基于并联结构的多功能3D制造设备的关键转换件的仿真分析及设计

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　　摘 要：设计了一种基于并联结构的多功能3D制造设备上动平台与工作模块之间快速稳固结合的转换零件以及转换电路。通过对现有的并联机器人进行测绘、建模及受力分析。设计出一种能够兼容3D打印模块、激光雕刻模块及实现定位拾取功能机械手的转换件。该零件具有保持不变的结构与外观，能够与这三种工作模块中任意元件固定。通过该转换件可使工作模块与设备上的动平台之间稳固结合，实现不同模块在单台设备上的快速切换。优化了工作模块切换时的电路转换，可增强设备工作时的稳定性以及模块转换的快捷性。
　　关键词：并联结构;3D制造设备;转换件
　　1 概述
　　并联结构机器人在现代社会中广泛应用于各行各业，有着无累计误差、精度高、动态响应好等先天优势。[1-3]在制造业中，并联机器人被广泛应用于3D打印，激光雕刻等加工领域，且能通过连接机械手实现定位拾取的功能。由此可设计出一种转换零件，使其与工作模块固定。并于并联机器人的动平台上增设电磁铁，使转换件与动平台两者之间牢固吸附。且对主板接线进行改造，增加数据接口，使切换工作模块时工作电路能够同时快速转换。由此可使单台设备实现3D打印、激光雕刻及定位拾取三种功能（抑或更多），令不同模块在单台设备上能够快捷切换，使加工方式单一的并联机器人能够实现多种功能。本文研究内容主要面向于小型企业与个人用户，可在减少支出成本的同时实现多种制造加工方式。[4]
　　2 连接动平台与工作元件的关键转换件
　　2.1 转换件的结构特点
　　该转换件大体上是一个圆角三角型块，外观见图1。
　　
　　转换件上部设置有3D打印模块滑槽。下部铣出激光雕刻模块方形卡槽，在卡槽边缘增加一块长条形背板并钻出定位螺丝孔。在三角形三个顶点处各铣出一个用于定位电磁铁的圆槽，圆槽内部镶嵌钢片。转换件中心处开孔。该转换件三视图及各部分具体尺寸见图2。
　　经材料仿真后证明，该转换件各部分受力均匀、结构合理，能够保证工作模块与其稳定固定，且该转换件的微小形变可忽略不计。电磁铁的吸力也足以令与工作模块固定后的整个部件与动平台之间稳固吸附，使其二者之间微小的相对位移可忽略不计。具体受力分析见下文图3。
　　2.2 转换件的工作原理
　　本转换件可视为连接并联机器人动平台与工作模块之间的桥梁，该转换件与工作模块之间通过卡槽、螺丝固定，使之与工作模块构成一个部件。
　　在固定3D打印模块时，转换件上端滑槽用于在z轴上固定3D打印模块，在理论上消除z轴上的相对位移。同时利用动平台中心处的孔洞固定3D打印模块散热管顶端，从而在理论上消除x-y平面上的相对位移。
　　在固定激光雕刻模块时，转换件下端的方形卡槽用于固定激光雕刻模块散热器顶部，在理论上消除x-y平面上的相对位移。用螺丝将散热器背部与卡槽边缘处带螺丝孔的长条形背板固定，在理论上消除z轴上的相对位移。
　　转换件与工作模块在实际使用中不需要拆分，由此可达到快捷更换工作模块的目的。在需要更换工作模块时，本转换件上的三个圆形凹槽用于与并联机器人的动平台进行固定，在理论上消除x-y平面上的相对位移。而圆形凹槽内部镶嵌的钢材则是为了与动平台上的电磁铁吸附，从而在理论上消除z轴上的相对位移。转换件中间的孔洞可使各工作模块的数据线及供电线通过动平台中心的孔洞与主板上的接线连接。囿于机械手种类繁多，接口处便于加工，该转换件未设有机械手的连接固定槽口，机械手的连接方案可依照该转换件现有的槽口进行再设计。
　　2.3 转换件受力分析
　　2.3.1 转换件电磁铁受力状况
　　工作情况为：电磁铁受到1N的拉力。
　　该转换件在X轴所受反作用力（N）为-6.16303e-006，Y轴方向为-2.30572e-006，Z轴方向为1，反力矩在各个方向上都为0。
　　2.3.2 转换件螺钉校核
　　工作情况为：螺栓只受预紧力。
　　式中F′是螺栓所受预紧力、[σ]是紧连接螺栓的许用切应力。
　　假设预紧力F′=100N，产生摩擦力足够固定机械爪和激光头，得σc=27MPa≤[σ]。
　　因此，用M3的螺栓连接能够满足使用强度。
　　在该转换件被电磁铁固定时，假设螺栓处受到1N的拉力。该转换件所受到的最小应力为1.502e+001N/m2，最大应力为3.750e+004N/m2。最小合位移为0.000e+000mm，最大合位移为8.886e-006mm。最小对等应变为1.754e-010，最大对等应变为4.255e-007。
　　该转换件在被电磁铁固定的情况下，于螺钉处的受力图见图3。
　　2.4 转换件的材料分析
　　该转换件的各参数如下：
　　材料：6061合金
　　质量：0.0437907kg
　　体积：1.62188e-005m3
　　重量：0.429149N
　　质量密度：2700kg/m3
　　屈服强度：5.51485e+007N/m2
　　张力强度：1.24084e+008N/m2
　　弹性模量：6.9e+010N/m2
　　泊松比：0.33
　　抗剪模量：2.6e+010N/m2
　　热扩张系数：2.4e-005/Kelvin
　　3 切換工作元件时的电路转换
　　在切换工作模块时，我们采用杜邦线作为导通电路的线材。杜邦线具有制作速度快、操作简便等特点。我们将杜邦线在框架上进行固定，在切换工作模块时，仅需简单的插拔动作就能够快速切换工作模块。在机器故障时也能快速地拆除线缆，以便维修机器。
　　4 研究总结
　　本方案通过设计出转换件，将多种工作模块应用于一台机器上，可应用于小型企业生产及家庭DIY。该转换件能使单台并联机器人实现多种功能，使并联机器人的扩展性得到极大增强。而且成本低，小型化，便于拆装，具有一定的推广价值。通过该转换件，可使并联机器人的普及性更高，为未来企业制造及家庭DIY提供了一种全新的可能性。
　　参考文献：
　　[1]吴懋亮，蔡杰，何涛，谢飞.并联结构的3D打印系统设计与分析[J].机械设计与制造，2016（07）：113-115+120.
　　[2]郭晓波，翟雁，吴丽娜.基于3D打印并联机器人机构的工作空间分析[J].机床与液压，2018，46（05）：6-8.
　　[3]蔡团团.基于Delta并联机械结构的3D打印机研究[D].长沙理工大学，2017.
　　[4]韩刚.3D打印技术发展现状及其前景[J].山东工业技术，2019（04）：48.
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