【正文】 39。o o o o ox r y z a b a x r z? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? （ 223） 上面的等式類似圓環(huán)方程，其中 圓環(huán)中心為 ( , 0 , 0) ( c os , si n , 0)T i i Rr r r??? 旋轉(zhuǎn)軸： sin c o si i iy X Y??? ? ? 較小的半徑為： baL? 較大的半徑為： abL? 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 20 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部分 電機(jī)選 型 驅(qū)動(dòng)部分無疑是選用旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 對(duì)于并聯(lián)機(jī)械手，需要精確控制主動(dòng)臂的擺角，對(duì)于這個(gè)桌面型的并聯(lián)機(jī)械手，驅(qū)動(dòng)部分不需要做得復(fù)雜?？煽刂平嵌鹊碾姍C(jī)有舵機(jī)（用在遙控模型上的）、步進(jìn)電機(jī)等。若是使用步進(jìn)電機(jī)，控制上會(huì)比較麻煩點(diǎn)。采用舵機(jī)的話可以直接控制旋轉(zhuǎn)角度。如今的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的最小角度可以為 度，而且轉(zhuǎn)動(dòng)速度也很快，扭矩也很大，控制比較方便，幾乎沒有累計(jì)誤差。 因?yàn)橹鲃?dòng)臂比較長(zhǎng)，所以應(yīng)選扭矩比較大的舵機(jī)。本次設(shè)計(jì)中初選 HS805BB 型舵機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如下： 表 21 技術(shù)參數(shù) 馬達(dá) 類型 額定 電壓 操作 溫度 軸承類型 速度（ sec/60176。 ） 扭力（ kg cm） 重量 （ g） 尺寸 規(guī)格 3 對(duì)極 20℃至+60℃ 雙滾珠軸承 ： ；： ： ；： 152 66 x 30 m 扭力校驗(yàn) 采用 solidworks 繪制出機(jī)械手，計(jì)算各個(gè)部件的質(zhì)量。為了能方便計(jì)算，將主動(dòng)臂和從動(dòng)臂的質(zhì)量加到動(dòng)平臺(tái) 上，總質(zhì)量為約為： M 總 =800g。我們可以取三條運(yùn)動(dòng)鏈中的其中一條來進(jìn)行受力分析。 首先 EP是二力桿， 當(dāng) BE 垂直于 EP時(shí) ，動(dòng)平臺(tái)對(duì) 電機(jī)的扭矩最大。如圖（ 26） 計(jì)算過程如下： M g N? ? ? ?總 ，動(dòng)平臺(tái)靜止時(shí)， 2 / 3 G N?? 250a r c ta n ( ) a r c ta n ( ) 2 9450baLBPE L ?? ? ? ? 2 2 2 2B P = B E E P = 2 5 0 4 5 0 = 5 1 4 .7 m m?? 39。 95 70 25BP R r mm? ? ? ? ? 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 21 圖 26 單條鏈?zhǔn)芰?分析 39。39。 a r c si n ( ) 2 .7BPBPP BP? ? ? ? 39。 39。 29 BPE BPP? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 3 .0 7c o s 39。aa FFNBPP??? 39。Fa 對(duì) B 的扭矩為 3 . 0 739。 39。 2 5 7 . 8 39 . 8aT F B E k g c m T? ? ? ? 所以可以選擇 HS805BB 型 舵機(jī)。 機(jī)械手材料選擇 想要機(jī)械手平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，這就需要低慣性，也就是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部分（不包括靜 平臺(tái)） 的質(zhì)量就要盡量減少，當(dāng)然還要符合一定的剛度。所以強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，耐熱度高的工程塑料是個(gè)不錯(cuò)的選擇。 