基于3—RPS并聯機構的電流體動力打印設備設計

張國輝+楊益+王偉偉+齊鑫+顧金梅

摘 要：3-RPS并聯機構具有高精度、高承載能力、結構簡單緊湊、易于實現高速運動等優點，由此基于3-RPS并聯機構，開展新型電流體動力打印設備的研發工作。對3-RPS并聯機構電流體打印機的結構進行了設計，并對一些受力部件以及非標準零件進行了設計計算，相關結果表明采用3-RPS并聯機構的電流體動力打印設備設計方案可行。

關鍵詞：三自由度并聯機構 電流體動力 3D打印機 結構設計

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0040-04

Abstract：The 3-RPS parallel mechanism has the advantages of high precision， high load capacity， simple and compact structure， easy to realize high-speed movement， etc. The research work of this paper is based on 3-RPS parallel mechanism. The structure of 3-RPS parallel mechanism current-body printer is designed， and some force components and non-standard parts are designed and calculated. The results show that the design scheme of 3-RPS parallel mechanism is feasible.

Key Words：Three-freedom parallel mechanism； Electrohydrodynamic； 3D printer； Structural design

近年來，由于三自由度的并聯機構相對來說驅動元件少，而且成本較低，結構也比較緊湊，使得它擁有了很大的發展以及運用潛力，從而引起了國內外大量機械領域學者的關注[1-2]。其中，澳大利亞的Hunt[3]所提出的能夠使得二維轉動以及一維移動同時實現的3-RPS并聯機構成為了全球該領域的研究熱點之一。

但對于三自由度RPS類型的并聯機構，它運動空間上的分析研究并不多。追究其根本原因，是因為RPS類型的并聯機構只有3個獨立的自由度，如果要計算得到對應的工作空間，就必須要求出3個自由度的移動坐標，而此過程中對方程整體的求解帶來巨大的困難，尤其體現在解析解的復雜工作量上。李艷文[4]對3-RPS并聯機構的奇異判別式以及奇異分布進行了研究；利用牛頓的歐拉法則，李永剛[5]對3-RPS并聯機構的逆動力學進行了分析；對于3-RPS的驅動力以及約束反力，趙燕[6]采用了力和力矩的平衡方程來進行確定；而在并聯機構剛度上，胡波[7]根據虛設機構的方法提出了全新的求解方式；運用特征列的方法，牛祿峰[8]對3-RPS的位置正解進行了求解。

目前EHD打印設備的性能還不穩定，結構復雜且成本高。設備大多僅適用于低濃度溶液的打印，所以打印設備結構的簡化，精度的提升將會是今后的重要課題。傳統的EHD打印設備的直線模組結構復雜，運動精度高，但生產產品成本高，花費也高，一般不適合中低端消費者。采用并聯機構實現EHD打印，有承載能力好、累計誤差少、結構簡單等一些突出的優點。因此，該文主要基于三自由度PRS機構設計一種電流體動力打印設備，以實現低成本、高精度的圖案化打印功能。

1 3-RPS電流體動力打印設備總體設計

整個設備的設計以在實際產品上進行圖案化打印為主要目標，在設計過程中，盡可能采用標準件以及市場上可用的零部件進行外部的總體設計。運用三自由度并聯機構實現動平臺的空間運動，利用微流量泵將流體壓入噴頭，并且再利用磁控裝置對流體進行控制進行打印。在裝噴頭以及打印過程中可用監控裝置對噴頭以及打印處進行觀察，從而及時對設備進行調整。

2 設計方案

該文對3-RPS并聯機構電流體打印機進行了整體的結構設計，對一些受力部件以及非標準零件進行了工作原理以及作用還有參數的分析。在該結構設計中，主要包括了基本外部支架、動平臺等的設計，對主要受力部件進行了力學上的校核。具體結構如圖1所示。

2.1 打印機架結構

在整個3D打印機的設計中，如圖2所示，外部支架主要用來支撐整體系統，給3-RPS并聯機構創造運動范圍以及運動方向。采用基本的三角洲打印機的通用外部結構，以30鋁型材為框架材料，構建出一個截面為三角形的柱體。

