并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制含CATIA三維及16張CAD圖.zip,并聯(lián),打印機(jī),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),控制,CATIA,三維,16,CAD 2016年第二屆控制、自動化、和機(jī)器人的國際會議。 基于三角形機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的球形運(yùn)動 地址在臺灣省臺南市大學(xué)路一號701，Chung-Ping Young和Yen-Bor Lin成功大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程系，電子郵箱：cpyoung @ mail.ncku.edu.tw.yen_bor @ yahoo.com.tw。 摘 要 工業(yè)中使用的機(jī)器人手臂被分為兩類，包括串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人兩類。與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有精度高，剛度大、承載能力強(qiáng)、速度快、慣性小等優(yōu)點(diǎn)。這次工作提出并實(shí)施了一種機(jī)制，基于Delta的機(jī)器的修改和實(shí)驗(yàn)，即可執(zhí)行球形運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種設(shè)計(jì)在使用中是實(shí)用和穩(wěn)定的。根據(jù)定量評估,誤差在幾毫米之內(nèi)。 關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)器人 球面運(yùn)動 Delta機(jī)器 自由度 逆運(yùn)動學(xué) 機(jī)器人手臂。 一 介紹 工業(yè)中使用的機(jī)器人手臂被分為兩類：包括串聯(lián)機(jī)器人手和并聯(lián)機(jī)器人手。如圖一（a）和（b）所示， (a)串聯(lián)機(jī)器人 (b)并聯(lián)機(jī)器人 圖1.兩類機(jī)器人工業(yè)手臂 與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人具有精度高，剛度大、承載能力強(qiáng)、速度快、慣性小等優(yōu)點(diǎn)。Stewart平臺[1]誕生之后其應(yīng)用程序也誕生了，研究人員創(chuàng)造了許多不同的機(jī)制。Delta機(jī)器人是最受歡迎的解決方案之一，被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。用戶可以選擇適合他們自由度和末端執(zhí)行器來應(yīng)用，如機(jī)器人手臂移動重物、3D打印噴漆、表面檢查、如隱形眼鏡質(zhì)量檢測、表面處理、和激光切割等。如今，基于笛卡爾式和三角形的機(jī)器是3D打印機(jī)中流行的兩種類型。典型地，笛卡爾3D打印機(jī)放置一個(gè)方形的平臺，它的頭部運(yùn)動被分解為x、y和z軸，且軸的每個(gè)方向的運(yùn)動都由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動。相比之下Delta 3D打印機(jī)將三個(gè)手臂布置成三角形結(jié)構(gòu)，負(fù)載分部在三個(gè)部分，每個(gè)電機(jī)承受較小的負(fù)載。這種不同有利于打印的速度和準(zhǔn)確性。雖然還有其他類型3D打印，那些都超出了本文的范圍。 末端執(zhí)行器可以直接與對象交互，像噴涂繪畫、擠壓機(jī)、機(jī)械爬行、激光切割機(jī)、作為符合應(yīng)用最終效應(yīng)器。然而, 大多數(shù)常用的Delta機(jī)器人末端執(zhí)行器僅限于平行移動到基礎(chǔ)平臺。雖然有幾個(gè)機(jī)器人執(zhí)行球形運(yùn)動，但是他們都沒有為Delta機(jī)器人專門設(shè)計(jì)。一般來說，需要更多的電機(jī)和更復(fù)雜的接頭來使末端執(zhí)行器完成球形運(yùn)動并增加運(yùn)動的自由度。在本文中，我們的目標(biāo)是提出一個(gè)新的機(jī)制，以稍微增加或同等的成本使機(jī)器人執(zhí)行球形運(yùn)動。如移動平臺和連桿的重新設(shè)計(jì)使得相應(yīng)的逆運(yùn)動學(xué)分析也可以實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，最初的Delta 3D打印機(jī)由三角形移動平臺兩側(cè)的一對平行桿組成，如圖2（a）所示， （a）平行聯(lián)動 （b）擬議鏈接 圖2. Delta機(jī)器人框架的原始設(shè)計(jì)和建議設(shè)計(jì) 他們確保移動平臺的平面保持平行于基座，這種特性與我們執(zhí)行球形運(yùn)動的目標(biāo)相沖突。為了支持球形運(yùn)動，機(jī)器人需要使末端執(zhí)行器偏移，俯仰和翻轉(zhuǎn)為此還提出了一些輔助結(jié)構(gòu)來使系統(tǒng)穩(wěn)定，為此對固件進(jìn)行了修改，以配合新提出的物理機(jī)制。為了導(dǎo)出末端執(zhí)行器的方向和位置，正向運(yùn)動學(xué)理論上是關(guān)節(jié)角度和連桿長度已知或測量時(shí)的方法。相反地，反向運(yùn)動學(xué)是指定末端效應(yīng)器的期望位置時(shí)導(dǎo)出關(guān)節(jié)角度的方法。