通用工程塑料包括聚碳酸酯 (Polycarbonate， PC)、聚酰胺 (尼龍 ,Polyamide， PA)、聚甲醛 (Polyacetal， Polyoxy Methylene， POM)、變性聚苯醚 (Poly Phenylene Oxide，變性PPE)、聚酯 (PETP， PBTP)、聚苯硫醚 (Polyphenylene Sulfide， PPS)、聚芳基酯。而熱固性工程塑料則有不飽和聚酯、酚塑料、環(huán)氧塑料等。拉伸強(qiáng)度均超過 50MPa，耐沖擊性超華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 22 過 50J/m2，彎曲彈性模量在 24000kg/cm2，負(fù)載撓曲溫度超過 100℃，其硬度、抗老化性優(yōu)。 主動(dòng)臂材料選擇 主動(dòng)臂受力在舵機(jī)選型中有提到 ，使用三維軟件 solidworks 中的應(yīng)力分析工具SimilationXpress 來計(jì)算其應(yīng)力分布。不過 SimilationXpress 只是簡(jiǎn)單的初步應(yīng)力分析工具。使用 SimilationXpress 時(shí)，我們需要指定零件的夾具（固定位置）、載荷（包括大小和方向）、材質(zhì)等參數(shù)。然后再進(jìn)行模擬分析。我們先拿主動(dòng)臂做應(yīng)力分析（如圖 26） 圖 26 主動(dòng)臂應(yīng)力分布 因?yàn)橐呀?jīng)指定了零件的材質(zhì)和受力，所以 SimilationXpress 會(huì)計(jì)算出其應(yīng)力分布和變形比例等參數(shù)。圖 26 中右邊有個(gè)色譜條，深藍(lán)色表示應(yīng)力最小，紅色表示應(yīng)力最大。也就是如果模擬出來的零件應(yīng)力分布 圖全部是藍(lán)色，表示這個(gè)零件的強(qiáng)度是完全沒有問題的。如果有某個(gè)地方出現(xiàn)紅色，說明這個(gè)地方可能會(huì)有危險(xiǎn)，在實(shí)際中也許會(huì)斷裂或者疲勞。在應(yīng)力分析過程中我們還可以選擇安全系數(shù)來校核零件的強(qiáng)度。 應(yīng)力分析后，如果發(fā)現(xiàn)有危險(xiǎn)地方可以進(jìn)行優(yōu)化?？梢孕薷慕Y(jié)構(gòu)、尺寸、材質(zhì)來優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)。 雖然工程塑料抗拉強(qiáng)度很好，但是成本還是比較高的 ，而且密度比較高點(diǎn) 。我們可以先試選 ABS 材料 來做應(yīng)力分析。 其應(yīng)力參數(shù)如下： 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 23 圖 27 采用 ABS時(shí)的應(yīng)力參數(shù) 如果換成低比重、高抗拉強(qiáng)度、耐磨、自潤(rùn)滑性好、沖擊韌性優(yōu)異、具有剛?cè)峒? 備的尼 龍（ PA） ，它的應(yīng)力參數(shù)如下： 圖 28 采用尼龍時(shí)的應(yīng)力參數(shù) 通過分析，尼龍所受應(yīng)力較小，其變形比例為 。采用 ABS 時(shí)變形比例是 ，因?yàn)闄C(jī)械手需要一定的剛度，所以我們應(yīng)選擇尼龍作為主動(dòng)臂的材料。 動(dòng)平臺(tái)材料選擇 動(dòng)平臺(tái) 由平臺(tái)主體、熱熔噴嘴（黃銅）、發(fā)熱電阻、加熱電阻固定塊（鋁合金）、噴嘴固定塊 噴嘴固定塊 2和一些螺絲螺母組成（如圖） 圖 29 動(dòng)平臺(tái)三維圖 如果要打印 ABS 材料，需要把噴頭加熱到 170℃以上。所以動(dòng)平臺(tái)部分零件需要耐高溫，而且機(jī)械性能也要打達(dá)到要求。 經(jīng)過分析，我選擇工程塑料 PPS作為動(dòng)平臺(tái)的材料。因?yàn)?PPS 有良好的耐熱性能，可在 180～ 220℃溫度范圍內(nèi)使用。它的耐腐蝕性接近聚四氟乙烯，而且機(jī)械性能優(yōu)異，阻燃性能好。 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 24 因?yàn)檫@個(gè)部分都是尺寸不大的零件，而且質(zhì)量加起來約為 200 多克，所以在此不做受力分析和強(qiáng)度校核。 靜平臺(tái)材料選擇 靜平臺(tái)（固定平臺(tái)）也需要一定的剛度，才能確保機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度。對(duì)于整臺(tái)桌面型的三維打印機(jī)來說，整體的質(zhì)量不能太大，價(jià)格也不能太貴。