融化焊并联式3D打印系统.docx

1、融化焊并联式3D打印系统毕业设计（论文）题 目 熔化焊并联式3D打印系统研制 专 业 电气工程及其自动化 学 号 学 生 指 导 教 师 答 辩 日 期 摘要随着当今科技的发展，快速制造技术在产品生产中得到越来越多的应用，特别是在某些不方便存储大量备用零件的场合，快速制造能快速方便的生产出所需的零件。3D打印技术中的金属零件3D打印技术，是目前先进制造技术的重要发展方向，采用熔化焊的3D打印技术正是金属零件的一种快速制造方法。 随着科技发展对材料的不断需求，利用快速成形技术直接制造金属功能零件将会成为该技术的主要发展方向。本系统的设计以三菱L系列PLC为主控制器，配合以三菱运动控制系统LD77

2、MH4，驱动三台伺服电机，完成了对一个三自由度熔化焊3D打印机器人的控制。该机器人系统在运行前可以进行点动操作，用于粗调打印位置。在精确定位方面，该系统采用了绝对定位系统，可以对机械臂进行精确的位置，速度设置。打印过程中，机械臂的所处的当前位置与当前速度可以实时反映出来。同时，针对本系统的机械结构，通过软件对其设置了限位值，以免在运动过程中超过极限位置而造成不必要损害。软件部分基于梯形图编程思想将要实现的功能主要分成了参数初始化、定位数据写入，定位运动控制等几个部分，并在此基础上对功能部分进行了注释，提高了程序的可读性。同时，本系统还使用GOT1000触摸屏进行了人机交互界面的设计，在打印过程

3、中可以实时停止，地检测机械臂当前的位置，速度等。程序编写完成之后，进行了大量的测试工作，模拟了各种模型的打印，对打印过程中可能会出现的问题进行了分析并对程序做了修正。关键词：快速制造；3D打印技术；PLC控制系统；人机界面 Abstract With the development of the modern science and technology, the rapid manufacturing technology gets more and more application in the production, especially when it is inconvenient

4、to store large amounts of spare parts, rapid manufacturing can quickly and easily to produce the required parts.The system can control a four degrees welding robot by using the Mitsubishi L series PLC as the main controller in line with the Mitsubishi motion control system LD77MH4 to drive three ser

5、vo motor. Before the running of this system, we can use the JOG model to adjust the welding position not accurate. For the accurate position, the system uses the absolute positioning system. We can set up the robots speed and position accurately. In the welding process, the position and the speed co

6、uld be detected. At the same time, for the systems mechanical structure, we set up lots of limitation in order to avoid the damage.Software are divided into several parts such as The orientation of parameter initialization, data writing, motion control. And On this basis we carried on the annotation

7、 to functional parts in order to improve the readability. At the same time,the system also uses GOT1000 touch screen to design the interface, the welding process parameters can be detected in real time.After the programming is completed, we do a lot of tests to simulate the conditions which will occ

8、ur in 3D printing process. And we analyze the problems which occur in the process.Keywords: The rapidmanufacturingtechnology; 3D printing technology; PLC control system; interface目 录摘要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 课题背景及研究的目的和意义 11.2 国内外研究历史及现状 11.3 课题主要研究内容 2第2章 并联机构建模与分析 42.1 并联机构简介 42.2 并联机构的特点及自由度 52.

