基于并联臂的3d打印机设计研究

基于并联臂的3d打印机设计研究

曾禹铭

摘要：随着社会生产力的不断发展，打印机不仅是人们日常生活中经常要使用的物品之一，而且也是社会诸多行业的必备品，而在打印机的发展过程中，受到科技这一因素的影响，3d打印机出现在人们的视野中。为了促使3d打印机能够得到进一步发展，本文主要探讨的内容就以3d打印机为基点，针对并联臂的3d打印机结构展开研究，在此基础上探讨并联臂的3d打印机设计，希望能够为实际的活动开展提供一些借鉴意见，从而促进整体的进步与发展。

关键词：3d；打印机；并联臂

一、前言

在时代的发展长河之中，世界经历了数次工业革命，所有工业革命之所以会发生，是因为阻碍技术发展的困难降到最低档，因此，在科技因素的影响，无论是人们的日常生活还是社会各个行业的发展，都在这一因素的作用下发生了不小的改变。打印机不仅是计算机的输出设备之一，而且也是将计算机处理结果打印在相关介质上的一项设备，已经成为人们生活中经常需要使用的物品，所发挥的作用不可替代。

3D打印技术(也称为快速制造技术),被标榜为新一轮工业革命的代表技术,得到我国政府的大力支持。2016年7月28日,国务院发布“十三五”国家科技创新规划。主要规划“十三五”期间科技创新的整体思维、发展目标、主要任务和重大举措,是中国在该领域的的重点专项规划,是我国迈进创新型国家的行列的行动方向。3D打印专业的建设所需要的条件很多,其中包括设备的购买、场地的规划等等,现阶段的3D打印设备的价格都比较昂贵,特别是光固化成型设备,其一般价格都在100万左右,3D打印机是集机械学科、电子学科、材料学科等一系列学科的产物,是一台完美的机电一体化设备。

随着3D打印行业的兴起,3D打印机新结构的设计至关重要,打印头移动速度快,打印精度高,组成部件数量少,制造成本低是设计时考虑的主要因素。达索公司的三维设计软件Solidworks,设计出一款组件少,结构紧密,可携带外出打印,零件易加工、更换,由并联连杆机构,固定基座和控制电机组成的并联臂3D打印机主体部分,通过控制三台同等参数的24V直流电机分别操纵相应的连杆机构,实现打印头在三维空间中的快速、精准移动。随着信息技术的不断发展，打印机也受到科技因素的影响而出现了3d打印机，3d打印机与以往使用的打印机存在多个方面的不同之处，本文就对3d打印机的相关方面进行探讨和研究，希望可以促进整体的进步与发展。

二、3d打印机与普通打印机的不同之处以及体现的优势分析

打印机在人们的日常生活中可以说是处处可见，由于受到科技因素的影响，在人们的视野中出现了3d打印机，为此，这一章节首先对3d打印机和普通打印机存在的不同之处以及合理使用3d打印机能够带来哪些方面的优势进行探讨和希望，通过对这两个方面内容的明确，从而为后续的研究奠定基础。