由于前向運(yùn)動學(xué)方法可能會遇到多種解決方案，因此逆向運(yùn)動學(xué)將在這項(xiàng)工作中得以實(shí)現(xiàn)。有許多開源固件可以驅(qū)動包含Sprinter，RepRap，Grbl和Marlin的3D打印機(jī)，它們可以驅(qū)動Sprinter和Grbl。 用戶可以修改配置以滿足機(jī)器的需求。Marlin被選擇在本工作中進(jìn)行修改，以便為示范的實(shí)用性和性能提供示例實(shí)施。 二 相關(guān)工作 多項(xiàng)研究致力于機(jī)器人的球面運(yùn)動。桂林楊采用三個(gè)相同的轉(zhuǎn)動連接棱柱關(guān)節(jié)和球形（RPRS）腿來支撐移動平臺[2]，Yan-Jin提出了一種選擇性致動的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的末端執(zhí)行器可以執(zhí)行6種自由度運(yùn)動，即3自由度球面運(yùn)動和3自由度平移三自由度運(yùn)動[3]。雖然它們的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與我們提出的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不同，但運(yùn)動學(xué)分析對于我們構(gòu)建球形運(yùn)動系統(tǒng)是有用的。1965年，斯圖爾特發(fā)明了斯圖爾特平臺作為飛行模擬器。傳統(tǒng)的斯圖爾特平臺使用六條可伸展腿。這是執(zhí)行球形運(yùn)動的最完整的并聯(lián)機(jī)器人，其運(yùn)動算法有助于設(shè)計(jì)我們的系統(tǒng)。Indrawanto介紹了Stewart平臺的設(shè)計(jì)和控制，以討論其特性和局限性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評估控制器的性能[4]。Mamoon提出了一種改進(jìn)的Stewart平臺，并允許使用便宜的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器[5]。其他類似Delta或Stewart-lie的機(jī)器人也被開發(fā)出來。Patane.F開發(fā)了一種電動并聯(lián)機(jī)器人，由一個(gè)由三個(gè)固定式線性電動執(zhí)行器控制的移動底座組成，該執(zhí)行器連接到相應(yīng)的浮動和長度固定臂[6]。在文獻(xiàn)[7]中，Xianqiang Y.使他們的機(jī)器人模仿人體肩部的運(yùn)動，四根電纜在運(yùn)動平臺上對稱分布。 電纜的一端連接到移動平臺，另一端連接到地下室的電機(jī)。張力傳感器和滑輪用于控制電纜。Angelm L.提出并行Delta型工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和硬件。他們還討論了轉(zhuǎn)向運(yùn)動學(xué)特性和逆運(yùn)動學(xué)[8]。 在[9]中，Aleksandrovich描述了一種新的三自由度操縱器。 機(jī)器人使用三條運(yùn)動鏈，每條鏈包含一個(gè)平行四邊形或兩個(gè)位于底部的萬向節(jié)。平四邊形通過旋轉(zhuǎn)對連接到基座?？傊?，上述機(jī)器人在機(jī)構(gòu)和運(yùn)動算法上是復(fù)雜的。 本文提出了一種簡單的解析解法來簡化球面運(yùn)動的設(shè)計(jì)。 三 實(shí)施 本節(jié)介紹基于Rostock 3D打印機(jī)的示例實(shí)施，以表明所提出的設(shè)計(jì)能夠成功實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。硬件組件和軟件組件之間的關(guān)系如圖3所示， Software Layer Step motor Ukimaker1.5.7 Marlin Arduino mega 2560 Hardware Layer 圖3.系統(tǒng)概述 Arduino mega 2560被用來開發(fā)用于所提議的想法的程序。我們使用Ultimaker 1.5.7 pcb和A4988芯片來控制步進(jìn)器和接收歸位信號。不僅修改了硬件部分，還修改了軟件部分以使它們正確地一起工作。 細(xì)節(jié)將在下面進(jìn)行描述。 A.硬件實(shí)現(xiàn) 圖4說明了這個(gè)示例實(shí)現(xiàn)的硬件體系結(jié)構(gòu)。 Arduino Mega 2560 PC SD card Ultimaker 1.5.7pcb X-axis Homing Switch Y-axis Homing Switch A4988 Z-axis Homing Switch A4988 A4988 Step motor Y-axis Step motor Z-axis Step motor X-axis 圖4.硬件體系結(jié)構(gòu) g代碼是從連接的個(gè)人計(jì)算機(jī)或SD讀卡器的串行端口獲得的，收到的信息在Arduino mage 2560上進(jìn)行分析和處理，然后發(fā)送給Ultimaker，通過GPIO信號達(dá)到1.5.7 pcb，pcb上的三個(gè)A4988芯片有助于發(fā)送控制信號來驅(qū)動步進(jìn)器。此外，還有三個(gè)歸位開關(guān)提供信號脈沖來終止歸位過程，而末端執(zhí)行器重新到達(dá)目標(biāo)位置。Arduino mega 2560是基于ATmega2560微控制器的主板。 