基于3—RPS并联机构的电流体动力打印设备设计

张国辉+杨益+王伟伟+齐鑫+顾金梅

摘 要：3-RPS并联机构具有高精度、高承载能力、结构简单紧凑、易于实现高速运动等优点，由此基于3-RPS并联机构，开展新型电流体动力打印设备的研发工作。对3-RPS并联机构电流体打印机的结构进行了设计，并对一些受力部件以及非标准零件进行了设计计算，相关结果表明采用3-RPS并联机构的电流体动力打印设备设计方案可行。

关键词：三自由度并联机构 电流体动力 3D打印机 结构设计

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（b）-0040-04

Abstract：The 3-RPS parallel mechanism has the advantages of high precision， high load capacity， simple and compact structure， easy to realize high-speed movement， etc. The research work of this paper is based on 3-RPS parallel mechanism. The structure of 3-RPS parallel mechanism current-body printer is designed， and some force components and non-standard parts are designed and calculated. The results show that the design scheme of 3-RPS parallel mechanism is feasible.

Key Words：Three-freedom parallel mechanism； Electrohydrodynamic； 3D printer； Structural design

近年来，由于三自由度的并联机构相对来说驱动元件少，而且成本较低，结构也比较紧凑，使得它拥有了很大的发展以及运用潜力，从而引起了国内外大量机械领域学者的关注[1-2]。其中，澳大利亚的Hunt[3]所提出的能够使得二维转动以及一维移动同时实现的3-RPS并联机构成为了全球该领域的研究热点之一。

但对于三自由度RPS类型的并联机构，它运动空间上的分析研究并不多。追究其根本原因，是因为RPS类型的并联机构只有3个独立的自由度，如果要计算得到对应的工作空间，就必须要求出3个自由度的移动坐标，而此过程中对方程整体的求解带来巨大的困难，尤其体现在解析解的复杂工作量上。李艳文[4]对3-RPS并联机构的奇异判别式以及奇异分布进行了研究；利用牛顿的欧拉法则，李永刚[5]对3-RPS并联机构的逆动力学进行了分析；对于3-RPS的驱动力以及约束反力，赵燕[6]采用了力和力矩的平衡方程来进行确定；而在并联机构刚度上，胡波[7]根据虚设机构的方法提出了全新的求解方式；运用特征列的方法，牛禄峰[8]对3-RPS的位置正解进行了求解。

目前EHD打印设备的性能还不稳定，结构复杂且成本高。设备大多仅适用于低浓度溶液的打印，所以打印设备结构的简化，精度的提升将会是今后的重要课题。传统的EHD打印设备的直线模组结构复杂，运动精度高，但生产产品成本高，花费也高，一般不适合中低端消费者。采用并联机构实现EHD打印，有承载能力好、累计误差少、结构简单等一些突出的优点。因此，该文主要基于三自由度PRS机构设计一种电流体动力打印设备，以实现低成本、高精度的图案化打印功能。

1 3-RPS电流体动力打印设备总体设计

整个设备的设计以在实际产品上进行图案化打印为主要目标，在设计过程中，尽可能采用标准件以及市场上可用的零部件进行外部的总体设计。运用三自由度并联机构实现动平台的空间运动，利用微流量泵将流体压入喷头，并且再利用磁控装置对流体进行控制进行打印。在装喷头以及打印过程中可用监控装置对喷头以及打印处进行观察，从而及时对设备进行调整。

2 设计方案

该文对3-RPS并联机构电流体打印机进行了整体的结构设计，对一些受力部件以及非标准零件进行了工作原理以及作用还有参数的分析。在该结构设计中，主要包括了基本外部支架、动平台等的设计，对主要受力部件进行了力学上的校核。具体结构如图1所示。

2.1 打印机架结构

在整个3D打印机的设计中，如图2所示，外部支架主要用来支撑整体系统，给3-RPS并联机构创造运动范围以及运动方向。采用基本的三角洲打印机的通用外部结构，以30铝型材为框架材料，构建出一个截面为三角形的柱体。

