本实用新型专利技术涉及装置性能测试技术领域，尤其涉及一种基于并联机械手的教学用3D打印试验装置，其包括：支撑机构、干个并联的机械手运动机构、送丝机构、打印头和性能测试模块，可满足不同形状打印试验件对打印测试的需求。通过性能测试模块的设置，可获取机械手运动机构相应构件的弹性变形和打印头的热变形。通过独立设置的高度摄像机，可获得3D打印试验装置在打印过程中打印头的实际位置，进一步获得打印头运动误差。通过多次试验，并结合回归分析等数据处理方法，可获取不同打印工况条件下的3D打印试验装置的精度保持性。本实用新型专利技术还可与青少年3D打印科普教育相结合，成为一种集青少年科普教育与3D打印性能测试为一体的试验装置。科普教育与3D打印性能测试为一体的试验装置。科普教育与3D打印性能测试为一体的试验装置。
【技术实现步骤摘要】
一种基于并联机械手的教学用3D打印试验装置
[0001]本技术涉及科普教育用性能测试演示装置
，尤其涉及一种基于并联机械手的教学用3D打印试验装置。
技术介绍
[0002]3D打印是一种通过材料堆积成型的增材制造方法。与车削、铣削和磨钻等传统减材制造工艺相比较，3D打印由于采用自上而下的材料堆叠加工方法，克服了传统制造加工工序多、模具多、加工周期长和小批量生产成本高的缺点，在模型迭代优化与改进提高方面有显著优势。3D打印技术已应用于航空航天、新能源汽车、石油化工等高端制造领域，引领着国家核心装备制造发展的技术前沿。
[0003]3D打印机是增材制造的核心装备，其打印头运动误差及其精度保持性受打印速度和机构运动精度影响，直接影响3D打印工件表面形貌(如：粗糙度)和机械性能(如：结构刚度、屈服强度等)。以基于并联机械手的3D打印机构为例，在实际打印加工过程中将打印头固定在并联机械手动平台上，通过伺服电机驱动机械手动平台按照既定轨迹在工件表面堆叠材料而完成工件打印加工。然而，驱动打印头的并联机构运动精度受曲柄和连杆刚度和打印头金属部件热变形等因素影响，使得打印头实际输出轨迹与设计理论值之间存在运动误差。此外，机械手运动精度指标在伺服电机的不同正反转转动频率、曲柄连杆运动速度、关节转动副循环往复次数等因素作用下，其系统精度保持性具有随时间逐渐变化的特点。因此设计一种能够反应曲柄连杆弹性变形、打印头热变形、电机驱动频率等因素对3D打印工件质量的影响的试验测试装置，对于改进3D打印机械手控制精度和提高工件表面加工与机械性能具有重要意义。
[0004]3D打印作为增材制造的关键技术之一，与机器人技术、无人机技术、计算机编程相融合，构成了当前以人工智能和智能制造为主的科普教育核心内容。实践操作是在原理知识讲座和生产过程考察基础上深化理解3D打印技术的重要手段。结合3D打印试验测试装置和数据分析方法，探索电机驱动速度、运动副弹性变形、打印头热变形等因素对成型产品表面质量和机械性能的影响，需要一种基于并联机械手的青少年科普用3D打印试验测试装置和方法。
[0005]此外，获取和评价打印机构运动精度和部件热变形对3D打印产品质量的影响，需要开展不同运动精度与打印头工作温度条件下的工件表面形貌和样件机械性能测试评估。通常，实际工作条件下打印头运动精度及其保持性特征测试需要长期积累工件表面形貌数据，耗费大量人力物力财力。因此，本技术将沉浸式3D打印科普教育与装置运行精度保持性影响因素试验测试结合起来，通过驱动电机调整打印机构的运行参数，结合运动机构弹性变形量测试、伺服电机驱动力矩测量、打印头热变形检测，模拟不同打印速度和打印工作温度对系统运动精度及其保持性的影响，对于促使青少年深入了解3D打印机构性能参数、完善3D打印机构设计与评价标准，以及改进和开发新的3D打印机机械结构等具有重要意义。
技术实现思路
[0006](一)要解决的技术问题
[0007]鉴于现有技术的上述缺点、不足，本技术提供一种基于并联机械手的教学用3D打印试验装置，其解决了由于打印头实际输出轨迹与设计理论值之间存在运动误差，因此需要对曲柄连杆弹性变形、打印头热变形、电机驱动频率等因素对3D打印工件质量的影响进行测试的技术问题，引导青少年理解影响3D打印产品质量的关键因素。
[0008](二)技术方案
[0009]为了达到上述目的，本技术采用的主要技术方案包括：
[0010]一种基于并联机械手的教学用3D打印试验装置，包括：支撑机构、若干个并联的机械手运动机构、送丝机构、打印头和性能测试模块；
[0011]若干个所述机械手运动机构设置在所述支撑机构的顶部，所述机械手运动机构的下端连接所述打印头，所述机械手运动机构通过伺服电机带动所述打印头进行3D打印；
[0012]所述送丝机构设置在所述支撑机构上，所述送丝机构用于向所述打印头输送用于3D打印的材料棒；
[0013]所述性能测试模块包括：若干个应变传感器和高速摄像机，所述应变传感器设置在3D打印试验装置的应变测点，用于获得机械手运动机构的弹性变形参数和打印头的热变形参数；所述高速摄像机独立于所述支撑机构设置，所述高速摄像机用于获取打印头在打印过程中的实际位置。
[0014]所述支撑机构包括：铝型材框架、支撑平台、热床和静平台；
[0015]所述静平台设置在所述铝型材框架的上部，所述支撑平台设置在所述铝型材框架的下部，所述热床设置在所述支撑平台的顶部，所述热床的高度可调节。