它與Ultimaker 1.5.7兼容，且開發(fā)環(huán)境良好。該Ultimaker也是一個(gè)電路板，并能夠支持多達(dá)5個(gè)步進(jìn)器。在我們提出的設(shè)計(jì)中只需要3個(gè)步進(jìn)器。它采用高于12伏的電壓來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，以獲得更大的扭矩和更高的最大速度。其上的A4988芯片是全功能雙極微步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，內(nèi)置翻譯器，處于停止，四分之一，八分之一以及十六分之一階段模式。使用這些芯片，步進(jìn)器的控制變得更容易，更多的引腳可以執(zhí)行其他任務(wù)。 羅斯托克3D打印機(jī)是由Johann在美國西雅圖于2012年建造的線性三角洲3D打印機(jī)。Github和Thingiverse網(wǎng)站上發(fā)布了大量固件和相關(guān)開發(fā)工具。任何人都可以免費(fèi)修改配置和軟件包以適合指定的機(jī)器。如圖5所示的原始圖像是為這個(gè)示例實(shí)現(xiàn)而構(gòu)建的。 圖5. 羅斯托克3D打印機(jī) 最初如圖6所示從左至右移除平行連桿。 圖6.去除并行鏈接對的一個(gè)鏈接 因此，移動平臺能夠旋轉(zhuǎn)（偏航，俯仰和滾轉(zhuǎn)），但它變得不穩(wěn)定并且失去了重復(fù)性。這意味著對于給定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置不固定。為了保持穩(wěn)定，需要考慮一些限制條件。如圖2（b）所示，增加了三對彈簧。對稱彈簧提供平衡力并防止移動平臺偏航。在三對彈簧的作用下，移動平臺再次變得穩(wěn)定和可重復(fù)，并且還設(shè)計(jì)了一種新的控制該機(jī)器的算法。 B.軟件實(shí)現(xiàn) Marlin是選擇的開源項(xiàng)目，它結(jié)合了名為Sprinter和Grbl的兩個(gè)固件。它設(shè)計(jì)用于驅(qū)動控制面板，讀取g代碼，控制步進(jìn)電機(jī)，控制擠出機(jī)，控制加熱器以及操作SD卡。軟件結(jié)構(gòu)體系如圖7所示， Use Process Main process Main library Plan motion library Hardware Abstract Layer Hardware Drive Message receive/transmiter Stepper lib Servo lib Heater lib LCD lib SD library Serial library 圖7.軟件體系結(jié)構(gòu) 我們專注于兩部分，包括運(yùn)動算法和計(jì)劃運(yùn)動庫。對于本文中的陳述，如圖8所示的笛卡爾坐標(biāo)用于聲明符號，相對于x軸，y軸和z軸方向的旋轉(zhuǎn)定義為滾動，俯仰和偏航。 圖8.Cartesian坐標(biāo) 此外，角度分別為a，b，和γ。對于擬議的聯(lián)動機(jī)制，提出一項(xiàng)新動議模型是為了計(jì)算逆運(yùn)動學(xué)而建立的。由于彈性平衡，禁止偏航。根據(jù)提出的設(shè)計(jì)，移動平臺保持朝向基座的中心，如圖9所示， 圖9.移動平臺保持朝向基地的中心 我們假設(shè)在工作平面上有一個(gè)虛擬中心標(biāo)記為C，然后觀察到移動平臺上中心的軌跡是半徑R到虛擬中心C的球體的一部分，如圖10（a）所示。如圖10（b）所示， 從左到右：（a）移動平臺上中心的軌跡（b）移動平臺的圓柱形工作空間（c）三角機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型（d）位置矢量圖 圖10.球形軌跡和幾何參數(shù) 當(dāng)移動平臺沿著z軸方向移動時(shí)，該移動平臺在工作空間內(nèi)以頂部和底部的一部分球體在圓柱形狀中移動。所提出的系統(tǒng)的幾何參數(shù)將基于圖10（c）中的符號和圖10（d）中定義的位置矢量來導(dǎo)出。P1，P2和P3是移動平臺的三個(gè)峰值。三個(gè)標(biāo)記為T1，T2和T3的接頭將移動平臺連接到基座。因此，如圖10（c）所示，存在兩個(gè)協(xié)調(diào)系統(tǒng)：名為K（O-xyz）的固定全局協(xié)調(diào)系統(tǒng)和名為K'（O'-x'y'z'）的局部協(xié)調(diào)系統(tǒng)。關(guān)系在下面的（1）至（4）中給出。 OA=OB=OC=R O'P1=O'P2=O'P3=r 點(diǎn)A，B和C的坐標(biāo)從以下（2）中獲得。 A=[Rcosπ6 Rsin-π6 Z] B=[Rcosπ2 Rsinπ2 Z] C=[Rcos-7π6 Rsin-7π6 Z] 類似地，從（3）獲得點(diǎn)P1，P2和P3的坐標(biāo)。 P1=rcosπ6 rsin-π6 0 P2=rcosπ2 rsinπ2 0 P3=[rcos-7π6= rsin-7π6 0] 為了組合這兩個(gè)坐標(biāo)，分析位置矢量。如圖11所示， 圖11移動平臺從點(diǎn)M移動到點(diǎn)T. 在從點(diǎn)M移動到點(diǎn)T的情況下。 OP1=OO'+O'Pi，i=1,2,3 OT=OM+Pm OP1=OT+Pt 其中OM和OT是從O到O'的向量，P，和P’是從位置M到T和從位置T到P1的向量，其中t=1,2,3。 由于矩陣計(jì)算是關(guān)聯(lián)性的而不是交換性的，因此確定旋轉(zhuǎn)矩陣的操作的排序是非常重要的。