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

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,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 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 printer.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。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本 3D 打印机的柱坐标平面多喷头转动的设计要求13-14。此轨道可以满足单喷头或者多喷头同时在柱坐标系下进行运作。如果在主齿轮不变的情况下，选择不同的行星齿轮，可以使传动比发生改变。图 2空间直角坐标系转换为柱坐标系横向架梁伸缩运动机构采用步进电机加上丝杠的驱动模块，可以有效保证此方向的打印精度与速度。在运动的过程中，这个结构中的丝杠受力最大，在下面基于ADAMS 的力学仿真中会有分析。Z轴依旧采用步进电机和丝杠的驱动模块。两边挡板为承重板，并且可以有效地与上面料架机构连接。上方的料盘可以放置打印耗材，下方的支架则是起到支撑作用，并连接到 Z轴运动机构上。2运动学仿真2.1同面打印同面打印可以在相同的平面上打印，互相不干扰，可以增加打印效率。喷头轨迹的计算是基于空间柱坐标系，因此其打印曲线的速率与精度比普通结构的打印机都有明显改善，该结构的打印机十分适合制作轴类等回转类零件。本实例 2 个柱座同时打印阿基米德螺线。打印过程如图 4（a）所示。图 4（b）为理论打印曲线，通过对驱动函数的设置，可以打印出同一个平面内的曲线。通过曲线之间的叠加组合，打印回转体零件的效率会大大增加。在打印过程中对 2 个喷头的位移和速度曲线进行比较分析，运动过程平滑无突变，由曲线可以看出在 010s的时候位移比较大，这是因为 2 个喷头要在工作台上的参考点处，2 个喷头在空间上的位置不相同，所以在回参考点的时候位移不相同。在 20s 的时候位移和速度曲线呈简谐运动曲线。2 个喷头在同一工作面的时候，2 个柱座下面的行星齿轮电机开始运动，围绕工作台作匀速运动，所以得到的曲线呈简谐运动曲线。在悬臂梁上由丝杠固定的挤出机，在运动过程中可能会出现振动现象，所以在丝杠和挤出机的连接点处测量丝杠上受到力的状况。但由于造成的震动较小，整体受力曲线平滑无突变，受到的力在丝杠强度允许范围内，满足设计要求。外啮合精密行星齿轮结构料架Z轴运动结构挤出机结构悬臂梁结构34-众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期B 层打印喷头B 打印层面A 打印层面已打印层面A 层打印喷头图 3 部件示意图渊a冤示意图渊b冤原理图图 5协同打印支架支撑块行星齿轮 B丝杠限位块限位块惯穿式步进电机电机托加固圆环工作台行星齿轮 A挤出机料盘渊葬冤打印机底座渊遭冤横向架梁渊糟冤行星轨道渊凿冤在轴传动机构渊藻冤料架2.2协同打印在实际生产中，为加快生产效率。打印机的两个喷头可以相互协助，喷头 A 打印 A 层，喷头 B 打印 B 层，通过专用的切片软件，可以将物体模型的界面轮廓和路径轨迹输入到控制系统里，通过系统分析将模型的数据分别输入到 2 个喷头，喷头 A 先打印一部分，喷头 B 打印在喷头 A 的路径上，实现逐层堆积。最终实现模型零件的打印工作。这样就实现了双层同时打印的动作。提高了打印的工作效率和工作速度。理论上是双倍效率，实际效率在1.51.8 倍，因为喷头 B 跟随喷头 A 打印，有一定的滞后性。可以根据太阳轮的尺寸，增加喷头的数量，实现 2 个以上的喷头打印，可极大限度地提高打印效率。在 ADAMS 中设置运动副的驱动函数，运动轨迹如图 5 所示。2 个喷头在同一运动轨迹上后，行星电机绕工作台匀速运动，设置好打印件的层高等参数，纵向电机就会旋转 1 个步距角，逐层向上完成打印工作。