所以先試選價(jià)格比較低的工程塑料 POM。它是一種性能優(yōu)良的工程塑料，在國(guó)外有“奪鋼”、“超 鋼”之稱。 整個(gè)靜平臺(tái)要承受機(jī)械手和舵機(jī)的重量（約有 2kg），采用 solidworks 進(jìn)行應(yīng) 力分析。 圖 210 靜平臺(tái)應(yīng)力分析 圖 211 采用 POM 時(shí)的應(yīng)力參數(shù) 因?yàn)橹爸鲃?dòng)臂選了尼龍材料，所以我在這里選擇尼龍材料來作對(duì)比。其分析數(shù)據(jù)下： 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 25 圖 211 采用 POM 時(shí)的應(yīng)力參數(shù) 因?yàn)橹爸鲃?dòng)臂選了尼龍材料，所以我在這里選擇尼龍材料來作對(duì)比。其分析數(shù)據(jù)下： 圖 212 采用尼龍時(shí)的應(yīng)力參數(shù) 面圖表，通過軟件分析，采用 POM 的情況下的變形比例是 ，而尼龍是 .綜 合考慮，所以選擇尼龍材料。 其他部分確定 材料的選擇依然遵循避重就輕的原則。機(jī)械手的平行四邊形桿基本上采用鋁合金，除了一些標(biāo)準(zhǔn)零件。從動(dòng)臂是由兩條細(xì)桿組成，細(xì)桿的直徑為 10mm，因?yàn)閯?dòng)平臺(tái)的質(zhì)量很輕，算上運(yùn)動(dòng)時(shí)候的瞬間拉力。當(dāng)主動(dòng)臂和從動(dòng)臂垂直時(shí)，因?yàn)槎鏅C(jī)的扭矩而使主動(dòng)臂對(duì)從動(dòng)臂產(chǎn)生拉力。舵機(jī)在關(guān)節(jié)點(diǎn) E處產(chǎn)生的扭力為： 1 1 9 .8 9 .8 7 .725bTgFNL??? ? ? 則每條桿受的拉力（推力）約為 （可取 4N）。為了安全起見，可以對(duì)其做應(yīng)力分析。 圖 213 平行四邊形 桿 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 26 圖 214 細(xì)桿應(yīng)力分析 還有連接主動(dòng)臂和從動(dòng)臂的螺紋桿（從動(dòng)臂和動(dòng)平臺(tái)連接的螺紋桿 ）也是鋁合金制作。 圖 215 螺旋連接桿 因?yàn)閯?dòng)平臺(tái)的 質(zhì)量很小，所以螺紋桿在這里不做應(yīng)力分析。 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 27 本章小結(jié) 本章首先討論了并聯(lián)機(jī)械手的選型，根據(jù)三維打印機(jī)的性能要求，選取了 Delta 型并聯(lián)機(jī)器人作為打印機(jī)構(gòu)。然后參考相關(guān)文獻(xiàn)來討論并聯(lián)機(jī)器人的自由度求解，運(yùn)動(dòng)模型的建模。其中包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位置正解、位置反解和機(jī)械手工作空間的求解方法的介紹。 最后是機(jī)械手的設(shè)計(jì)介紹，包括對(duì)制作材料的選擇。這里先設(shè)計(jì)驅(qū) 動(dòng)部分，也就是電機(jī)選型。接著對(duì)選擇的舵機(jī)進(jìn)行扭力校驗(yàn)。還有機(jī)械手的主動(dòng)臂、從動(dòng)臂等的材料都需要選擇，然后使用三維軟件 solidworks2021 中的 SimilationXpress 進(jìn)行初步應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核。不過這個(gè)應(yīng)力分析功能并不全面，只是作為初步的模擬分析。通過分析來改變機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和材料，以此來改善機(jī)械手的機(jī)械性能。 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 28 第三章 三維打印機(jī)其他部分的設(shè)計(jì) 之前已經(jīng)設(shè)計(jì)好機(jī)械手的結(jié)構(gòu)了，但是對(duì)于 三維 打印機(jī)來說，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。既然要打印，必須要有 打印平臺(tái)、外殼（支撐架）、送料等機(jī)構(gòu)。接下來就介紹三 維打印機(jī)的整體設(shè)計(jì)。 支架的設(shè)計(jì) 支架主要由底座、型材、固定平臺(tái) 組成（如下圖）。 