基于机械系统动力学自动分析的多喷头3D打印机运动学研究.pdf
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1、众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期基于机械系统动力学自动分析的多喷头 3D 打印机运动学研究王垚垚1,2,3,臧剑波1,2,石禹鹏1,2,张虎1,2,马苏常1,2,3*,刘缘2(1.无锡职业技术学院 机械技术学院,江苏 无锡 214121;2.江苏大学 无锡机电学院,江苏 无锡 214121;3.江苏省智能产线技术及装备工程研究中心,江苏 无锡 214121)3D Systems 公司创始人 Hull 首次申请立体光刻技术以来,3D 打印机开始蓬勃发展。近年来,国内外学者对于 3D 打印机的机械结构进行不断探索
2、与研究,许多不同类型和结构的打印机逐渐被使用1-2。至今已有熔融沉积成型(FDM)、光固化成型(SLA)、三维粉末粘接(3DP)、选择性激光烧结(SLS)和无模铸型制造技术(PCM)等 3D 打印机工艺。而 Stratasys 公司创始人 Crump 研发 FDM 工艺的 3D 打印机凭借着维护成本低,构造原理较为简单和使用便利等特点被大范围应用3-5。其中,Bowyer 改进了串联机构立体式 3D 打印机,方向灵活,易于控制但打印精度较低,需要同时控制工作台和打印头才能实现打印。后有学者鉴于串联所产生的一系列问题申请了基于 Delta并联机械结构的 3D 打印机专利,提高打印精度与质量,但由
3、于结构的局限性,打印回转体类型程序复杂,控制较为困难6。机械臂 3D 打印技术可以多个自由度快速打印,可见该技术对编程要求极高7-10。赵钱孙等1和王建等11学者将笛卡尔坐标系下的 3D 打印机与柱坐标系下的 3D 打印机进行机械结构对比,总结出用柱坐标系3D 打印回转体具有打印速度快、精度高、稳定性好和控制简单等优点。为此本文在柱坐标系的基础上,利用行星轨道12,设计了一种多喷头3D 打印机。考虑到打印回转体零件的简便与高效,底座采用行星轨道来连接 Z轴运动机构与底座形成柱坐标系的运动结构。剩余结构利用丝杠运动机构进行连接驱动。利用 NX 等软件对 3D 打印机进行建模,利用 ADAMS 对
4、其运动状态进行分析与模拟,通过图基金项目:江苏省高等学校优秀科技创新团队(江苏教科函 2019 7 号)*通信作者:马苏常(1968-),男,博士,教授。研究方向为产品创新设计、特种加工。摘要:针对目前 3D 打印机打印回转体类型零件速度慢、插补复杂、效率低等缺陷,设计一种 3D 打印机,由底座、行星齿轮组、Z轴运动机构、横向丝杠机构和料架等组成。通过 ADAMS 仿真软件进行运动学虚拟仿真分析。3D 打印机可通过增加打印喷头数量来提高打印速度。通过对多喷头的协作打印方案进行运动仿真模拟计算,得到运动学特性。通过对比分析不同时刻的末端执行器的速度、加速度和受力情况,验证 3D 打印机机械机构运
5、动可行性。相比于传统 3D 打印机,该打印机对于回转体零件的打印效率显著提高。关键词:3D 打印机;ADAMS;FDM;柱坐标;多喷头中图分类号院TH162文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤27-0033-04Abstract:Aiming at the defects of slow speed,complex interpolation and low efficiency in printing rotary parts of existing 3Dprinters,a 3D printer is designed,which is composed of base,
6、planetary gear set,Z-axis motion mechanism,transverse screwmechanism,material rack and so on.The virtual simulation analysis of kinematics is carried out by ADAMS simulation software.3D printers can increase the printing speed by increasing the number of printer nozzles.Through the motion simulation
7、 calculationof the cooperative printing scheme with multiple nozzles,the kinematic characteristics are obtained.Through the comparativeanalysis of the speed,acceleration and force of the end-effector at different times,the results verify the motion feasibility of themechanical mechanism of the 3D pr
8、inter.Compared with the traditional 3D printer,this printer can significantly improve theprinting efficiency of rotary parts.Keywords:3D printer;ADAMS;FDM;cylindrical coordinates;multiple nozzleDOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.27.00833-2023 年 27 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application表的运动曲
9、线和受力曲线说明此机械结构可以有效提高打印机打印回转体的速度与效率,并证明其结构的可行性与可靠性。1柱坐标系多喷头3D打印机的结构设计本文设计了一种在柱坐标系下的多喷头 3D 打印机,可以多个喷头共同进行打印工作,实现多种分层结构或协同的打印工作。如图 1 所示,底座由支撑架、固定环和打印平台组成。固定环外侧是行星轨道小行星齿轮在 Z轴运动机构下方固定。2 个 Z轴运动机构上面承接料架,下面通过小行星齿轮与底座的行星齿轮形成回转结构,为旋转副。Z 轴运动结构为运动副由步进电机驱动在 Z 轴上下运动。横向架梁机构夹在 Z轴运动中间为运动副,负责挤出机的横向运动,利用丝杠运动配合步进电机进行驱动。
10、图 1柱坐式 3D打印机此结构大部分打印机的空间直角坐标系转化为柱面坐标系(图 2)。在此坐标系下圆形曲线和矩阵变换易于表达。设 P(x,y,z)为空间内一点,并设点 P在 xOy 面上的投影 N 的极坐标为(籽,兹),则称(籽,兹,z)为 P的柱面坐标。并规定范围是:0燮籽+肄,0燮兹燮2仔,-肄z+肄。x=籽cos兹y=籽sin兹z=z扇墒设设设设设缮设设设设设。本文设计的多喷头 3D 打印机的各部件如图 3 所示,其打印机底座采用圆形底座。中间的圆台为工作台,最外面的齿轮组成行星轨道为柱坐标平面内的轨道结构,最下面为加固底座。外层采用行星轨道具有高载荷、大传动比和扭矩传递性好等特点适应了
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