雙輸出多向3D打印并聯機器人的研究

3D打印技術的飛速發展開啟了工業“智造”的新時代，應用前景廣泛，成為近幾年先進制造業的研究熱點。目前市場上大部分基于熔融沉積技術的3D打印機一次只能打印出一個產品，而且主要采用串聯機構，以單向分層的打印模式成型產品。在實際應用中這類打印機存在打印精度低、穩定性差和效率低等缺點，當以單向分層打印的方式進行復雜斜面曲面的成型或二次修復加工時，易造成產品表面質量差、力學性能降低以及干涉等問題。在此背景下，本文的研究目標是設計一種基于熔融沉積技術的雙輸出多向3D打印并聯機器人，使其可以實現多輸出和多向分層打印，節約成本，提高3D打印的精度與效率。

為設計一種能滿足雙輸出和多向3D打印需求的并聯機器人，首先基于李群理論提出一種綜合含有鉸接動平臺的并聯構型的新方法，這種方法可有效的增大并聯機構的轉動工作空間，在此基礎上，設計了一類3T2R型的五自由度并聯機構。從中選取一種3T2R型并聯機構為主體，采用同支鏈共驅動的雙輸出方式，即一套驅動系統同時控制兩個相同的輸出機構，進一步設計得到雙輸出多向3D打印并聯機器人。

然后利用螺旋理論計算了3D打印并聯機構的自由度數目；基于封閉矢量法對機構進行了位置反解求解和速度分析；利用位置反解分析了機構的定姿態和定位置工作空間；基于速度分析得到的速度雅克比矩陣，分析了機構的正逆運動奇異以及靈巧性，計算了機構在工作空間內不同位置處的靜剛度值。接著以定姿態工作空間和定位置工作空間為優化目標，基于各結構參數對優化目標的影響建立了優化約束條件，利用遺傳算法優化計算得到了最優的結構設計尺寸。最后利用優化后的結構參數建立了機構的虛擬樣機，在ADAMS軟件中對其進行了自由度運動仿真與驗證，基于雙輸出多向3D打印任務，對機構進行了平面打印和斜面打印的軌跡規劃以及仿真分析。

研究與分析的結果表明，本文設計的3D打印并聯機器人具有較大的轉動工作空間，能實現多向打印，一臺機器一次能同時輸出兩個相同的打印軌跡，可實現雙輸出，而且機構在打印運動過程中平穩可靠。

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