外部支架直接利用商家已有的三角洲型3D打印機的機架（科塞爾3D打印機機架）。整個機架采用120 cm的30鋁型材作為高度上的支撐件并且作為傳動帶的基本導軌；上下端用60 cm的30鋁型材構成三角柱形空間，并在下方裝配成型平臺，用于最終打印物品的材料累積以及最終成型；下端三角處放置步進電機，增加下端重量從而放低重心，使得整個系統的重心下降，增加平穩性。

2.2 動平臺設計

相應裝置利用滾珠型Z軸滑臺控制位置，從而實現對點滴液體的速度以及顆粒大小的控制，以及裝噴頭時候對磁控裝置的位置進行調整而不會干擾監控的視野；氣壓裝置中的流體瓶裝在動平臺上，保證在動平臺運動過程中對氣壓裝置上導管的牽扯達到最??；監控主要是裝噴頭時候進行位置的定位以及在打印過程中對打印對象成型的監控。整體的裝配如圖3所示。

整個動平臺是以動平臺基板為基礎，在中間位置直接放入噴頭放置塊，然后在噴頭放置塊中放置噴頭，通過裝配關系將噴頭進行位置的固定。磁控臺通過螺釘固定在直線滾珠型Z軸滑臺上，通過直線滾珠型Z軸滑臺的上下調整來改變磁控裝置的Z軸位置。

3 主要部件設計計算

3.1 電機的選型

由于動平臺上裝有多個部件，加上流體的注入，給整個動平臺的安全計算重量為2 kg，因此在空間上受力分析后，得到并聯臂的受力為：

3.2 動平臺設計

動平臺是通過3-RPS并聯機構的桿件和同步帶等連接并保證運動的。由此來保證該并聯機構為三自由度的并聯機構。

并聯臂采用碳纖維作為材料，通用型碳纖維強度為1 000 MPa、模量為450 GPa左右，此次設計中并聯臂長420 mm，臂的安全拉力為7.69 N。

由此可知，并聯臂存在一定誤差，但在可行范圍內。

3.3 非標準件動平臺基板

動平臺基板用來作為動平臺上各個部件的承載物，并和并聯臂連接形成三自由度并聯機構。如圖4所示，整個動平臺基板作為固定其他裝置的基礎，周邊側面上的按照機架要求進行設計。

4 結論

（1）并聯機構具有高精度、高承載能力、結構簡單緊湊、易于實現高速運動等優點，該文基于3-RPS并聯機構，并與電流體動力打印原理結構，研發了一種3-RPS并聯機構的電流體動力打印設備。

（2）3-RPS并聯機構電流體打印設備主要是由基本外部支架、3-RPS并聯機構、動平臺等部分組成。

（3）3-RPS并聯機構電流體動力打印設備成本較低，并能適用于具有能在復雜外形產品表面上進行圖案化打印的功能。

參考文獻

[1] 韓書葵，方躍法，郭盛.少自由度并聯機構真實運動分析[J].機械工程學報，2009，45（9）：58-63.

[2] 寧淑榮，郭希娟，黃真.一種新型少自由度并聯機構4-RPR（RR）及基礎分析[J].機械設計，2006，23（8）：14-16.

[3] Hunt KH.Structural kinematics of inparallelactuated robot-ams[J].Journal of Mechanisms，1983，105（4）：705-712.

[4] Li Yanwen，Huang Zhen.Method used in singularity research based on kinematics and its example in application[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，17（2）：161-165.

[5] 李永剛，宋移民，馮志友，等.基于牛頓歐拉法的3-RP并聯機構逆動力學分析[J].航空學報，2007，28（5）：1210-1215.

[6] 趙燕，黃真.3-RPS并聯機構的主動力和約束力分析[J].燕山大學學報，2008，32（4）：299-303.

[7] 胡波，路懿.求解3-RPS并聯機構剛度的新方法[J].機械工程學報，2010，46（1）：24-28.

[8] 牛祿峰.利用特征列方法求解并聯機構位置正解[J].機械設計，2007，24（8）：28-29.