于改进的Ｄｅｌｔａ并联机构参数优化的方法，，结合遗传算法（ＧＡ），??参数化模型可以对结构变量的变化做出直接的自动响应。??１．４本文的研究内容??本文基于熔融沉积成型原理设计了具有双并联结构的五自由度３Ｄ打印装置，??通过引入Ｕ－３－ＰＵＳ?（Ｕ为虎克铰，Ｐ为移动副，Ｓ为球面副）并联打印平台，拓展了打??印装置的自由度，实现了对某些具有中空结构或者悬臂结构试件减少甚至去除支撑结??构的打樱具体的研宄工作如下：??（１）既简要概括了?３Ｄ打印技术的历史由来、原理、意义及具有的独特优势，又??突出说明了当前ＦＤＭ?３Ｄ打印支撑技术和并联机构国内外研宄现状。??（２）对具有双并联结构的五自由度３Ｄ打印装置进行设计和分析；
动打印平台的五自由度３Ｄ打印装??置的设计和搭建工作，包括３－Ｐ［２－ＳＳ］（移动副Ｐ，球面副Ｓ）喷头并联机构模块、Ｕ－３－ＰＵＳ??（虎克铰Ｕ）打印平台并联机构模块、辅助加热系统模块、硬件控制系统模块等的设计??与搭建，并对结构可行性进行分析，为后续的去支撑打印试验提供硬件保证和依据。??２．１打印装置的总体设计??耗材卜??「明??？材供给?｜显示与人ｗＴ??Ｉ??￣￣?喷头并联机构?５Ａｒｄｕｉｎｏ控制??……ｑ加热酿??ｍｍ％????打印平台并联机构??图２．１五自由度３Ｄ打印装置的总体结构示意图??如图２．１所示为五自由度３Ｄ打印装置的总体结构示意图，该打印装置主要包括喷??头并联机构、打印平台并联机构、耗材供给模块、控制模块、加热模块、显示与人机交??互模块和铝型材基架。可移动喷头由３－Ｐ［２－ＳＳ］并联结构组成，三棱柱形状基架的三条??长边上半部分滑车共同运动，使喷头可实现Ｘ、Ｙ、Ｚ三轴平动；打印平台并联机构由??Ｕ－３－ＰＵＳ并联机构组成，三棱柱形状基架的三条长边下半部分滑车共同运动，使打印??平台可实现围绕Ｘ、Ｙ轴转动，这样打印喷头和打印平台均为可动，使打印机具备５个??自由度，在成型过程通过平台侧倾平衡重力实现减少支撑的目的。耗材供给模块的主??要组成为步进电机，通过两个摩擦轮之间的摩擦力对丝状的打印耗材进行供给，将耗??材输送至可移动喷头；控制模块由ＡｒｄｕｉｎｏＭｅｇａ２５６０控制板组成，控制模块既是运动??控制中心，同时也是温度控制中心：在实现对喷头及打印平台的运动控制同时，对加热??模块的温度进行控制。加热模块分为两部分：一部分位于喷头处，对丝状耗材进行加热??至熔融状态
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Isight平台的某动车组车体牵引梁焊缝应力的灵敏度分析[J]. 王剑,李嘉明,王兆明. 大连交通大学学报. 2020(01)
[2]星球车导航与动力学联合仿真平台设计研究[J]. 张博文,黄铁球,邢琰,滕宝毅. 西北工业大学学报. 2019(06)
[3]FDM打印的表面质量问题及改善措施[J]. 孙春华. 苏州市职业大学学报. 2019(04)
[4]基于ANSYS Workbench的自动送货机器人车架有限元分析[J]. 董小雷,李冬梅. 机械工程与自动化. 2019(06)
[5]3-UPU并联机构的运动学仿真与分析[J]. 史晓娟,王高洋. 机床与液压. 2019(21)
[6]一种3-PRS并联机构正向运动学求解方法[J]. 黄俊杰,胡博炜,宋金典. 机械传动. 2019(08)
[7]逆向工程及3D打印技术在复杂结构件修复中的应用研究[J]. 黄仲庸,陈智勇,叶仲添,刘威龙. 机电工程技术. 2019(06)
[8]熔融沉积成型技术3D打印机加热系统的模糊自适应PID控制[J]. 曲兴田,王学旭,孙慧超,张昆,闫龙威,王宏一. 吉林大学学报(工学版). 2020(01)
[9]新的6-PSS型并联机构正向运动学求解方法[J]. 谢志江,王昆,皮阳军,吴小勇,郭映位. 吉林大学学报(工学版). 2019(06)
[10]基于模糊自适应PID控制的空压机背压控制器设计[J]. 曹婧华,孔繁森,冉彦中,宋蕊辰. 吉林大学学报(工学版). 2018(03)
博士论文
[1]熔丝沉积成型几何计算关键技术研究[D]. 魏潇然.西北大学 2016
[2]3D打印中的结构优化问题研究[D]. 徐文鹏.中国科学技术大学 2016