3D打印技术已经经历近四十年发展历程,其中基于熔融沉积(FDM)的技术是在目前几大3D打印技术中应用最为广泛的技术。因为该技术的成本低,可供打印的材料广泛等方面,基于FDM的3D打印技术得以应用在各行各业中,几乎可以应用在制造业中的任何行业。基于该打印技术原理的打印设备是涉及了机械、电气、控制、信息和材料等多个学科,属于典型的多学科复杂交叉的机电系统。结合基于FDM的3D打印技术和并联机构技术,一台并联结构的3D打印机,并完成样机的设计制造,样机的系统主要是由机械系统、硬件控制系统以及软件系统三大系统组成,在阐述系统的组成中介绍了并联结构3D打印机的打印成型过程。首先,从并联结构3D打印机的机械本体结构入手,分析了机械本体机构的运动学特性,分析得到了并联结构3D打印机的机构自由度以及运动的形式。随后,对并联结构3D打印机的运动学方程进行推导,得到了运动学的正反解方程,并结合虚拟样机软件ADAMS对机构的运动学特性进行验证,证实了这类并联机构运用在3D打印机中是可行的。其次,从机械结构的误差和打印的工艺参数两个方面分析了影响并联结构3D打印机的打印模型成型精度,并对机械的模型误差进行误差建模。并且建立简化的误差模型,分离误差模型中位姿误差和位置误差,分析不同来源的几何误差对打印头输出末端的误差影响。最后,针对打印工艺参数对中的关键的参数,即分层厚度?、打印头温度T0、工作平台温度T1、打印头的运动速度四个关键参数。设计正交试验分析在不同的尺寸方向上,关键参数的不同参数水平对尺寸精度的影响程度。基于不同因素的是否显著影响的条件下,提出了不同方向上的误差补偿方程,对为实际的应用中提高并联结构3D打印机的打印精度提供了理论基础。

（一）3d打印机与普通打印机的不同之处

3d打印机和普通打印机存在的不同之处，主要表现在以下几个方面：第一个方面体现在打印耗材不同，普通打印机的耗材主要是墨水或者是碳粉以及纸张共同构成，而3d打印机的耗材就比普通打印机的耗材要更加呈现多样化的特点，可以分为工程塑料、树脂、石膏粉末、热塑性塑料，钛合金，光聚合物，液态树脂，这些材料只能应用到3d打印机上，并不能应用到普通打印机。第二个方面体现在打印结构不同，简单来讲的话，就是普通打印机只能平面打印，而3d打印机是利用空间立体来打印的。第三个方面体现在打印的载体不同，普通打印机在打印的过程中需要构造各种平面图形的模板，比如说要利用word、powerpoint、PDF、photoshop等，而3d打印机则是建立在三维的图形基础上。第四个方面体现在打印的时间不同，使用普通打印机在进行打印过程中，无论是几十张还是几百张，都只需要几分钟而已，但是3d打印机在进行打印的过程中可能就需要几天或者是一个月以上。

（二）3d打印机具有的优势

3d打印机是在利用3d打印技术的基础上而开展工作，因此，3d打印机所具有的优势，主要表现在以下几个方面：第一，二十一世纪的现代社会已经进入到全面发展阶段，在信息技术飞速发展的前提下，3d打印技术作为信息技术发展到一定阶段的产物，属于快速成型技术的重要组成部分，是一种以数字模型文件为基础，在运用可粘合材料的基础上逐层打印的一项技术，这一项技术在诸多领域得到广泛应用。而3d打印机主要是以3d打印技术为主，因此，也具有3d打印技术优势，对于整体的发展有着积极的促进作用。第二，从3d打印机和普通打印机之间存在的不同之处，不难发现，3d打印机扩大了打印机的使用范围，并不是仅仅局限在打印纸张方面，而是能够制造复杂物品，从而在一定程度上提高工作效率。第三，3d打印机是部件一体化成型，无须组装，在劳动力和运输方面大大的降低了成本，与此同时，3d打印机是以零时间交付为主，在最大限度上减少了长途运输的成本，有利于促进整体的进步与发展。

三、并联臂的3d打印机设计研究

并联臂的3d打印机整体方案设计为优化并联臂的3d打印机各个功能组件，不仅促使并联臂的3d打印机框架本体能够适应的空间维度可以更加广阔，而且也促使并联臂的3d打印机可以适应各种大小零件的打印。为此，这一章节主要探讨的内容就是并联臂的3d打印机设计，通过以下几个功能组件的内容来进行探讨和研究，希望可以促进3d打印机得到有效运用。

