并联臂式3D打印机机构设计与研究

摘要：文章针对并联臂式3D打印机机构展开研究，主要目标是研究一种便携式可伸缩的并联臂式3D打印机机构。在传统3D打印机的基础上提出并联臂式虚拟轴设计方案，构造一种新型3D打印机的机构，并将其作为3D打印机运行的本体机构。

关键词：便携式；并联臂式；可伸缩；3D打印机；机构设计 文献标识码：A

中图分类号：TP334 文章编号：1009-2374（2016）33-0005-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.33.003

1 概述

3D打印在国内外是一个新型领域，具有巨大的市场竞争力，不再是依赖于传统的工艺技术，而是根据设计出的产品模型，打印出想要的实体模型，不需要过多的人力物力就能制造出产品。

本文所设计的3D打印机最新奇的地方在于它的Z轴设计。机器不再采用固定长度的支撑架，而是将带有出料器和喷头的打印机安置在3条可伸缩的套筒伸缩器上，这样的设计使得打印机的整体体积不再受限于构建空间的体积，而能在不使用的时候将打印机收缩成仅有一个公事包的大小。

本文研究的并联臂式3D打印机实现了可伸缩功能，当开展工作时，结构展开的工作尺寸为818×506×450，打印完成之后，结构收缩后，其尺寸为481×347×350，大大减小机体体积，携带存放方便。在提供足够大的构建空间的同时，能够根据工作需要自动伸展收缩机构，在不影响甚至是改进设备功能的情况下，改进机体结构，实现可伸缩，便于携带，提供设备性能。

2 整体方案设计

本论文所研究的并联臂式3D打印机为DELTA机构的一种，从结构形式上来看与Star Like并联机构、Tsai并联机构相同，属于3自由度的三维纯移动机构。同大部分的并联臂式3D打印机构一样，它主要由三角支撑架机构、并联臂传动机构、送料机构、打印头和平台组件组成。原先的三角支撑架结构是刚性的，不可伸缩，通过优化改良，将三角支撑架机构设计成可伸缩式机架，其设计方案如图1所示。这样的设计方案使3D打印机框架本体所能适应的空间维度更加广阔，也使打印机适应各种大小零件的打印。三角结构框架的改进达到了伸缩式的目的，使机构本身的灵活性更为突显。

本设计方案：利用三个滑块分别在三根直线滑轨上是移动，带动并联臂运动，从而形成对X、Y、Z三个运动方向的控制，并联臂传动机构还包括动力机构，动力机构包括步进电机和同步带，步进电机通过同步带带动滑块在直线滑轨上上下移动。由此顺序的连接，使整个传动机构形成一个整体，保证了运动的可靠稳定，为确保打印精度奠定了坚实基础。步进电机型号为42HS8401，同步带型号为2GT-6。送料机构置于三角支撑架结构的上端，打印头设置在可伸缩式机架内部，通过并联臂传动机构与可伸缩式机架连接，送料机与打印头之间通过送料管连通，平台组件设置在可伸缩式机架底部。自上而下的合理布置使打印机本身的各机构清晰明了，为打印机构提供了一种快捷有效的生产方式。

在产品优化及功能开发中，产品在平台组件上增设了一个小小的零件――便携把手，安装这一零件是为了达到便携的目的。在不影响机构整体设计，同时又要做到不干涉3D打印机正常工作且不影响其美观的前提下，将便携把手安装在打印平台的底部，利用它来提起整个机器就会方便多了。

3 功能组件1――可伸缩部件设计

在打印相对较大的零件时，我们也需要足够大的3D打印机进行打印，以满足零件本身的空间要求。如果设计一台能够满足较大零件生产的机器，那么它的占地面积势必会很大，在不需要其工作时，它所占的空间就浪费了。为了避免这样的情况，也为并联臂3D打印机更加灵活，本项目设计了一款可伸缩的打印机框架结构。其特点在于三角支撑架的横向及纵向皆可通过调节伸缩，这样的设计使其在使用过程中适应性更强、更方便携带。