9、2.1 并联机构的主要特点 52.2.2 机构的自由度 52.3 并联机构的运动学建模分析 72.3.1 并联机构的结构和功能 82.3.2 并联机构的位置逆解 82.3.3 并联机构的速度逆解 92.4 本章小结 10第3章 控制系统设计 113.1 控制系统概略 113.1.1 系统硬件组成 113.1.2 控制策略 123.2 主控制器及运动控制系统 133.2.1 主控制器PLC 133.3.2 运动控制系统LD77MH4 153.3 伺服驱动 183.4 人机交互界面 223.4.1 触摸屏简介 223.4.2 触摸屏与PLC通讯 233.5 机械结构实物图 243.6 本章小结 2

10、4第4章 软件设计 254.1 PLC编程软件 254.1.1 简单工程 254.1.2 结构化工程 264.2 LD77MH4定位实现 264.3 PLC指令系统 284.4 程序编写 294.3.1 手动运行方式 294.3.2 自动运行定位控制 304.3.3 触摸屏设计 314.4 本章小结 32第5章 数据处理和调试 335.1 定位数据构成 335.2 定位数据写入 345.3 调试和运行结果 355.4 本章小结 36结论 37参考文献 38致谢 39第1章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义3D打印技术的核心制造思想最早起源于19世纪末的美国，到20世纪80年代后期3D打印

11、技术发展成熟并被广泛应用。传统的工业生产、制造过程是通过图纸设计，再经过车床、刨床、钻床、洗床、磨床等工序完成的。其特点是生产周期长、材料消耗多、成本高。特别是对一些结构复杂的精密产品，其制造加工的难度就更大。3D打印技术也叫三维立体打印技术，它的出现改变了传统的生产、制造模式，将复杂的生产程序变得简单化，它只需将PLA、ABS或者金属材料等通过加热、融化之后，再通过层层构建叠加的方式，在很短的时间内即可将自己的创意或产品转化为现实。在中国制造2025和“工业4.0”概念的推动下，未来中国的制造业必定朝着更加智能化和高效化发展，在此背景之下，3D打印技术的市场潜力巨大，也势必成为未来制造业的众

12、多突破技术之一。现阶段3D打印系统的应用方向仍然主要是在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，其代表应用就是被广泛使用的桌面型3D打印机，其运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印形成需要的模型。后来逐渐用于一些产品的直接制造，如零部件的直接制造。但现阶段3D打印系统在产品的直接制造方面的应用仍然很少，特别是在大型金属产品的直接制造方面，目前业内很少有系统的研究。而随着我国制造业的发展，特别是现阶段与德国“工业4.0”概念相呼应提出的中国制造2025，必将使我国的制造业进一步朝着智能化和高效化的方向发展。而本次设计的目的正是，通过对3D打印系统的结构和运动控制系统的研究，结合焊接领域的

13、熔化焊制造方法，探索3D打印系统在大型金属产品快速制造领域的工业应用。并在学习和研究的过程中，尝试制造一台3D打印样机，期望能对以后3D打印技术在工业领域应用方面的研究起到一定的参考作用。1.2 国内外研究历史及现状目前，3D打印技术在美国等发达国家比较流行。例如，美国利用3D打印技术不仅打印制造出通用的大众产品，而且利用该技术在军事、航天等高、精、尖领域生产出常规企业无法生产或难度非常大的产品，并发挥着越来越重要的作用。经过十多年的探索和发展，3D打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直

14、速率，并可实现24位色彩的彩色打印。目前，在全球3D打印机行业，美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的FabHome和Shapeways、英国的Reprap等。3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。当前，国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。目前在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域，3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。3D打印

15、技术在我国尚处于研发起步阶段。其认知度和推广度都很低。国内少数企业的仿制品可靠性较差，特别是在打印材料上还没有质量合格的产品，基本上依赖进口。自20世纪90年代以来，国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势；华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了HRP系列成型机和成型材料；西安交通大学自主研制了三维打印机喷头，并开发了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到0.2mm；中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言，国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距

16、。近年来，国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区3D打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。1.3 课题主要研究内容一个完整的