該順序表示根據(jù)哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn),請注意，提出的機(jī)器人不會偏航。我們的目標(biāo)是在給出標(biāo)記0的末端執(zhí)行器的位置時(shí)計(jì)算三個(gè)執(zhí)行器的坐標(biāo)。如（5）所述，這些是T1，T2和T3，它們支配飛機(jī)Ti。 Ti=TiX Tiy Tiz，i=1,2,3 L2=(xi-Tix)2+(yi-Tiy)2+(Zi-Tiz)2，i=1,2,3 其中L表示三個(gè)聯(lián)系的公共長度。 然后導(dǎo)出下面的等式 Tiz=±L2-(xi-Tix)2-(yi-Tiy)2+Zi，i=1,2,3 在此示例實(shí)施中，第一項(xiàng)的符號選擇為負(fù)數(shù)。 Marline軟件包中名為calculate delta的函數(shù)計(jì)算執(zhí)行器與目標(biāo)坐標(biāo)的位置，主要針對新提出的逆運(yùn)動學(xué)修改輸入。設(shè)置了一些基本配置來驅(qū)動使用過的主板以及步進(jìn)器，并添加了名為DELTA FIXMID OFFSET的參數(shù)來表示移動平臺與虛擬中心C之間的距離。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 檢查建議設(shè)計(jì)的正確性，并按本節(jié)所述評估準(zhǔn)確性。首先，在MATLAB中實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯模型，以便可視化地觀察狀態(tài)。其次，進(jìn)行了驗(yàn)證的物理實(shí)施，以證明其實(shí)用性和穩(wěn)定性。最后，給出了數(shù)值評估以顯示許多突發(fā)運(yùn)行的性能。他們將在下面的小結(jié)中描述。 A. 如圖12所示， 圖12.邏輯模型以可視化方式呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 坐標(biāo)在文本字段中給出，然后導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)角度并顯示在以下兩個(gè)字段中。有了這個(gè)工具，移動手勢就清晰地展現(xiàn)出來了。 B. 物理驗(yàn)證 為了驗(yàn)證移動平臺有意朝向虛擬中心，實(shí)施的3D打印機(jī)制作了一個(gè)半徑5厘米，高7厘米，半球形的圓柱體，如圖13左側(cè)所示， 圖13.圓柱體和產(chǎn)生的半球。 該特性已經(jīng)過驗(yàn)證，使激光筆處于法線方向。 圖14（a）表示當(dāng)建議的3D打印機(jī)在固定高度移動并執(zhí)行球形運(yùn)動時(shí)激光點(diǎn)穿過同心圖的軌跡， 從左到右：（a）產(chǎn)生圓柱體和半球的移動路徑 （b）側(cè)面圖14（a）。 圖14.保持向虛擬中心的檢查。 檢查了不同的旋轉(zhuǎn)角度0，并在IV-C部分給出了正確性和穩(wěn)定性。開始時(shí)，激光點(diǎn)被校準(zhǔn)為與底座垂直。 激光指示器在末端執(zhí)行器上放置的任何輕微角度誤差都會產(chǎn)生大量的位置誤差放大距離效應(yīng)。因此，我們用圖6（a）所示的六個(gè)螺絲擰緊激光指示器，它們便于調(diào)節(jié)角度和位置。 我們焚燒移動平臺，從工作區(qū)域的上限到下限遍歷，并多次返回原位。如果激光點(diǎn)停留在半徑為0.25mm的內(nèi)圓區(qū)域，整個(gè)建議的系統(tǒng)應(yīng)該是正確的，如圖15所示，15（b）經(jīng)過十次試驗(yàn)后。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，它已經(jīng)完成了。 從左到右（a）用六個(gè)螺絲調(diào)整位置和角度（b）激光指向有界區(qū)域 圖15.原始位置停留在內(nèi)部圓形區(qū)域 C. 定量評估 安裝了5V激光指示器作為末端執(zhí)行器，并雇傭了一臺附加的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)。定量評估以5個(gè)不同的旋轉(zhuǎn)度進(jìn)行，測試程序使用OpenCV庫進(jìn)行編碼，以便在機(jī)器執(zhí)行測試項(xiàng)目時(shí)記錄視頻數(shù)據(jù)。 我們計(jì)算了從激光指示器位置到工作平面中心位置的位置偏移量，正如第IV-B節(jié)所述的10次爆發(fā)錯誤。 在工作平面中心位置坐標(biāo)為（307,183）的情況下，位置偏移形式的位置誤差如表1所示。每個(gè)像素代表0.192mm，通過測量的13個(gè)像素的0.25cm距離得出?？傊?，如圖16所示， 圖16.10次爆炸后旋轉(zhuǎn)角度不同的位置誤差 隨著旋轉(zhuǎn)度增加，位置偏移從0.7mm增加到2.91mm。錯誤來自不平衡的彈性和關(guān)節(jié)摩擦。這表明激光指向工作平面的軌跡組裝在中心位置的狹窄區(qū)域。因此，這種設(shè)計(jì)是穩(wěn)定的，準(zhǔn)確性是可以接受的。我們還將我們提出的系統(tǒng)的生產(chǎn)性能與工業(yè)市場上的5軸數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)性能進(jìn)行了比較，如表II所示。與具有相似的執(zhí)行球形運(yùn)動能力的類似機(jī)器相比，發(fā)現(xiàn)成本顯著較低。 