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解耦并联机构的3D打印机结构研究

更新时间: 2020-02-12 14:21:21  查看次数: 384    
研究以3D打印技术为背景,针对国产3D打印机速度差、精度低等问题,从3D打印设备最关键的因素执行机构为出发点展开分析,以解耦并联机构3-CUR机构为研究对象,以3D打印机的性能指标为目标对3-CUR机构进行了运动学、静力学、动力学等几个方面的研究,为解耦并联机构应用于3D打印机的执行机构提供了理论指导意义和实践应用价值,主要研究成果如下:


通过对FDM工艺3D打印机工作机理的分析,揭示了串、并联3D打印机的执行机构的运动规律,阐述了影响3D打印精度、速度的因素;然后将这些因素对应到执行机构的性能指标,对执行机构提出具体的运动和性能要求,提出了解耦并联3D打印机机械本体的设计程序。


建立了位置正反解、速度、加速度数学模型,求取了机构的雅克比矩阵;应用机构的输入输出微分关系,建立了机构的输入输出的误差模型,并基于正解误差模型给出了改善定位精度的误差补偿模型;基于灵巧度指标选取了机构的输入角范围;建立了机构结构参数的性能图谱,并基于遗传算法以打印空间为目标得到了最优的机构参数。


基于牛顿欧拉法建立了系统的动力学模型,求取了驱动力矩的数学模型,利用Adams和MATLAB软件对动力学模型进行了验证,为电机选取提供了理论依据。在不考虑杆件质量的情况下,以打印机的实际工作状态为依据,利用MATLAB软件绘制了支链约束力、力矩在给定工况下的变化曲线,分析得到机构具有受力解耦性;采用虚设转动副方法,得到了动平台所受六维外载荷与动平台变形的数学关系模型。


利用三维设计软件Proe绘制了3-CUR机构的三维装配图,并利用有限元软件AnsysWorkbench对虚拟样机进行了刚度校核,将校核后的样机进行了实体制造,分析了3D打印机的控制原理,最后对执行机构进行了运动学实验。


研究对解耦并联3D打印机器人执行机构进行了详细的设计,但是3D打印是一个多方面的技术,除机械本体外,还与材料、软件、控制有关,因此若要实现打印及打印效果更佳,还有以下工作需要完善:
  1. 深入研究3D打印的控制系统,完成打印头电路系统的连接,对挤出机及运动电机控制程序进行研究,以实现3D打印工艺功能
  2. 对打印头进行研究,实现多喷嘴打印
  3. 研究不同打印材料的性能,使打印材料更适合打印机,提高打印质量
  4. 虽然对定位精度进行了一定的补偿,但是在打印空间的周围区域误差补偿效果偏差,因此还需要考虑更多的因素将误差模型进一步完善



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