[0016]若干个所述械手运动机构围绕所述静平台设置，所述械手运动机构还包括：曲柄和连杆；
[0017]所述曲柄的一端与所述伺服电机的输出端通过联轴器可转动连接，所述曲柄垂直于所述伺服电机的输出端设置；
[0018]所述连接联轴器的底部设有固定座，通过所述固定座将所述联轴器和所述伺服电机固定在静平台上；
[0019]所述曲柄远离所述联轴器的一端设有成对的主动臂固定柱，所述主动臂固定柱的外侧端部设有球副，所述连杆通过所述球副与所述曲柄可转动连接。
[0020]所有所述械手运动机构的所述连杆的下端还连接有一动平台，所述动平台通过动平台连接柱与所述连杆可转动连接，所述动平台用于搭载所述打印头。
[0021]所述打印头通过六角螺栓和螺母配合固定在所述动平台上，所述打印头包括：打印头喷头盖和打印头喷头；
[0022]所述打印头喷头包括：进料柱、加热腔和喷嘴，所述进料柱、加热腔和喷嘴由上至下依次连接，以形成3D打印的喷料通路；
[0023]加热腔穿过打印头喷头盖的中部，并通过打印头喷头盖固定在所述动平台上；
[0024]所述加热腔中下部设有散热孔。
[0025]所述送丝机构包括：材料轮、送丝驱动电机、送丝电机座、L型底座、T型支座、送丝机构主动轮、挡销；
[0026]所述材料轮通过支架固定安装在静平台的上表面，材料轮用于缠绕材料棒，为打印头提供线材；
[0027]所述送丝电机座固定在所述静平台下表面，所述送丝电机固定设置在所述送丝电机座的后端，所述L型底座固定设置在所述送丝电机座的前端，所述送丝电机座和所述L型底座上设有用于通过所述送丝电机输出端的通孔。
[0028]所述L型底座的前端设有凸台，所述T型底座设置在所述凸台顶部，并通过固定螺钉固定连接，所述固定螺钉依次穿过所述T型底座和凸台，所述固定螺钉位于所述T型底座和凸台之间设有弹簧，以使所述T型底座和凸台之间留有用于设置送丝机构主动轮的间隙；
[0029]所述送丝机构主动轮设置在所述送丝电机的输出端端部。
[0030]所述T型底座的底部设有挡销连接部，所述挡销穿过所述挡销连接部，在所述挡销的穿出段设有调节轮，调节轮用于调节调节轮与送丝机构主动轮之间的间距，以匹配材料棒；
[0031]T型底座和L型底座上对应设有用于通过所述材料棒的通孔，以使材料棒位于调节轮与送丝机构主动轮之间，并通过所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于并联机械手的教学用3D打印试验装置，其特征在于，包括：支撑机构、若干个并联的机械手运动机构、送丝机构、打印头(36)和性能测试模块；若干个所述机械手运动机构设置在所述支撑机构的顶部，所述机械手运动机构的下端连接所述打印头(36)，所述机械手运动机构通过伺服电机(4)带动所述打印头(36)进行3D打印；所述送丝机构设置在所述支撑机构上，所述送丝机构用于向所述打印头(36)输送用于3D打印的材料棒(30)；所述性能测试模块包括：若干个应变传感器和高速摄像机，所述应变传感器设置在3D打印试验装置的应变测点，用于获得机械手运动机构的弹性变形参数和打印头(36)的热变形参数；所述高速摄像机独立于所述支撑机构设置，所述高速摄像机用于获取打印头(36)在打印过程中的实际位置。2.根据权利要求1所述的基于并联机械手的教学用3D打印试验装置，其特征在于，所述支撑机构包括：铝型材框架(1)、支撑平台(2)、热床(3)和静平台(5)；所述静平台(5)设置在所述铝型材框架(1)的上部，所述支撑平台(2)设置在所述铝型材框架(1)的下部，所述热床(3)设置在所述支撑平台(2)的顶部，所述热床(3)的高度可调节。3.根据权利要求2所述的基于并联机械手的教学用3D打印试验装置，其特征在于，若干个所述械手运动机构围绕所述静平台(5)设置，所述械手运动机构还包括：曲柄(6)和连杆(12)；所述曲柄(6)的一端与所述伺服电机(4)的输出端通过联轴器(14)可转动连接，所述曲柄(6)垂直于所述伺服电机(4)的输出端设置；所述连接联轴器(14)的底部设有固定座，通过所述固定座将所述联轴器(14)和所述伺服电机(4)固定在静平台(5)上；所述曲柄(6)远离所述联轴器(14)的一端设有成对的主动臂固定柱(11)，所述主动臂固定柱(11)的外侧端部设有球副(10)，所述连杆(12)通过所述球副(10)与所述曲柄(6)可转动连接。4.根据权利要求3所述的基于并联机械手的教学用3D打印试验装置，其特征在于，所有所述械手运动机构的所述连杆(12)的下端还连接有一动平台(15)，所述动平台(15)通过动平台连接柱(16)与所述连杆(12)可转动连接，所述动平台(15)用于搭载所述打印头(36)。5.根据权利要求4所述的基于并联机械手的教学用3D打印试验装置，其特征在于，所述打印头(36)通过六角螺栓(17)和...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵月娥，崔宇，蔡新颖，金延旭，郑晓明，
申请(专利权)人：沈阳大学，
类型：新型
国别省市：
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