17、3D打印系统的研究，大体可以分为机械结构、驱动、数据通讯、执行机构（焊枪）、运动控制系统五个部分。机械结构指的是3D打印系统的机械构成和力学及运动学分析，驱动指的是运动臂采用的驱动方式以及驱动方法，数据通讯是指3D打印系统与PC以及3D打印系统内部各模块间进行数据传输与通讯的方式和方法。执行机构部分，因为此次设计的是使用熔化焊进行金属产品制造的3D打印系统，故执行机构是进行熔化焊的焊枪，而非传统3D打印机的喷嘴，因此研究的内容为焊枪自身的旋转控制以及焊接过程中起弧、息弧、通保护气等的控制。运动控制系统是整个3D打印系统最重要的部分，可分为硬件部分和软件部分，硬件部分为控制器，包括主控制器PLC

18、以及各个功能模块，软件部分指控制3D打印系统三个运动臂的程序。整个系统的研究预期能实现复杂模型的打印、可于断点连续打印等功能。本设计将采用三菱L系列PLC作为主CPU，同时配合以三菱L系列的运动控制系统LD77MH4，来控制三台伺服电机，整个系统最终的目的是为了控制焊枪的运动，具体到实际需要解决的问题，可以分为如下几个方面：（1）并联机构的建模和运动学分析:指并联机构的运动与驱动臂运动之间的函数关系，包括距离配合和速度配合；（2）控制系统硬件设计：包括主控制器PLC、各个功能模块以及电机驱动的选择和使用，以及系统硬件电路的设计；（3）定位数据的处理：在并联机构运动学方程已知的前提下，通过程序对

19、模型的切片数据进行处理，并通过上位机实现定位数据的传输；（4）控制程序编写：PLC控制程序和人机交互界面的编写。第2章 并联机构建模与分析2.1 并联机构简介机构，是由若干构件和运动副组成的装置，在一定的约束条件和动力作用下，能够实现运动的输入和输出，以及运动形式和参数的转换。输入运动的构件是主动件，称为驱动器或作动器,可以是电气、机械、液压和压电晶体等产生的直线或回转运动。输出的构件是被动件,或称为执行器,用来执行预期的机械动作。机构可以分为平面机构和空间机构两大类，最常见的平面机构有齿轮传动和曲柄连杆传动机构。空间机构是由三维空间连杆和运动副组成的，可实现空间多自由度的运动。在空间机构中，

20、一般将机构按组成原理分为两大类：串联机构和并联机构。串联机构是一种各个关节串行连接，末端为执行器的机构，其特点是工作空间大，运动路径灵活，但由于串行连接而导致的误差累计往往也比较大，而且存在高速环境下运动惯量大，刚度低等缺点。并联机构采用各驱动并行连接的方法，克服了并联机构的缺点，相比较串联机构，由于其驱动并联耦合，运动误差不会累计，运动更加精确，运动惯量更小，本次设计中采用的3-P2-SS结构就是并联机构中的一种。并联机构力学建模包括静力学建模和动力学建模，静力学建模对于指导并联机构的设计有着重要的意义，机构动力学是机构控制器设计和动态仿真的基础。并联机构的静力学是研究其在承受外力负载或是与

21、外界环境相互作用时的操作状态。它主要是研究机构各构件和末端执行器上受到各种广义外力作用时的静平衡问题，也就是作用力在各坐标系间的相互等效转换。相互等效转换原则使两个力系在力学上等效，等效原理可采用静力平衡或虚功原理，本文是用静力平衡原理来进行分析的，借用串联机器人已经成熟的静力学求解方法由动平台的受力求出被动S和R关节的受力。并联机构的运动学分析是机构综合性能研究的重要组成部分，是运动学设计的基础。其中，位置分析是最基本的任务，同时也是机构速度分析、加速度分析以及灵活度、刚度和精度分析等的前提。位置分析分为位置正解和位置逆解，当给定机构输入关节的位置参数，求解输出关节的位置和姿态称为并联机构的