記錄的激光位置 旋轉(zhuǎn)角度 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 X位置平均 313.00 310.67 306.26 301.49 293.01 Y位置平均 185.75 186.41 187.52 184.73 180.68 最大錯誤 1.87 3.56 3.94 7.16 11.96 X坐標(biāo)的最大誤差 1.35 2.88 3.13 6.44 9.42 Y坐標(biāo)的最大誤差 1.29 1.92 2.41 3.13 7.37 產(chǎn)生性能的比較 機(jī)器 自由度 準(zhǔn)確性 工作區(qū) 價(jià)格 CROSS-I I06ill, 3 0.005 900x600x600 1500000 AweaFV-960 5 0.01 960x600x480 1200000 CNC 3040 Table ColumnType Engraving Machine 5 0.02 300x400x150 50840 This Work 3 4 70x70x200 11000 5 結(jié)論和未來的工作 所提出的系統(tǒng)在Arduino mega 2560平臺上引入并實(shí)現(xiàn)，以獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，功能得以實(shí)現(xiàn)，位置偏移得到了良好的控制。該系統(tǒng)是一個(gè)很好的解決方案，可以滿足幾毫米精度的應(yīng)用要求。 未來，電子彈簧被認(rèn)為是集成在一起，以更精確的方式進(jìn)行控制，以提高該系統(tǒng)的精度。 參考文獻(xiàn)： [1] B. 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并聯(lián)3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制要求完成傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算、連桿的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核。電機(jī)的選型與計(jì)算，最終完成其機(jī)械與控制部分整體設(shè)計(jì)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要要求: 設(shè)計(jì)完成: （1） 機(jī)電設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)； （2） 機(jī)械總裝配設(shè)計(jì)、零件詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （3） 電機(jī)、驅(qū)動器、控制部分選型及設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求： 打印范圍180mm*180mm* 350mm； 最快打印速度20mm/s，成型方式FDM，打印材料選擇ABS； 設(shè)備總裝配圖（計(jì)算機(jī)出圖）；設(shè)備所有零件圖（計(jì)算機(jī)出圖）；手繪圖A1張；設(shè)計(jì)圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙；設(shè)計(jì)說明書不少于1.5萬字，正文頁數(shù)不少于30頁；譯文與開題報(bào)告不少于3000字。 主要參考文獻(xiàn)： 1羅晉 , 葉春生 , 黃樹槐 .FDM 系統(tǒng)重要工藝參數(shù)及其控制技術(shù)研究 [J]. 新技術(shù)新工藝,2005(6):77-80 2李小麗, 馬劍雄, 李萍, 等. 3D 打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J]. 自動化儀表, 2014, 35(1): 1-5. 3陳浩正. 3D 造像:前沿技術(shù)引發(fā)無限想象[J]. 人像攝影, 2013, (6):208-212. 任務(wù)書編制教師（簽章）： 年 月 日 教研室審核意見: 教研室主任(簽章): 年 月 日 學(xué)院審核意見: 學(xué)院院長(簽章): 年 月 日 備注 注：任務(wù)書中的數(shù)據(jù)、圖表及其他文字說明可作為附件附在任務(wù)書后面，并在主要要求中標(biāo)明：“見附件” 并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制開題報(bào)告 １、課題論證 1.1課題研究的目的與意義 眾所周知，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，一個(gè)國家的進(jìn)步與發(fā)展靠的是先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，3D打印技術(shù)采用逐層疊加的制造方式，這使得許多傳統(tǒng)工藝無法加工的復(fù)雜零件的問題迎刃而解。它不僅打破了傳統(tǒng)的流水線的生產(chǎn)模式，而且相比于傳統(tǒng)的制造工藝，3D打印具有傳統(tǒng)制造工藝無法比擬的優(yōu)勢，尤其是在注重經(jīng)濟(jì)環(huán)保當(dāng)下，深受制造行業(yè)的重視。英國的著名雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志指出，3D打印將推動第三次工業(yè)革命。