（一）加强可伸缩部件设计

优化并联臂式3d打印机的功能结构之一就是加强可伸缩部件设计。尽管并联臂式3d打印机能够打印零件，但是打印相对较大的零件时，对并联臂式3d打印机的体积要求也较大，但是如果在生产经营活动中，放置一台体积较大的并联臂式3d打印机，在需要它工作时可以发挥有效的作用，但是在不需要它工作的时候，所占据的空间就大大的浪费，为了解决这种情况，以及实现并联臂式3d打印机更加灵活的目标，就需要设计一款可伸缩的打印机框架结构，这一结构特点就是可以调节伸缩，这样的话，不仅可以解决占地面积问题，而且也能提高并联臂式3d打印机的灵活性问题。而设计一款可伸缩的打印机框架结构，是以三角结构框架为主，分为伸缩式机架为角件和伸缩杆构成的框架结构，其中角件要包括三个上支撑角件和三个下支撑角件，而伸缩杆的排列要呈现三角形平行排列，并且每条伸缩杆的上下两端分别与一个上支撑角价和一个下支撑角价进行固定连接，三个上支撑角件通过三条伸缩杆相连，构成三角形结构，作为可伸缩式机架的顶部，三个下支撑角件通过三条伸缩杆相连，构成三角形结构，作为可伸缩式机架的底部，还需要注意的是，无论是支撑杆套还是角价，所运用的材料都要采用铸铝铣削加工而成的，通过这样材料的采用，不仅可以满足三角架本身的刚度要求，而且也能够在很大程度上降低并联臂式3d打印机的重量。

（二）加强便携部件设计

优化并联臂式3d打印机的功能结构之二就是加强便携部件设计。并联臂式3d打印机在设计便携式机构时，要方便、节省等设计理念出发，由于之前的并联臂式3d打印机机构框架存在一定的优势，并不需要瓦全淘汰，因此，在对并联臂式3d打印机便携部件的设计过程中，不仅要保证机构原来的工作性能，而且也需要在不影响美观的基础上完善机械结构的整体功能。并联臂式3d打印机从组成的平台组件来看，原来的平台组件所发挥的作用体现在两个方面：一是为零件的加工提供依托平台；二是通过平螺丝的内设调，以此来保障打印的精准度，由于原有的平台组件具有这两个作用，因此，在进行并联臂式3d打印机便捷部的设计过程中，要保留原有平台的这两个作用，在对平台组件开发利用的基础上，再在原先的加热平台底部安装一个便携把手，以此来增加便携的功能，通过这一形式的采取，不仅促使平台组件作为零件打印的依托，更加促使它成为整个框架的构建纽带，从而成为便携把手的有利依托，特别是当整个机构缩到最小时，将其倒置，就可以形成一个可提携的三角形状的箱体，以此来更加方便携带。针对并联臂式3d打印机便携部件的设计，在这一部分使用的材料方面要充分考虑到材料与加工零件材料的相适应性，因此，在加热平台方面可以采用3mm厚的三角形铝基板，而打印平台采用高硼玻璃这一材料，发挥耐高温、耐腐蚀等方面的作用。

四、推动并联臂式3d打印机设计活动得到更好开展的措施探讨

3D打印技术是一种快速成型技术,在创新产品的设计和制造中应用越来越广泛。FDM(熔融沉积成型技术)的3D打印机,集成打印材料多、精度高、速度快等优点,多用于产品的原型设计中。从FDM技术特点出发,完成3D打印机控制系统的硬件设计与软件开发,并对影响3D打印机精度和打印质量等关键参数的控制方法进行研究。首先,以微处理器Atmega2560为核心,完成了控制系统的硬件电路设计,控制系统的硬件电路主要包括微控制器最小系统电路、三轴电机和挤出机电机驱动电路、挤出头和热床温度测控电路、人机接口电路、USB通信电路和SD卡电路,采用C语言完成了控制系统的软件的开发。其次,采用16脉冲细分驱动步进电机和梯形曲线算法对步进电机进行升降速控制,通过两轴联动控制算法对X、Y轴两个方向的步进电机进行协调控制,提高3D打印的打印精度和稳定性。采用PID控制算法对挤出头和热床进行恒温控制,提高3D打印质量。最后,搭建了3D打印机测试平台,对三维建模软件建立的产品原型进行打印,并对3D打印机的性能指标进行测试,测试结果表明,挤出机与热床的温度分别控制在200℃和60℃,精度为±1℃,满足PLA材料对温度的要求;3D打印速度的最大相对误差小于0.02%,打印精度为0.1mm。系统运行可靠、打印精度较高,打印质量较好,满足所提出的设计指标,验证系统的有效性。