图1所示的是缩小到最小状态的三角结构框架。可伸缩式机架为角件和伸缩杆构成的框架结构，角件包括三个上支撑角件和三个下支撑角件，三条伸缩杆呈三角形平行排列，每条伸缩杆的上下两端分别与一个上支撑角件和一个下支撑角件固定连接，三个上支撑角件通过三条伸缩杆相连，构成三角形结构，作为可伸缩式机架的顶部，三个下支撑角件通过三条伸缩杆相连，构成三角形结构，作为可伸缩式机架的底部。伸缩杆包括支撑杆套、支撑杆、直线轴承和轴承座，支撑杆套的一端固定在角件上，另一端通过直线轴承和轴承座与支撑杆的一端连接，支撑杆的另一端固定在另一角件上，轴承座上还设有锁紧螺钉座，锁紧螺钉座上设有锁紧螺钉，锁紧螺钉用于锁紧伸缩杆，固定其长度。

支撑杆分别通过直线轴承伸入到对应的支撑杆套中，支撑杆是活动件，当支撑杆伸长或缩短时，通过设置在锁紧螺钉座上的锁紧螺钉进行锁紧，使上方三根杆固定不动，形成首尾相接的三角形。下方结构相同，上下一致动作，便可实现水平方向上的伸缩。垂直方向上的伸缩原理相同。

三角支撑架机构中的支撑杆套、角件是采用铸铝铣削加工而成的，利用铸铝为材料不仅能够满足三角架本身的刚度要求，而且这种材料质量轻，大大减小了打印机的重量。支撑杆采用45钢镀铬而成，支撑杆直径不大，采用45钢镀铬保证了支撑杆的刚性，延长了它的使用寿命。承座与锁紧螺钉座采用铝件加工而成，表面做喷砂处理。

4 功能组件2――便携部件设计

设计便携式机构时，充分考虑到了方便、快捷、节省的设计理念，在原有的、已完成的机构框架上想出路，既保证了机构原来的工作性能，又完善了机械结构的整体的功能，同时又不影响其美观。

由平台组件的组成看，原平台组件在打印机机构中主要有两大作用：一是提供打印平台打印相关零件，打印平台置于加热平台之上，为加工零件提供依托平台；二是内设调平螺丝，通过调平螺丝连接打印平台与三角伸缩支架机构的同时，也通过调平螺丝对打印平台进行调平，以确保打印精度。现在加热平台的底部安装一个便携把手，增加了一项便携的功能。通过对平台组件的开发利用不仅使其只作为打印零件的依托，更使它作为整个框架构件的纽带，成为便携把手的有利依托。当整个机构缩到最小时，将机构倒置，这样其整体就是一个可提携的三角箱体，这样的设计更符合人体舒适度的要求，方便携带。

在材料的选择上也充分考虑到材料与加工零件材料的相适应性，由此加热平台采用3mm厚的三角形铝基板制成；打印平台采用高硼玻璃制成，耐高温、耐腐蚀，性能稳定，在此平台上打印零件方便摘取。

5 结语

并联臂式3D打印机的打印速度要比普通XYZ三轴3D打印机快很多，且成本可降低20%左右。可以打印的产品目前以日常生活用品为主，比如塑料水杯、盒子等以及文化创意物品、外形复杂美观的装饰品。本文主要针对并联臂式3D打印机的机械结构进行设计和优化，重点对送料机构与支撑构件进行了研究与优化，使该机构达到了更高的打印精度和速度，具有一定的运用前景。

未来并联臂式3D打印机研究方向主要有以下四个方面：（1）并联臂式3D打印机综合检测系统的研究，包括位置、速度等；（2）并联臂式3D打印机工作空间和灵活度的分析；（3）多自由度并联臂式3D打印机的设计与研究；（4）提高并联臂式3D打印机运动过程的精度及其抗干扰能力。

通过对并联臂式3D打印机的优化与设计，项目组同学学会了使用UG软件进行曲面建模，学会使用UG进行机构的运动仿真以及有限元分析，并且进一步明确了未来的研究方向。在学到知识的同时，还学到如何合理地利用时间，如何合理地进行人力资源分配。我们要勇于探索高端，不能满足于现状。

参考文献

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作者简介：张小建（1994-），江苏南通人，南京工程学院学生，研究方向：机械制造及自动化。