圖 31 支架設(shè)計(jì) 圖 32 帶有螺紋孔的型材 底座和固定平臺(tái)靠?jī)啥藥в新菁y孔的型材和內(nèi)六角螺絲連接。這種方法比較簡(jiǎn)便可靠，而且成本不高。 然后在底座下面加上橡膠腳墊，起到防滑作用。 圖 33 底座加入腳墊 第三章 三維打印機(jī)其他部分的設(shè)計(jì) 29 送料機(jī)構(gòu) 圖 34 送料機(jī)構(gòu)的組成 圖 35 送料機(jī)構(gòu)（滾絲機(jī)構(gòu)）的組成 為什么要設(shè)計(jì)滾絲機(jī)構(gòu)？ 因?yàn)槿缃袢S打印機(jī)已經(jīng)慢慢地進(jìn)入一 些企業(yè)甚至家庭中了。因此，市場(chǎng)中已經(jīng)存在許多三維打印機(jī)的成型材料，比如 ABS 絲、 PLA 絲等。 圖 36 Φ ABS絲 不過此送料機(jī)構(gòu)是在Φ 的 ABS 絲的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。 所以要換直徑大點(diǎn)的 ABS絲的話，就得把軸承和送絲頭的距離改大。 ABS 絲靠軸承和送絲頭壓緊，然后步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)就帶動(dòng) ABS 絲沿著架設(shè)好的軟塑料管進(jìn)入熱熔噴頭，變成熔融狀態(tài)。 選用的步進(jìn)電機(jī)參數(shù)如下： 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 30 表 31 步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 步距角 （176。） 機(jī)身長(zhǎng) （ mm） 相電壓 （ V） 相電流 （ A） 相電感 （ mH） 靜力矩 （ Nm ） 定位力矩（ N cm） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （ g cm2） 引線數(shù) 42BYGH3404 34 12 37 34 4 熱平臺(tái)固定 加熱平臺(tái)作用是防止打印料在噴出時(shí)遇到比自己溫度低很多的物體時(shí)突然冷卻，從而使收縮率變大、成型的尺寸變小。不過要安裝加熱平臺(tái)，和加熱平臺(tái)接觸的塑料件需要耐高溫，所以加熱平臺(tái)固定座選擇 PPS 材料。 圖 37 加熱平臺(tái)固定 加熱平臺(tái)和固定座用套有 PEEK 管的螺絲螺母進(jìn)行連接。 PEEk 耐高溫，有一定的隔熱效果。因?yàn)楣潭ㄗ?采用 PPS 耐高溫材料，所以打印機(jī)的底座可以用尼龍材料 等 。 料架設(shè)計(jì) 料架裝置在打印機(jī)上面可以減少占地面積，從而 使 結(jié)構(gòu)緊湊 。具體結(jié)構(gòu)如下： 第三章 三維打印機(jī)其他部分的設(shè)計(jì) 31 圖 38 料架 圖 39 料架組成 其中套筒是塑料件， 裝在 ABS 打印絲的料盤中心，使其能套入轉(zhuǎn)盤固定軸，起到定心的作用。 目的是為了減小轉(zhuǎn)盤固定軸的外徑，從而減少整體的重量。軸承固定框、轉(zhuǎn)盤固定軸、轉(zhuǎn)盤都是鋁合金，料架底座是鈑金件，也就是冷軋類型不銹鋼，此處料架的設(shè)計(jì)原則是減小對(duì)料架底的壓力。 華南 理工大學(xué)廣州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 32 噴頭清理設(shè)計(jì) 圖 310 噴頭清理設(shè)計(jì) 每次打印 后，噴嘴可能會(huì)有殘留的打印料。在下次打印時(shí)會(huì)影響成型的精度或者堵塞噴頭，還有就是想要換其他種打印料。所以應(yīng)該設(shè)置一個(gè)清理噴頭的地方。清理的方法是：首先加熱噴頭，達(dá)到材料熔點(diǎn)后，將噴嘴移動(dòng)到清理噴頭的地方與鐵刷頭接觸，將噴頭處的打印料刷下。 防護(hù)板設(shè)計(jì) 因?yàn)闊崛蹏婎^有可能被加熱到 200℃以上，所以具有一定的危險(xiǎn)性。而且 機(jī)械手在打印過程中可能會(huì)碰到其他物體或者是可能會(huì)有外來干擾導(dǎo)致打印中的模型移位，所以需要添加防護(hù)措施。我們可以加些透明的塑料擋板，這樣就起到防護(hù)的作用，而且又能看到打印的過程。經(jīng)過相關(guān)資料 查詢，可采用 PC 工程塑料。 PC工程塑料是一種性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，具有突出的抗沖擊能力，耐蠕變和尺寸穩(wěn)定性好，耐熱、吸水率低、無毒、介電性能優(yōu)良，是五大工程塑