[3]覆带起重机起升系统双马达同步控制技术研究[D]. 刘晓峰.吉林大学 2012
[4]飞行模拟器液压Stewart平台奇异位形分析及其解决方法研究[D]. 马建明.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]生物可降解聚合物血管支架3D打印工艺研究[D]. 周瑞琦.大连理工大学 2019
[2]基于3D打印节点的薄壳景观构筑物设计研究[D]. 肖泽恒.华南理工大学 2019
[3]基于六自由度并联机构的复杂曲面增材制造技术研究[D]. 赵隆源.哈尔滨工业大学 2019
[4]装载机工作装置动力学仿真及寿命预测[D]. 范晓峰.长安大学 2019
[5]基于双并联杆机构自由曲面3D打印机开发及试验研究[D]. 闫龙威.吉林大学 2018
[6]熔融沉积成型3D打印中翘曲变形的仿真分析与状态识别方法研究[D]. 申玄伟.浙江大学 2018
[7]熔融沉积成型有限元模拟与支撑结构优化研究[D]. 卢涵.武汉理工大学 2018
[8]彩色三维打印成型系统的设计开发[D]. 冯凡彬.华中科技大学 2015
[9]考虑动力学特性的Delta机构运动可靠性分析与仿真[D]. 王耿华.东北大学 2010
[10]改进的Delta型并联机器人机构运动性能研究[D]. 许敏.东北大学 2008
本文编号：3568672
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．６模型结构与有限元对应点分析＠??ＷｅｉｍｉｎｇＷａｎｇ＾等从节约打印材料、降低打印成本出发，提出了一种自动优化设??
?吉林大学硕士学位论文???國??图１．８?Ｂｏｅｉｎｇ７３７飞行模拟器?图１．９?ＰＩ公司的微定位器Ｍ－８５０??Ｄｅｌｔａ机器人则最早出现于上个世纪８０年代，发明人为Ｒｅｙｍｏｎｄ?Ｃｌａｖｅｌ，初衷是??对质量孝体积小的物体进行高效率抓取，为典型的空间三自由度并联机构，动静平台??均呈三角形，如图１．９［３３］。１９９９年，ＡＢＢ开始销售Ｄｅｌｔａ机器人。直到其专利在２０１２??年解禁后，国内的机器人企业才开始生产并销售Ｄｅｌｔａ机器人。??国内对于Ｄｅｌｔａ机构的研宄也一直在进行，东北大学的王耿华将Ｄｅｌｔａ机构可靠??性作为研宄对象，将机构的弹性变形、质量等动力学因素考虑进来，建立了?Ｄｅｌｔａ型并??联机构的刚柔混合模型，运用ＡＮＳＹＳ和ＡＤＡＭＳ联合仿真的方法对模型可靠性进行??分析。东北大学的许敏［３５］对〇６池机构进行了改进，对新结构工作空间、奇异性等进行??分析，并提出了一种适用于改进的Ｄｅｌｔａ并联机构参数优化的方法，，结合遗传算法（ＧＡ），??参数化模型可以对结构变量的变化做出直接的自动响应。??１．４本文的研究内容??本文基于熔融沉积成型原理设计了具有双并联结构的五自由度３Ｄ打印装置，??通过引入Ｕ－３－ＰＵＳ?（Ｕ为虎克铰，Ｐ为移动副，Ｓ为球面副）并联打印平台，拓展了打??印装置的自由度，实现了对某些具有中空结构或者悬臂结构试件减少甚至去除支撑结??构的打樱具体的研宄工作如下：??（１）既简要概括了?３Ｄ打印技术的历史由来、原理、意义及具有的独特优势，又??突出说明了当前ＦＤＭ?３Ｄ打印支撑技术和并联机构国内外研宄现状。??（２）对具有双并联结构的五自由度３Ｄ打印装置进行设计和分析；
动打印平台的五自由度３Ｄ打印装??置的设计和搭建工作，包括３－Ｐ［２－ＳＳ］（移动副Ｐ，球面副Ｓ）喷头并联机构模块、Ｕ－３－ＰＵＳ??（虎克铰Ｕ）打印平台并联机构模块、辅助加热系统模块、硬件控制系统模块等的设计??与搭建，并对结构可行性进行分析，为后续的去支撑打印试验提供硬件保证和依据。??２．１打印装置的总体设计??耗材卜??「明??？材供给?｜显示与人ｗＴ??Ｉ??￣￣?喷头并联机构?５Ａｒｄｕｉｎｏ控制??……ｑ加热酿??ｍｍ％????打印平台并联机构??图２．１五自由度３Ｄ打印装置的总体结构示意图??如图２．１所示为五自由度３Ｄ打印装置的总体结构示意图，该打印装置主要包括喷??头并联机构、打印平台并联机构、耗材供给模块、控制模块、加热模块、显示与人机交??互模块和铝型材基架。