22、位置正解；当给定机构输出关节的位置和姿态，求解输入关节的位置参数称为并联机构的位置逆解。在串联机构的位置分析中，正解比较容易而逆解比较困难；相反，在并联机构的位置分析中，逆解比较简单而正解却十分复杂。2.2 并联机构的特点及自由度2.2.1 并联机构的主要特点自年代第一台并联机构机床问世以来，并联机构机床就受到了广泛关注，目前，并联机构已经成为一个十分热门的研究方向。并联机构主要具有如下优点：（1） 结构简单，刚性好并联机构机床的基本结构为刚性的框架形结构，每根变长理论上只承受拉力和压力，所以刚度重量比明显高于串联机构。（2） 运动惯量小，进给速度高运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制

23、器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适合各种高速数控作业。（3） 加工精度高由于并联机构是由多杆并联机构组成，各个连杆都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而对误差有平均化效果。不存在传统机床即串联机床几何误差累积和放大的现象。此外，热对称性的结构设计二，使得热变形较小。（4） 多功能和灵活性强并联机构主轴容易根据加工对象而将其设计成专用机床，也可以开发成通用机床，以实现铣削、键削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具从而把它组成测量机，因此在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。（5） 技术附加值高并联机构具有“硬件”简单，“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电

24、一体化产品。（6）使用寿命长由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。2.2.2 机构的自由度自由度是机构的一个重要技术指标，它是由机构的机械结构决定的，并直接影响到机构的机动性。（1）刚体的自由度 物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度。物体所能进行的运动见图2-2。图2-2 刚体的六个自由度沿着坐标轴ox，oy和oz的三个平移运动T1，T2和T3；沿着坐标轴ox，oy和oz的三个旋转运动R1，R2和R3。这意味着物体能够运用三个平移和三个旋转，相对于坐标系进行定向和运动。一个简单物

25、体有六个自由度。当两个物体间确立起某种关系时，每一物体就对另一物体失去一些自由度。这种关系也可以用两物体间由于建立连接关系而不能进行的移动或转动来表示。（2）机构的自由度人们期望机构能够以准确的方位把它的末端执行装置或与它连接的工具移动到给定点。如果该机构的用途是未知的，那么它应当具有六个自由度。不过，如果工具本身具有某种特别结构，那么就可能不需要六个自由度。例如，要把一个球放到空间某个给定位置，有三个自由度就足够了。一般情况下，机械手的手臂具有三个自由度，其他的自由度数为末端执行装置所具有。当要求某一机械手钻孔时，其钻头必须转动。不过，这一转动总是由外部马达带动的，因此，不把它看作机器人的一

26、个自由度。这同样适用于机器人的机械手。机械手的夹手应该能开闭。不过，也不能把这个开闭所用的自由度当做机器人自由度之一，因为这个自由度只对夹手的操作起作用。（3）3-P2-SS并联机构自由度首先对3D打印系统的硬件结构进行简化，得到如图2-1所示结构简图。静平台和动平台分别为C1C2C3 和S13S23S33 ，Pi为移动副Sij为四个球副，三条支链以静平台中心呈中心对称，机构支链分布图如图2-2所示。其中，将从动臂的平行四边形机构等效为过上下边中点的一根单杆，以静平台几何中心O为坐标原点建立坐标系O-XYZ，以动平台几何中心O为坐标原点建立坐标系O-XYZ，则单个支链在XOZ面的投影如图2-3

27、 所示。静平台半径为R，动平台半径为r，从动臂长度为l，移动副的位移为li 。3-P2-SS并联机构中所含的 4S 闭环链可以用一个多自由度的广义运动副来替代。4S 闭环链具有四个自由度，用一个4自由度的广义运动副来代替。于是，3-P2-SS并联机构转变为分支由5个运动副构成的3-PRRPP机构。取3-PRRPP 机构的一个分支建立分支坐标系，y轴与4杆环的上端杆平行，x轴与4杆环平面的法线方向平行，z轴与4杆环的左端杆平行。这样3-PRRPP机构的分支螺旋系为：S1m: (0 1 0; 0 0 0)S2m: (0 0 1; 0 0 0)S3m: (0 0 0; 1 0 0)S4m: (0 0

