基于双并联杆机构自由曲面3D打印机开发及试验研究

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1、分类号：Ｔ８０６单位代码：１０１８３研究生学号：２０１５４１４０６１密级：公开吉林大学硕士学位论文专业学位）（基于双并联杆机构自由曲面３Ｄ打印机开发及试验研究ＤｅｖｅｌｏｍｅｎｔａｎｄＥｘｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｏｆ３ＤＰｒｉｎｔｅｒｐｐｙＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＦｒｅｅＳｕｒｆａｃｅｏｆＤｏｕｂｌｅＰａｒａｌｌｅｌＢａｒＭｅｃｈａｎｉｓｍＳｓｔｅｍｙ作者姓名：闫龙威类，别：工程硕士领域：（方向）机械工程指导教师：曲兴田教授企业导师：王志平髙级工程师

2、培养单位：机械科学与工程学院２０１８年６月基于双并联杆机构自由曲面３Ｄ打印机开发及试验研究ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｆ３ＤＰｒｉｎｔｅｒＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＦｒｅｅＳｕｒｆａｃｅｏｆＤｏｕｂｌｅＰａｒａｌｌｅｌＢａｒＭｅｃｈａｎｉｓｍＳｙｓｔｅｍ作者姓名：闫龙威＊领域（方向）：机械工程指导教师：曲兴田教授企业导师：王志平高级工程师类别：工程硕士答辩日期：２０１８年６月２日未经本论文作者的书面授权，依法收存和

3、保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限〉。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承

4、＊担。＼学位论文作者签名：日期：ｙ日／ｆ年亡月＃摘要论文题目：基于双并联杆机构自由曲面3D打印机开发及试验研究专业：机械工程指导教师：曲兴田摘要复杂曲面叶片作为轴流叶轮机械的重要部件之一，随着涡轮机、汽轮机以及航空发动机的广泛运用得到了制造业和学术界的广泛关注。复杂曲面叶片的加工质量直接影响到涡轮机、汽轮机以及航空发动机的主要性能。叶片具有设计过程复杂、由空间复杂曲面组成、工作环境恶劣、精度要求高等特点。因此对叶片的设计、材料、机械加工工艺、热处理及表面喷涂等过程要求很高，设计及制造中任何微小缺陷都会影响工作效率，甚至使整个机

5、组损坏。随着信息化技术及自动化技术的发展，曲面加工过程越来越向着平稳高效的趋势发展。越来越多的新技术，新方法应用到曲面加工当中。本文就在“叶片复杂曲面集成制造新原理与新工艺”的大课题中选用3D打印技术完成自由曲面结构的制造。本文所设计基于双并联杆机构自由曲面加工3D打印机，充分结合并联机构和当前熔融沉积3D打印机的优点，不但可以充分利用并联机构高精度、灵活性以及柔性等优势，而且通过上下双并联机构联动有效解决并联机构运动空间小的问题。结构通过控制步进电机完成喷头3-SPS并联机构X、Y、Z方向直线运动以及工作平台3-SPS并联机构沿X、Y轴翻转，

6、从而完成自由曲面叶片制造并且达到悬臂、中空结构减少支撑甚至去除支撑打印的目的。基于双并联杆机构自由曲面加工3D打印机结构为首次提出，并申请了发明专利两项，实用新型专利两项。本文对基于双并联杆机构自由曲面加工3D打印机开发及试验研究做了如下主要内容:结构所需自由度、自由度分配、运动学分析、运动空间计算、结构静态仿真、结构运动学仿真以及试验台搭建和后续实验验证等。确立了喷头3-SPS并联机构与工作平台3-SPS并联机构的独立自由度，并对两种并联机构进行了运动学和动力学分析，建立了并联机构独立自由度与驱动副之间位置、速度、加速度等正逆解模型，结合并联

7、机构的结构设计和运动学分析，I吉林大学硕士学位论文求解不同位置和姿态角的工作空间。建立了3-SPS并联机构和整机有限元模型，并利用有限元分析软件ANSYS分析了并联机构和整机的静态和动态性能。并联结构与整机静态性能较好，3-SPS并联机构和整机刚度均较大。通过ADAMS运动学仿真验证结构运动学可靠性并不断改善结构运动学稳定性。搭建打印样机，研发控制策略，编写控制程序。完成悬臂结构试验验证、中空结构试验验证以及工作平台需翻转的角度与试件部分结构和法线所成角度试验。验证可以通过控制工作平台翻转直接打印与法线成80°角的结构，并减少大于80°角试件的

8、支撑结构，以及通过控制工作平台翻转直接打印大角度中空结构，并减少过大尺寸中空结构的支撑材料。关键词：3D打印，结构分析，虚拟样机仿真，运动学分析，打印