可移动喷头由３－Ｐ［２－ＳＳ］并联结构组成，三棱柱形状基架的三条??长边上半部分滑车共同运动，使喷头可实现Ｘ、Ｙ、Ｚ三轴平动；打印平台并联机构由??Ｕ－３－ＰＵＳ并联机构组成，三棱柱形状基架的三条长边下半部分滑车共同运动，使打印??平台可实现围绕Ｘ、Ｙ轴转动，这样打印喷头和打印平台均为可动，使打印机具备５个??自由度，在成型过程通过平台侧倾平衡重力实现减少支撑的目的。耗材供给模块的主??要组成为步进电机，通过两个摩擦轮之间的摩擦力对丝状的打印耗材进行供给，将耗??材输送至可移动喷头；控制模块由ＡｒｄｕｉｎｏＭｅｇａ２５６０控制板组成，控制模块既是运动??控制中心，同时也是温度控制中心：在实现对喷头及打印平台的运动控制同时，对加热??模块的温度进行控制。加热模块分为两部分：一部分位于喷头处，对丝状耗材进行加热??至熔融状态
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Isight平台的某动车组车体牵引梁焊缝应力的灵敏度分析[J]. 王剑,李嘉明,王兆明. 大连交通大学学报. 2020(01)
[2]星球车导航与动力学联合仿真平台设计研究[J]. 张博文,黄铁球,邢琰,滕宝毅. 西北工业大学学报. 2019(06)
[3]FDM打印的表面质量问题及改善措施[J]. 孙春华. 苏州市职业大学学报. 2019(04)
[4]基于ANSYS Workbench的自动送货机器人车架有限元分析[J]. 董小雷,李冬梅. 机械工程与自动化. 2019(06)
[5]3-UPU并联机构的运动学仿真与分析[J]. 史晓娟,王高洋. 机床与液压. 2019(21)
[6]一种3-PRS并联机构正向运动学求解方法[J]. 黄俊杰,胡博炜,宋金典. 机械传动. 2019(08)
[7]逆向工程及3D打印技术在复杂结构件修复中的应用研究[J]. 黄仲庸,陈智勇,叶仲添,刘威龙. 机电工程技术. 2019(06)
[8]熔融沉积成型技术3D打印机加热系统的模糊自适应PID控制[J]. 曲兴田,王学旭,孙慧超,张昆,闫龙威,王宏一. 吉林大学学报(工学版). 2020(01)
[9]新的6-PSS型并联机构正向运动学求解方法[J]. 谢志江,王昆,皮阳军,吴小勇,郭映位. 吉林大学学报(工学版). 2019(06)
[10]基于模糊自适应PID控制的空压机背压控制器设计[J]. 曹婧华,孔繁森,冉彦中,宋蕊辰. 吉林大学学报(工学版). 2018(03)
博士论文
[1]熔丝沉积成型几何计算关键技术研究[D]. 魏潇然.西北大学 2016
[2]3D打印中的结构优化问题研究[D]. 徐文鹏.中国科学技术大学 2016
[3]覆带起重机起升系统双马达同步控制技术研究[D]. 刘晓峰.吉林大学 2012
[4]飞行模拟器液压Stewart平台奇异位形分析及其解决方法研究[D]. 马建明.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]生物可降解聚合物血管支架3D打印工艺研究[D]. 周瑞琦.大连理工大学 2019
[2]基于3D打印节点的薄壳景观构筑物设计研究[D]. 肖泽恒.华南理工大学 2019
[3]基于六自由度并联机构的复杂曲面增材制造技术研究[D]. 赵隆源.哈尔滨工业大学 2019
[4]装载机工作装置动力学仿真及寿命预测[D]. 范晓峰.长安大学 2019
[5]基于双并联杆机构自由曲面3D打印机开发及试验研究[D]. 闫龙威.吉林大学 2018
[6]熔融沉积成型3D打印中翘曲变形的仿真分析与状态识别方法研究[D]. 申玄伟.浙江大学 2018
[7]熔融沉积成型有限元模拟与支撑结构优化研究[D]. 卢涵.武汉理工大学 2018
[8]彩色三维打印成型系统的设计开发[D]. 冯凡彬.华中科技大学 2015
[9]考虑动力学特性的Delta机构运动可靠性分析与仿真[D]. 王耿华.东北大学 2010
[10]改进的Delta型并联机器人机构运动性能研究[D]. 许敏.东北大学 2008
本文编号：3568672
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