《金融時(shí)報(bào)》也稱 3D 打印機(jī)將像蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、計(jì)算機(jī)一樣開創(chuàng)一個(gè)嶄新的工業(yè)時(shí)代。為了抓住這次機(jī)遇推動我國3D打印技術(shù)的發(fā)展，我國政府也大力頒布相關(guān)政策支持3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本課題來源于目前日益蓬勃發(fā)展的3D打印技術(shù)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)完成一臺并聯(lián)3D打印機(jī)，了解打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu),控制功能。 1.2文獻(xiàn)綜述（相關(guān)課題國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀） 1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀： 在1892年地質(zhì)學(xué)家Blanther就提出了用分層切片的方法制作三維地圖模型，由于當(dāng)時(shí)的制造水平還很落后,該想法只作為一個(gè)概念模型存在,隨著社會的進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,直到19世紀(jì)80年代 Charles W.Hull在美國 UVP公司的支持下，設(shè)計(jì)并完成了第一臺能實(shí)現(xiàn)完整打印功能的零部件制造系統(tǒng)（SLA-1）,這可以看做是3D打印發(fā)展的里程碑事件。在隨后的幾十年的發(fā)展中,3D打印技術(shù)不斷發(fā)展,不斷走向進(jìn)步。美國3D System公司在1988年采用“立體平版印刷快速成型”（Steren Lithography）SL 技術(shù)，通過紫外激光線束照射掃描光敏樹脂經(jīng)其固化，逐層凝結(jié)累加制造出三維實(shí)體模型并推出的首臺商用“液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型機(jī)”（SLA-250），標(biāo)志著 3D 打印技術(shù)的誕生。1992 年美國麻省理工學(xué)院的 Saches E.M.和 Cima M.J.等首次對 3D 打印技術(shù)做出了概念性的描述。麻省理工大學(xué)在1993年獲得三維印刷技術(shù)(3DP)專利。3D打印機(jī)的名字首次在1996年被使用。創(chuàng)建于 1998 年的 Objet 公司，致力于開發(fā) 3D 打印設(shè)備及成型材料，并于 2007 年推出 Eden 系列產(chǎn)品得到市場的廣泛認(rèn)可，已經(jīng)成功開發(fā)出具有不同性能的多種光敏樹脂打印材料。美國 3D systems 和 Stratasys 兩家公司在世界 3D 打印領(lǐng)域占據(jù)了絕大部分市場。2005 年，Z Croporation 公司生產(chǎn)了世界上第一臺高精度彩色 3D 打印機(jī) Spectrum Z510，同年，英國巴恩大學(xué)的 Arian Bowyer 發(fā)起開源 3D 打印機(jī)項(xiàng)目 Rep Rap，從此桌面 3D 打印機(jī)進(jìn)入 DIY 時(shí)代。2010年，Stratasys 公司與傳統(tǒng)打印行業(yè)巨頭惠普公司建立了 OME 合作關(guān)系，生產(chǎn) HP品牌的 3D 打印機(jī)。2011年美國宣布一項(xiàng)新政策，向3D打印產(chǎn)業(yè)支出5億美元來提升美國在制造行業(yè)的領(lǐng)先地位。奧巴馬說他希望3D打印技術(shù)能夠成為重新振興美國制造業(yè)的一條捷徑。2012 年，《The Economist》指出 3D 打印技術(shù)將帶動第三次工業(yè)革命，引起 3D 打印技術(shù)的研究熱潮。2013年，3D 打印在《環(huán)球科學(xué)》最值得銘記、對人類社會產(chǎn)生影響最為深遠(yuǎn)的十大新聞中排名第九。在此基礎(chǔ)上各國也加大了對3D打印產(chǎn)業(yè)的支持力度, 在 2012美國年就成立了“國家增材制造中心”，重點(diǎn)發(fā)展 3D 打印業(yè)。2007 年到 2013 年，歐盟投資 1.6 億歐元支持了 60 個(gè) 3D 打印項(xiàng)目。2014 年11 月，韓國發(fā)布了一個(gè)長達(dá) 10 年的 3D 打印戰(zhàn)略規(guī)劃，以推動和發(fā)展 3D 打印技術(shù)。此外，荷蘭、意大利、日本、澳大利亞等國家均在 3D 打印研發(fā)上投入了大量資金?，F(xiàn)如今越來越多的國家注重發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，這也說明3D打印產(chǎn)業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)，國家發(fā)展過程中重要的地位。 1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀: 在國內(nèi)3D技術(shù)的發(fā)展起步較晚,但是在政府部門和國內(nèi)高校的大力支持下,許多發(fā)達(dá)的城市都建立了3D打印的服務(wù)機(jī)構(gòu)和3D打印的研究場所。這使得我國的3D打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展，很快與國際社會接軌。