喷头A打印轨迹渊a冤同面打印示意图渊b冤理论打印曲线图 4工作示意图喷头B打印机迹35-2023 年 27 期众创空间科技创新与应用Technology Innovation and Application图 6运行端页面端流程图5结束语基于高铁客舱环境下的智能售卖公共服务设计立足于从生活实际出发去发现问题。以高铁客舱环境售卖服务的弊端和用户需求体验的痛点为切入点，通过对当前服务现状、用户体验的大量调研分析出问题的原因和解决的措施，通过创新的设计方案解决人们日常出行的痛点，提升用户体验，通过技术与设计的结合更好地服务社会，提高中国高铁的经济效益。参考文献院1 艾瑞咨询研究院援中国无人零售行业研究报告Z援2018：246-310.2 邢郁川.基于场景理论的新零售服务设计策略研究D.无锡：江南大学，2020.3 王墨竹，姚建明.基于顾客多维满意度刻画的无人零售终端配置优化研究J援管理学报，2019，16（1）：133-141援4 李振中，许设，马文博.无人物流车末端配送研究J.中国汽车，2021（8）：14-17.5 闫嘉琦，宁芳.服务设计理念下的快递无人配送系统设计研究J.工业设计，2021（11）：121-123.6 王姣阳.基于 SWOT 分析无人配送问题研究J.中国储运，2023（2）：102.3结束语本文所设计的3D 打印机，基于柱坐标系设计。主要采取外啮合行星齿轮的方法，使 2 个柱座在工作台上实现打印工作。在柱座上采用悬臂梁结构，实现喷头在工作台上的打印工作。本文主要通过 ADAMS 运动仿真针对 3D 打印机在工作过程中的 3 种情况做了运动学仿真，分析运动工作的可行性，然后对 2 个喷头的位移、速度曲线、挤出机和丝杠连接点的受力情况进行分析。3 种工作过程的仿真结果都满足打印机的要求，并且工作过程中丝杠所受到的力均在强度校核所预设的力之内，所以该 3D 打印机可以顺利运行。参考文献院1赵钱孙，陈继飞，吴桂峰，等.3D 打印机发展及其结构分析J.橡塑技术与装备，2021，47（24）：44-48.2袁平，谢焯俊，张泽，等.基于 ANSYS Icepak 的 FDM 3D 高温打印机喷头散热优化研究J.机械，2021，48（11）：10-16.3何昱煜，程军，刘益剑，等.高温 FDM 喷头的有限元建模及温度场仿真J.塑料，2019，48（2）：79-81.4陈延凯，史延春，张建辉.基于 FDM技术 3D 打印机结构与工艺参数优化的研究D.浙江：杭州电子科技大学，2020.5岳桂林，蔡小建，顾焱.桌面式 FDM型 3D打印机常见问题综述J.科技风，2020（34）：189-190.6曾达幸，张星，樊明洲，等.3-CUR 解耦并联 3D 打印机结构优化与动力学分析J.中国机械工程，2017，28（12）：1413-1420.7夏驰，曹良成，冯联华，等.机械臂 3D 打印技术及系统的试验研究J.机械设计与制造，2018（2）：107-109.8徐海璐，房剑飞，韩雪，等.基于机械臂的 3D 打印机控制系统研究J.机械工程师，2021（5）：9-10，14.9李瑞，王思雨，陆磊磊，等.四轴机械臂式 3D打印机J.中国战略新兴产业，2018（44）：163.10张小建，夏炜炜，黄嘉昊，等.并联臂式 3D 打印机机构设计与研究J.中国高新技术企业，2016（33）：5-6.11王建，张弓，何文杰，等.基于极坐标的新型 3D 打印机的设计与实验研究J.现代制造工程，2019（6）：43-49.12吴守军，冯辅周，吴春志，等.行星轮系动力学分析与响应表示方法研究J.振动工程学报，2021，34（6）：1177-1186.13张旭东，杨林杰，曹延军，等.行星齿轮传动系统发展及关键技术研究进展J.化工机械，2021，48（6）：803-809.14巫世晶，任辉，朱恩涌，等.行星齿轮传动系统动力学研究进展J.武汉大学学报（工学版），2010，43（3）：398-403.渊上接 32 页冤商品展示确认下单状态同步生成订单等待配送执行配送送货中已送达已取消已送达已取消待送达开始配送取得路径等待配送生成订单生成订单优先级分析调度配送车代表状态代表操作c 端入口配送车云计算未取货用户取消36-