外部支架直接利用商家已有的三角洲型3D打印机的机架（科塞尔3D打印机机架）。整个机架采用120 cm的30铝型材作为高度上的支撑件并且作为传动带的基本导轨；上下端用60 cm的30铝型材构成三角柱形空间，并在下方装配成型平台，用于最终打印物品的材料累积以及最终成型；下端三角处放置步进电机，增加下端重量从而放低重心，使得整個系统的重心下降，增加平稳性。

2.2 动平台设计

相应装置利用滚珠型Z轴滑台控制位置，从而实现对点滴液体的速度以及颗粒大小的控制，以及装喷头时候对磁控装置的位置进行调整而不会干扰监控的视野；气压装置中的流体瓶装在动平台上，保证在动平台运动过程中对气压装置上导管的牵扯达到最小；监控主要是装喷头时候进行位置的定位以及在打印过程中对打印对象成型的监控。整体的装配如图3所示。

整个动平台是以动平台基板为基础，在中间位置直接放入喷头放置块，然后在喷头放置块中放置喷头，通过装配关系将喷头进行位置的固定。磁控台通过螺钉固定在直线滚珠型Z轴滑台上，通过直线滚珠型Z轴滑台的上下调整来改变磁控装置的Z轴位置。

3 主要部件设计计算

3.1 电机的选型

由于动平台上裝有多个部件，加上流体的注入，给整个动平台的安全计算重量为2 kg，因此在空间上受力分析后，得到并联臂的受力为：

3.2 动平台设计

动平台是通过3-RPS并联机构的杆件和同步带等连接并保证运动的。由此来保证该并联机构为三自由度的并联机构。

并联臂采用碳纤维作为材料，通用型碳纤维强度为1 000 MPa、模量为450 GPa左右，此次设计中并联臂长420 mm，臂的安全拉力为7.69 N。

由此可知，并联臂存在一定误差，但在可行范围内。

3.3 非标准件动平台基板

动平台基板用来作为动平台上各个部件的承载物，并和并联臂连接形成三自由度并联机构。如图4所示，整个动平台基板作为固定其他装置的基础，周边侧面上的按照机架要求进行设计。

4 结论

（1）并联机构具有高精度、高承载能力、结构简单紧凑、易于实现高速运动等优点，该文基于3-RPS并联机构，并与电流体动力打印原理结构，研发了一种3-RPS并联机构的电流体动力打印设备。

（2）3-RPS并联机构电流体打印设备主要是由基本外部支架、3-RPS并联机构、动平台等部分组成。

（3）3-RPS并联机构电流体动力打印设备成本较低，并能适用于具有能在复杂外形产品表面上进行图案化打印的功能。

参考文献

[1] 韩书葵，方跃法，郭盛.少自由度并联机构真实运动分析[J].机械工程学报，2009，45（9）：58-63.

[2] 宁淑荣，郭希娟，黄真.一种新型少自由度并联机构4-RPR（RR）及基础分析[J].机械设计，2006，23（8）：14-16.

[3] Hunt KH.Structural kinematics of inparallelactuated robot-ams[J].Journal of Mechanisms，1983，105（4）：705-712.

[4] Li Yanwen，Huang Zhen.Method used in singularity research based on kinematics and its example in application[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，17（2）：161-165.

[5] 李永刚，宋移民，冯志友，等.基于牛顿欧拉法的3-RP并联机构逆动力学分析[J].航空学报，2007，28（5）：1210-1215.

[6] 赵燕，黄真.3-RPS并联机构的主动力和约束力分析[J].燕山大学学报，2008，32（4）：299-303.

[7] 胡波，路懿.求解3-RPS并联机构刚度的新方法[J].机械工程学报，2010，46（1）：24-28.

[8] 牛禄峰.利用特征列方法求解并联机构位置正解[J].机械设计，2007，24（8）：28-29.