基于并聯結構的多功能3D制造設備的關鍵轉換件的仿真分析及設計

韓朝　劉樂田　段常偉　葛宏林

摘 要：設計了一種基于并聯結構的多功能3D制造設備上動平臺與工作模塊之間快速穩固結合的轉換零件以及轉換電路。通過對現有的并聯機器人進行測繪、建模及受力分析。設計出一種能夠兼容3D打印模塊、激光雕刻模塊及實現定位拾取功能機械手的轉換件。該零件具有保持不變的結構與外觀，能夠與這三種工作模塊中任意元件固定。通過該轉換件可使工作模塊與設備上的動平臺之間穩固結合，實現不同模塊在單臺設備上的快速切換。優化了工作模塊切換時的電路轉換，可增強設備工作時的穩定性以及模塊轉換的快捷性。

關鍵詞：并聯結構;3D制造設備;轉換件

1 概述

并聯結構機器人在現代社會中廣泛應用于各行各業，有著無累計誤差、精度高、動態響應好等先天優勢。[1-3]在制造業中，并聯機器人被廣泛應用于3D打印，激光雕刻等加工領域，且能通過連接機械手實現定位拾取的功能。由此可設計出一種轉換零件，使其與工作模塊固定。并于并聯機器人的動平臺上增設電磁鐵，使轉換件與動平臺兩者之間牢固吸附。且對主板接線進行改造，增加數據接口，使切換工作模塊時工作電路能夠同時快速轉換。由此可使單臺設備實現3D打印、激光雕刻及定位拾取三種功能（抑或更多），令不同模塊在單臺設備上能夠快捷切換，使加工方式單一的并聯機器人能夠實現多種功能。本文研究內容主要面向于小型企業與個人用戶，可在減少支出成本的同時實現多種制造加工方式。[4]

2 連接動平臺與工作元件的關鍵轉換件

2.1 轉換件的結構特點

該轉換件大體上是一個圓角三角型塊，外觀見圖1。

轉換件上部設置有3D打印模塊滑槽。下部銑出激光雕刻模塊方形卡槽，在卡槽邊緣增加一塊長條形背板并鉆出定位螺絲孔。在三角形三個頂點處各銑出一個用于定位電磁鐵的圓槽，圓槽內部鑲嵌鋼片。轉換件中心處開孔。該轉換件三視圖及各部分具體尺寸見圖2。

經材料仿真后證明，該轉換件各部分受力均勻、結構合理，能夠保證工作模塊與其穩定固定，且該轉換件的微小形變可忽略不計。電磁鐵的吸力也足以令與工作模塊固定后的整個部件與動平臺之間穩固吸附，使其二者之間微小的相對位移可忽略不計。具體受力分析見下文圖3。

2.2 轉換件的工作原理

本轉換件可視為連接并聯機器人動平臺與工作模塊之間的橋梁，該轉換件與工作模塊之間通過卡槽、螺絲固定，使之與工作模塊構成一個部件。

在固定3D打印模塊時，轉換件上端滑槽用于在z軸上固定3D打印模塊，在理論上消除z軸上的相對位移。同時利用動平臺中心處的孔洞固定3D打印模塊散熱管頂端，從而在理論上消除x-y平面上的相對位移。

在固定激光雕刻模塊時，轉換件下端的方形卡槽用于固定激光雕刻模塊散熱器頂部，在理論上消除x-y平面上的相對位移。用螺絲將散熱器背部與卡槽邊緣處帶螺絲孔的長條形背板固定，在理論上消除z軸上的相對位移。

轉換件與工作模塊在實際使用中不需要拆分，由此可達到快捷更換工作模塊的目的。在需要更換工作模塊時，本轉換件上的三個圓形凹槽用于與并聯機器人的動平臺進行固定，在理論上消除x-y平面上的相對位移。而圓形凹槽內部鑲嵌的鋼材則是為了與動平臺上的電磁鐵吸附，從而在理論上消除z軸上的相對位移。轉換件中間的孔洞可使各工作模塊的數據線及供電線通過動平臺中心的孔洞與主板上的接線連接。囿于機械手種類繁多，接口處便于加工，該轉換件未設有機械手的連接固定槽口，機械手的連接方案可依照該轉換件現有的槽口進行再設計。

2.3 轉換件受力分析

2.3.1 轉換件電磁鐵受力狀況

工作情況為：電磁鐵受到1N的拉力。

該轉換件在X軸所受反作用力（N）為-6.16303e-006，Y軸方向為-2.30572e-006，Z軸方向為1，反力矩在各個方向上都為0。

2.3.2 轉換件螺釘校核

工作情況為：螺栓只受預緊力。

式中F′是螺栓所受預緊力、[σ]是緊連接螺栓的許用切應力。

假設預緊力F′=100N，產生摩擦力足夠固定機械爪和激光頭，得σc=27MPa≤[σ]。

因此，用M3的螺栓連接能夠滿足使用強度。

在該轉換件被電磁鐵固定時，假設螺栓處受到1N的拉力。該轉換件所受到的最小應力為1.502e+001N/m2，最大應力為3.750e+004N/m2。最小合位移為0.000e+000mm，最大合位移為8.886e-006mm。最小對等應變為1.754e-010，最大對等應變為4.255e-007。

該轉換件在被電磁鐵固定的情況下，于螺釘處的受力圖見圖3。

2.4 轉換件的材料分析

該轉換件的各參數如下：

材料：6061合金

質量：0.0437907kg

體積：1.62188e-005m3

重量：0.429149N

質量密度：2700kg/m3

屈服強度：5.51485e+007N/m2

張力強度：1.24084e+008N/m2

彈性模量：6.9e+010N/m2

泊松比：0.33

抗剪模量：2.6e+010N/m2

熱擴張系數：2.4e-005/Kelvin

3 切換工作元件時的電路轉換

在切換工作模塊時，我們采用杜邦線作為導通電路的線材。杜邦線具有制作速度快、操作簡便等特點。我們將杜邦線在框架上進行固定，在切換工作模塊時，僅需簡單的插拔動作就能夠快速切換工作模塊。在機器故障時也能快速地拆除線纜，以便維修機器。

4 研究總結

本方案通過設計出轉換件，將多種工作模塊應用于一臺機器上，可應用于小型企業生產及家庭DIY。該轉換件能使單臺并聯機器人實現多種功能，使并聯機器人的擴展性得到極大增強。而且成本低，小型化，便于拆裝，具有一定的推廣價值。通過該轉換件，可使并聯機器人的普及性更高，為未來企業制造及家庭DIY提供了一種全新的可能性。

參考文獻：

[1]吳懋亮，蔡杰，何濤，謝飛.并聯結構的3D打印系統設計與分析[J].機械設計與制造，2016（07）：113-115+120.

[2]郭曉波，翟雁，吳麗娜.基于3D打印并聯機器人機構的工作空間分析[J].機床與液壓，2018，46（05）：6-8.

[3]蔡團團.基于Delta并聯機械結構的3D打印機研究[D].長沙理工大學，2017.

[4]韓剛.3D打印技術發展現狀及其前景[J].山東工業技術，2019（04）：48.