以聚乳酸（Polylacitc Acid）作為 3D 打印材料的3D打印設(shè)備在國內(nèi)出現(xiàn)，像3D打印Delta機(jī)器人，打印的一般產(chǎn)品能滿足我們的需要。2010年經(jīng)過十幾年的努力，華中科技大學(xué)成功研制的工業(yè)級 1.2 米×1.2米制造裝備，該設(shè)備具有很大的成型工作空間，可以打印較大的模型，其性能超過了國外3D打印公司的同類產(chǎn)品。這是當(dāng)時(shí)世界上最大成型空間的快速制造裝備。西安交通大學(xué)自主研發(fā)了一套基于光固化成型的 3D 打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)的精度達(dá)到 0.2mm。中國科技大學(xué)推出了具有轉(zhuǎn)換功能的八噴頭組合噴射裝置，在微制造及光電器件領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。雖然我國生產(chǎn)的3D打印機(jī)裝備的功能已經(jīng)接近世界先進(jìn)水平，但是一些打印機(jī)的關(guān)鍵部件仍需要從國外進(jìn)口，此外我國的材料品種也遠(yuǎn)沒有國外豐富，許多研發(fā)材料都需要從國外進(jìn)口，從而也導(dǎo)致了3D打印技術(shù)的研發(fā)成本大大提高，成為阻礙了該技術(shù)推廣的絆腳石。但是我國支持3D打印產(chǎn)業(yè)的決心沒有改變，特別是近年來，2013 年3D 打印產(chǎn)業(yè)入選了《國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃、國家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域、2014 年度備選項(xiàng)目征集指南》，其中提到，要突破 3D打印核心關(guān)鍵技術(shù)，研制重點(diǎn)裝備產(chǎn)品，并在相關(guān)領(lǐng)域開展驗(yàn)證，初步具備開展全面推廣應(yīng)用的技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)化條件。2015 年，《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016 年)》以及《中國制造 2025》相繼出臺，表明了我國對3D打印支持的力度與決心。雖然我國在3D打印領(lǐng)域還有很長的路要走，但同時(shí)也說明了我國在該項(xiàng)領(lǐng)域的發(fā)展空間巨大。 1.2.3并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 并聯(lián)機(jī)構(gòu)（Parallel mechanism）是一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)，其動平臺或稱末端執(zhí)行器通過至少２個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動鏈與機(jī)架相聯(lián)接。早在1965年德國Stewart發(fā)明了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，用于制作飛行模擬器來訓(xùn)練飛行員。澳大利亞著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授Hun在1978年提出Stewart機(jī)構(gòu)接近人體結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)用于機(jī)器人手臂。加拿大著名機(jī)構(gòu)學(xué)教授對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合，運(yùn)動學(xué)分析，奇異性分析等建立了完整的理論體系。國內(nèi)機(jī)構(gòu)學(xué)專家Fang和Huang等提出了螺旋理論并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合方法。隨后的發(fā)展過程中，石明提出了3-P-(2SS)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的平臺是采用3個(gè)非對稱的結(jié)構(gòu)方式分布，有較大的工作空間。李江濱對基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的 3D 打印機(jī)的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出在通過對 3D 打印機(jī)的運(yùn)動學(xué)誤差標(biāo)定來提高打印機(jī)的打印精度。還有不少學(xué)者在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用上做出了很大的貢獻(xiàn)，提出許多不同的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，并對進(jìn)行了大量的分析研究工作，都是可以較好的應(yīng)用在熔融沉積制造的 3D 打印技術(shù)上。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)，在近年來發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于，工業(yè)機(jī)器人，3D打印等各項(xiàng)領(lǐng)域。 