雙輸出多向3D打印并聯(lián)機器人的研究

3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展開啟了工業(yè)“智造”的新時代，應(yīng)用前景廣泛，成為近幾年先進制造業(yè)的研究熱點。目前市場上大部分基于熔融沉積技術(shù)的3D打印機一次只能打印出一個產(chǎn)品，而且主要采用串聯(lián)機構(gòu)，以單向分層的打印模式成型產(chǎn)品。在實際應(yīng)用中這類打印機存在打印精度低、穩(wěn)定性差和效率低等缺點，當以單向分層打印的方式進行復(fù)雜斜面曲面的成型或二次修復(fù)加工時，易造成產(chǎn)品表面質(zhì)量差、力學性能降低以及干涉等問題。在此背景下，本文的研究目標是設(shè)計一種基于熔融沉積技術(shù)的雙輸出多向3D打印并聯(lián)機器人，使其可以實現(xiàn)多輸出和多向分層打印，節(jié)約成本，提高3D打印的精度與效率。

為設(shè)計一種能滿足雙輸出和多向3D打印需求的并聯(lián)機器人，首先基于李群理論提出一種綜合含有鉸接動平臺的并聯(lián)構(gòu)型的新方法，這種方法可有效的增大并聯(lián)機構(gòu)的轉(zhuǎn)動工作空間，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一類3T2R型的五自由度并聯(lián)機構(gòu)。從中選取一種3T2R型并聯(lián)機構(gòu)為主體，采用同支鏈共驅(qū)動的雙輸出方式，即一套驅(qū)動系統(tǒng)同時控制兩個相同的輸出機構(gòu)，進一步設(shè)計得到雙輸出多向3D打印并聯(lián)機器人。

然后利用螺旋理論計算了3D打印并聯(lián)機構(gòu)的自由度數(shù)目；基于封閉矢量法對機構(gòu)進行了位置反解求解和速度分析；利用位置反解分析了機構(gòu)的定姿態(tài)和定位置工作空間；基于速度分析得到的速度雅克比矩陣，分析了機構(gòu)的正逆運動奇異以及靈巧性，計算了機構(gòu)在工作空間內(nèi)不同位置處的靜剛度值。接著以定姿態(tài)工作空間和定位置工作空間為優(yōu)化目標，基于各結(jié)構(gòu)參數(shù)對優(yōu)化目標的影響建立了優(yōu)化約束條件，利用遺傳算法優(yōu)化計算得到了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸。最后利用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了機構(gòu)的虛擬樣機，在ADAMS軟件中對其進行了自由度運動仿真與驗證，基于雙輸出多向3D打印任務(wù)，對機構(gòu)進行了平面打印和斜面打印的軌跡規(guī)劃以及仿真分析。

研究與分析的結(jié)果表明，本文設(shè)計的3D打印并聯(lián)機器人具有較大的轉(zhuǎn)動工作空間，能實現(xiàn)多向打印，一臺機器一次能同時輸出兩個相同的打印軌跡，可實現(xiàn)雙輸出，而且機構(gòu)在打印運動過程中平穩(wěn)可靠。

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