首先运用牛顿欧拉动力学建模方法,得到了3-CUR机构的动力学数学模型,利用adams软件和MATLAB软件分别得到了机构的驱动力矩随时间的变化关系曲线图,验证了动力学模型的正确性并分析了不同轨迹下机构的驱动力矩的变化情况,为该机构在3D打印机上的动力学应用奠定了基础,满足了快速控制的要求,也为实际制造提供了理论依据。然后在不考虑质量的前提下由动力学模型得到了机构的静力学模型,利用maple软件得到了机构的静力全解,基于静力全解,利用MATLAB软件分析了机构的受力特性,结果表明:机构对外载荷具有解耦性。最后采用虚设转动副方法,分析了动平台的线变形和角变形。

  执行机构设计是3D打印机虚拟样机机械部分设计的重要一环,它关系着样机设计的合理性、运行的稳定性以及样机的成本、外形和质量。随着电子计算机技术的快速发展,计算机辅助设计已经是设计人员不可缺少的工具。三维设计软件具有几何建模、仿真、生产设计图纸等功能,可以用来验证理论的正确性,同时还可以反应实际运动情况,这大大降低了设计人员出现低级错误的概率,为样机研制提供了保障。

  3D打印机的执行机构3-CUR机构的结构简图,主要部件有驱动杆、长连杆、动平台、轴座、万向联轴器。从影响打印精度因素的分析可知,3D打印机框架的稳定性也是其中因素之一,因此,基座材料选择为45钢,运动部件选择为硬铝合金,保证机构运动过程中框架足够稳定。从机构的刚度分析可知,驱动杆的抗弯抗扭能力决定着机构的刚度特性。因此,通过对杆件进行截面尺寸设计,保证机构具有高刚度特性。

  圆柱副用来连接滚珠花键轴的花键套和驱动杆,其设计好坏关系着滚珠花键轴和万向联轴器第一轴向的平行度,间接影响动平台的输出精度。为此将圆柱副与驱动杆的连接处设计为圆柱面连接,制造圆柱副时,需保证圆柱副轴线和圆柱面的同轴度。

  除此之外,由机构运动特性知道,圆柱副的移动为被动的,而且其尺寸相对较大,对于3D打印机,打印过程中经常会出现运动方向的变化,圆柱副质量越大,惯性越大,对机构的运动稳定性影响越大。因此为保证机构运行稳定性,应该对圆柱副减重。

  驱动杆圆柱面处和圆柱副连接,此处连接采用圆弧面保证同轴度;另一端和万向联轴器连接,此处采用平键保证驱动杆和万向联轴器的周向定位,采用内六角紧定螺钉轴向定位。键槽和孔槽对称布置,同时其对称面垂直于圆柱面所在的轴。除此外,驱动杆也进行了减重处理,通过有限元分析软件可知,减重前和减重后变形差大约为0.004mm,对机构精度影响甚微,所以减重处理是合理的。机构的运行精度是3D打印机的关键问题之一,影响精度的因素之一是机构的变形。因此利用ANSYSworkbench软件分别对设计的三维虚拟样机的两个极限位置进行刚度校核。

  由于ANSYS workbench软件提供了与三维制图软件存在接口格式,因此首先将ProE绘制的虚拟样机导出x_t格式,再将其导入到workbench中的Geometry中。设定各杆件材料为硬铝合金,各铰链处接触类型选择Noseparation,其余接触为Bonded,之后进行网格划分。通过观察可知,转动副连接处机构变形最大,而且既有轴向力又有径向力,因此在轴承选择时采用角接触球轴承,以适应不同的受力情况。观察变形的数值大小可知,机构整体的最大变形及各杆件的最大变形均小于0.05mm,符合设计要求。