1.3課題研究的內(nèi)容、總體方案及技術(shù)路線、進(jìn)度安排等 1.3.1論文的主要內(nèi)容及總體方案： 目前3D打印還是采用傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)械結(jié)構(gòu)，由于自身的先天條件不足。不能更好的適應(yīng)市場高速度，高精度的需求。并聯(lián)3D打印機(jī)因其具有承載能力強(qiáng)、動態(tài)性能好、運(yùn)動精度高、多功能靈活性強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是應(yīng)用專業(yè)知識完成一臺并聯(lián)3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制。通過本次設(shè)計(jì)，完成設(shè)備總體方案的設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件強(qiáng)度校核計(jì)算、繪制并聯(lián)3D打印機(jī)的工程圖、電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編寫控制程序、繪制控制電路圖、查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)、從而達(dá)到鞏固綜合運(yùn)用所學(xué)知識，掌握正確的設(shè)計(jì)思想與方法目的。 1.3.2設(shè)計(jì)要求 具體參數(shù)：打印范圍:180mm直徑350mm高度，成型方式FDM，打印材料ABS設(shè)計(jì)圖紙數(shù)量不少于3張A0 圖紙；設(shè)計(jì)說明書不少于1.5萬字，正文頁數(shù)不少于30頁；譯文與開題報(bào)告不少于3000字。 1.3.3章節(jié)安排 第一章：闡述選題的背景與意義，3D打印技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，論文的主要內(nèi)容。 第二章：總體方案的確立，技術(shù)參數(shù)的確定，以及選擇符合要求的驅(qū)動裝置。 第三章：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，電機(jī)的選型與計(jì)算、驅(qū)動器的選型與計(jì)算、完成同步帶、連桿設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，并繪制裝配圖，零件圖。 第四章：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，編寫程序，繪制電路圖。 第五章：結(jié)論，總結(jié)全文。 第六章：注明參考文獻(xiàn)，致謝。 1.3.4進(jìn)度安排及設(shè)計(jì)線路 時(shí)間 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 第1周 分析、查閱資料，熟悉設(shè)備技術(shù)要求、背景，學(xué)習(xí)與畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)知識，做好前期準(zhǔn)備工作。 第2周 撰寫開題報(bào)告 和外文翻譯，準(zhǔn)備開題報(bào)告答辯PPT。 第3-4周 總體方案的設(shè)計(jì),機(jī)械部分與控制部分選型設(shè)計(jì) 第5-6周 電機(jī)與驅(qū)動器的選型計(jì)算，編寫電機(jī)控制程序，繪制電路圖 第7周 完成3D打印機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)工作 第8-9周 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，完成關(guān)鍵零部件的選型與校核 第10-11周 完成機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，畫工程圖，零件圖 第13周 整理編寫設(shè)計(jì)說明書，交指導(dǎo)老師審定，制作答辯提綱，設(shè)計(jì)定稿，打印，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 第14周 進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 1.3.5注意存在的問題 1. 設(shè)計(jì)方案,進(jìn)度安排要詳細(xì)具體。 2. 論文格式，參考文獻(xiàn)要規(guī)范。 3. 論文內(nèi)容要充實(shí)詳細(xì)。 4. 繪制圖紙時(shí)要規(guī)范，應(yīng)有標(biāo)題欄，標(biāo)注要詳細(xì)。 5. 按照畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，獨(dú)立認(rèn)真完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 1.4參考文獻(xiàn) [1] 李小麗, 馬劍雄, 李萍, 等. 3D 打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢[J]. 自動化儀表, 2014, 35(1): 1-5. 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