28、 0; 0 1 0)S5m: (0 0 0; 0 0 1)3-PRRPP 机构的分支螺旋系的反螺旋为:S1r: (0 0 0; 1 0 0) （2-1）由式(2-1)表明，每个分支对动平台都施加一个沿分支坐标系x轴的力偶。并联机构的3个分支呈对称分布，三个分支对动平台施加3个约束力偶，3个力偶分别垂直于3-P2-SS并联机构的三个闭环。因此，3个力偶呈空间分布，约束了平台的3个转动自由度，3-P2-SS并联机构只有3个平移自由度，且是全周自由度。2.3 并联机构的运动学建模分析要解决3D打印系统的控制问题，首先要解决的就是3D打印系统所采用的并联机构的运动学方程问题。并联机构的运动学方程即为在

29、已知滑块的空间位置和运动速度的前提下，求取执行机构的空间位置和运动速度；或者是在已知执行机构的空间位置和运动速度的前提下，求取滑块的空间位置和运动速度。前者称为并联机构的运动学正解问题，后者称为并联机构的逆解问题。在本次设计中，3D打印模型的切片数据已知，故需要研究的问题便是上述并联机构的逆解问题，其中包括两个方面：位置逆解和速度逆解。2.3.1 并联机构的结构和功能本系统的机械结构简图如图2-1和图2-2以及图2-3所示，机械臂有三个自由度。其中R的长度为550mm，r的长度为90mm，驱动杆l的长度为850mm。li为移动副的移动距离。系统主要需要完成的功能有以下几点：首先，可以通过手动控

30、制P1，P2，P3等的运动，使动平台能移动到合适的起始打印位置。其次，在设置好运动参数（如移动副位置，运动速度，行程限位等）的前提下，能够通过自动运行精确达到预设的某个特定位置，打印结束之后可以回到零点。最后，通过打印模型的切片数据，进行连续的模型打印，即不再是一个或几个点的定位，而是大量定位数据的连续的精确定位。 图2-1 并联机构结构简图 图2-2 静平台俯视图 图2-3支链结构简图2.3.2 并联机构的位置逆解如图2-2所示，点Ci为移动副在静平台俯视图中的投影，OCi向量可表示为： （2-2）其中， i为OCi与定系O-XYZ中X轴正向的夹角（i=1、2、3）。沿移动副轴线方向的向量C

31、iAi可表示为： （2-3）则向量OAi可表示为： （2-4）从动臂末端Bi点在坐标系O-XYZ中可表示为： （2-5）设动平台中心点某一时刻在坐标系O-XYZ中的位置矢量为X Y ZT，则点Bi在静平台坐标系下可表示为： （2-6）将式（1）和式（2）代入到（3）式中，可得到关于移动副位移li的方程： （2-7）根据3-P2-SS并联机构3D打印机的设计要求，静平台在上，动平台在下，所以由坐标系可知：li Z，解方程组可得： （2-8）其中，i=（1、2、3）。2.3.3 并联机构的速度逆解由3-P2-SS并联机构的结构简图可知，输入运动为三个移动副的移动，输出运动为动平台的三维移动，速度分析就是研究这两种运动之间的关系。对式（2-7）进行整理，并两边对时间进行求导得： （2-9）其中，ai =(r-R)cosi ；bi =(r-R)sini ；i=（1、2、3），vx，vy，vz表示动平台在O-XYZ中XYZ三个方向的速度大小。 将上式（8）整理成矩阵形式，得： （2-10）上式便为并联机构的速度逆解，其中，V1，V2，V3分别为三个移动副的速度。2.4 本章小结本章主要分为三大部分，第一部分大致介绍了并联机构的基本概念及基本结构，第二部分主要分析了3-P2-SS并联机构的自由