基于解耦并联机构的3D打印机结构设计与研究

发布时间：2017-08-16 17:05

  本文关键词：基于解耦并联机构的3D打印机结构设计与研究

  更多相关文章： 3D打印 解耦并联机构 尺寸优化 动力学 样机设计

【摘要】：作为快速成形领域的一种新兴技术,3D打印技术综合了计算机技术、精密机械、材料科学等多种先进技术,使产品大大缩短了加工周期,已被广泛应用于医疗、汽车、航空航天等领域。然而目前3D打印设备普遍采用串联机构作为执行机构,因而存在打印精度差、速度低等问题,给3D打印机的推广带来了一定的困难。3D打印机的主体为执行机构,因此执行机构是影响3D打印质量的关键因素之一。为此,本文以3D打印机执行机构为出发点来展开研究,旨在改善现有3D打印设备在本体结构上存在的问题。通过对FDM工艺3D打印机工作机理的分析,阐述3D打印机的运动原理,从结构和功能上指出现有3D打印机执行机构的不足之处,总结影响3D打印精度和速度的因素,提出解耦并联3D打印机器人的设计方法。对比耦合与解耦并联机构的优缺点,选取3-CUR解耦并联机构作为3D打印机的执行机构。对执行机构进行运动学分析,得到机构输入与输出之间的映射关系,应用机构的输入输出微分关系,建立机构输入输出的误差模型,分析机构的定位精度。以灵巧度为指标优化机构的运动精度,以打印空间为目标,基于机构参数性能图谱和遗传算法优化机构参数。采用牛顿欧拉方法建立机构的动力学模型,基于给定轨迹利用Adams软件对动力学模型进行验证。在不考虑构件质量的情况下,动力学模型转化为静力学模型,利用maple软件得到机构的静力全解,利用MATLAB软件绘制机构各支链约束力、力矩在给定工况下的变化曲线,分析机构的受力特性。采用虚设转动副法,建立动平台变形与六维外载荷的映射关系。基于理论分析,对各个杆件进行设计,利用有限元分析软件验证虚拟样机的刚度特性,最后进行样机制造,并分析了其控制原理。
【关键词】：3D打印 解耦并联机构 尺寸优化 动力学 样机设计
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP334.8
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 课题来源及研究背景11-12
• 1.1.1 课题来源11
• 1.1.2 研究背景11-12
• 1.2 3D打印技术的国内外发展现状12-16
• 1.2.1 国外情况12-14
• 1.2.2 国内情况14-15
• 1.2.3 国内外 3D打印未来发展前景15-16
• 1.3 我国 3D打印机面临的问题及解决方向16-18
• 1.4 研究目的和意义18-19
• 1.5 论文的主要研究内容19-20
• 第2章 3D打印机工作机理分析及机构设计方案20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 3D打印技术简介20-24
• 2.2.1 3D打印技术概念20
• 2.2.2 相对于传统技术的区别和优势20-21
• 2.2.3 3D打印机的分类21
• 2.2.4 3D打印累积技术原理21-23
• 2.2.5 打印耗材23-24
• 2.3 基于FDM工艺的 3D打印机工作机理24-28
• 2.3.1 打印机的运动特性分析24-25
• 2.3.2 3D打印机分类及结构组成25-27
• 2.3.3 打印精度和打印速度分析27-28
• 2.4 3D打印机设计方案28-30
• 2.4.1 确定设计任务28
• 2.4.2 设计原则28-29
• 2.4.3 设计指标29
• 2.4.4 执行机构技术设计29-30
• 2.5 本体机构的选择30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 3-CUR机构的定位精度分析与尺寸优化32-54
• 3.1 引言32
• 3.2 解耦并联 3-CUR机构运动学分析32-40
• 3.2.1 机构组成32-33
• 3.2.2 机构位置正反解33-34
• 3.2.3 打印空间连续性分析34-35
• 3.2.4 速度和加速度分析35-40
• 3.3 3-CUR并联机构的定位精度分析40-43
• 3.3.1 并联机器人位置误差建模40-41
• 3.3.2 3-CUR并联机器人精度分析41
• 3.3.3 误差补偿方法41-42
• 3.3.4 误差模型可行性分析42-43
• 3.4 3-CUR机构运动精度分析43-47
• 3.4.1 运动精度的评价指标43
• 3.4.2 驱动角范围的选取43-47
• 3.5 3-CUR机构尺寸性能图谱的绘制47-50
• 3.5.1 3-CUR机构的结构参数数学模型建立47-49
• 3.5.2 绘制结构参数的性能图谱49-50
• 3.6 基于遗传算法的机构参数优化50-53
• 3.6.1 优化思路50-51
• 3.6.2 机构结构参数优化过程51-52
• 3.6.3 结构参数优化结果与验证52-53
• 3.7 本章小结53-54
• 第4章 3-CUR机构静力学特性研究和动力学分析54-74
• 4.1 引言54
• 4.2 并联机构力学模型的建立54-63
• 4.2.1 动平台力学平衡方程的建立55-56
• 4.2.2 长连杆力学平衡方程的建立56-59
• 4.2.3 驱动杆力学平衡方程的建立59-63
• 4.2.4 机构各杆件转动惯量的求解63
• 4.3 动力学分析63-66
• 4.3.1 机构动力学模型求解63-64
• 4.3.2 基于Adams软件的动力学模型验证64-65
• 4.3.3 驱动力矩分析65-66
• 4.4 静力学特性分析66-70
• 4.4.1 静力学求解66
• 4.4.2 基于工况下的机构受力特性分析66-70
• 4.5 刚度分析70-72
• 4.6 本章小结72-74
• 第5章 3D打印机结构设计与制造74-85
• 5.1 引言74
• 5.2 样机设计74-80
• 5.2.1 杆件截面尺寸计算75-76
• 5.2.2 圆柱副的设计76
• 5.2.3 驱动杆的设计76-77
• 5.2.4 长连杆的设计77-78
• 5.2.5 轴座的设计78-79
• 5.2.6 动平台的设计79-80
• 5.3 样机制造80-82
• 5.3.1 虚拟样机刚度校核80-82
• 5.3.2 样机制造82
• 5.4 样机控制原理82-83
• 5.5 运动功能实验验证83
• 5.6 本章小结83-85
• 结论85-87
• 参考文献87-91
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务及主要成果91-92
• 致谢92

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本文编号：684459