多向3D打印因其可实现沿着任意方向层层累积的3D打印理念而备受一些研究者的青睐。目前并联机构在3D打印上的应用主要以Delta构型为主,比较单一,且并联机构具有由于转动空间小限制了其在多向3D打印领域的应用。在此背景下,基于李群理论和含有铰接动平台并联机构构型综合的一般方法,设计了若干可以实现多向3D打印的具有大转动工作空间的并联机构构型,以一种新型的五自由度的M3DPR机构作为研究对象进行了运动学分析、样机制造与实验等相关内容的研究。具体完成了以下几个方面的研究内容:
首先基于李群理论的相关基础知识,结合含有铰接动平台并联机构构型综合的一般步骤,设计了若干铰接动平台,根据李群理论的相关运算法则找出了满足条件的支链的位移子群或位移子流行,并对这行机构进行了三维建模。设计的并联机构构型主要满足多向3D打印需求为主,主要包括3T1R和3T2R构型。综合考虑多向3D打印的需沿着任意倾斜方向完成3D打印的任务,选取一种3T2R构型作为多向3D打印并联机器人的构型方案进行后续的设计工作。
然后,本文对提出的五自由度多向3D打印并联机器人M3DPR进行了相关理论分析。主要包括:采用封闭矢量法对机构进行了运动学位置反解分析,利用螺旋理论建立了机构的速度雅克比矩阵等运动学分析;基于位置反解,在给定初步设计参数基础上进行了定位置姿态工作空间和定姿态位置工作空间分析,对速度雅克比矩阵进行了分析,获得了机构发生正运动学奇异和逆运动学奇异的条件,在此基础上建立了静刚度矩阵,完成了机构的静刚度等运动性能分析。
接着,基于遗传算法对M3DPR进行了尺寸优化设计,分析了 M3DPR的多目标优化模型,确定目标函数和约束条件,建立了一种适合具有混合自由度的并联机构的结构参数优化方法,采用非支配遗传算法,利用Matlab软件完成了该多目标优化模型程序计算,获得了一组最优解作为M3DPR结构设计参数。
然后,对M3DPR样机及部分零件进行了静应为仿真分析,确保了机构的工作可靠性。W在倾斜平面上打印圆为例对M3DPR的简化模型进行了运动仿真分析,仿真结果验证了理论计算结果的正确性,表明该机器人可以避免打印头与工件之间的干涉,实现二次加工和多向3D打印。
最后,根据绘制好的零件图纸,进行多向3D打印机样机的制作,选择了合理的驱动电机和控制系统。设计了样机的控制方案,并且对样机的控制进行了分析,成功地打印出了产品模型。
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