无论是在国内的发展还是在国外的发展，3d打印都处于一个新的领域，不依赖以往的工艺技术，而是根据设计出的产品模型，利用3d打印机打印出想要的实体模型，在这一过程中并不需要耗费太多的人力、物力、财力就能获得。在前文中已经探讨并联臂的3d打印机的设计方面，为了促使并联臂的3d打印机得到更好的设计，以此来推动并联臂式3d打印机得到更好的发展，除了要根据并联臂的3d打印机整体方案设计来优化并联臂的3d打印机各个功能组件，还需要采取以下几个方面的措施，以此来促进并联臂的3d打印机得到更好的发展。

（一）采取多样化措施，提高工作人员工作能力

任何一项工作的开展需要工作人员来参与其中，由此可见，工作人员工作能力的高低，在很大程度上影响工作的开展质量，因此，在并联臂的3d打印机设计过程中，为了进行良好的设计，需要提高工作人员的工作能力，以此来促进并联臂的3d打印机设计活动得到良好开展。而在工作人员方面采取的措施，主要可以从两个方面入手，一方面是在人才的招聘环节，要提高人才准入门槛，设立多个考核标准，比如说接受教育程度、文化素质、是否具备工作经验等，争取在这一环节中招聘到优秀的人才，从而为并联臂的3d打印机设计活动得到良好开展奠定基础；另一方面在人才的管理环节，要定期开展培训活动，而培训活动不仅要丰富员工的知识，锻炼员工的工作能力，而且也要提高员工的安全意识，因此，让员工踊跃参与到培训活动中，从而促进并联臂的3d打印机设计活动得到顺利开展。

（二）建立健全管理制度，加强各个方面的分析

一项工作是否能够得到有效开展，除了人员方面的因素之外，还受到其他方面因素的影响，因此，为了促进并联臂的3d打印机设计活动得到良好开展，还能采取以下几个方面的措施：第一，并联臂式3d打印机设计活动要说复杂也不复杂，要说简单也不简单，毕竟中间涉及的环节也较多，因此，为了推动这一项活动可以得到顺利开展，还是需要根据并联臂式3d打印机设计实际要求，在此基础上建立健全管理制度，在制度的作用下明确哪些人员负责哪些部分的设计内容，并且在制度的作用下提高员工的工作积极性以及工作效率，从而促进并联臂式3d打印机设计活动得到有效开展。第二，并联臂式3d打印机在设计过程中要加强对工作空间和灵活度的分析，并且尽可能的提高并联臂式3d打印机在打印过程中的精度以及抗干扰能力，从而促进整体的进步与发展。

五、结束语

3d打印机比普通的打印机相比而言，具有多个方面的优势，随着社会的进步与发展，无论是在人们的日常生活中还是在社会各个行业的发展中，3d打印机很有可能会成为主力军，因此，本文以并联臂的3d打印机为主，先分析了3d打印机与普通打印机的不同之处以及体现的优势这两个方面，在明确这两个方面内容的基础上探讨了并联臂的3d打印机设计，最后提出了推动并联臂式3d打印机设计活动得到更好开展的措施，希望通过以上几个方面的探讨和研究，为实际的推动并联臂式3d打印机设计活动提供一些参考意见，希望可以促进推动并联臂式3d打印机设计活动得到良好发展，从而促进整体的进步。

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项目名称及编号：基于并联结构的3D打印机设计创新训练201610290022