论文总字数：17759字

摘 要

并联臂机构是一种采用多个并行运动链连接动静平台的闭环机构。与传统串联式三轴3D打印机相比，并联臂式具备高速、高精度、高刚度的特点。而FDM（Fused Deposition Modeling）技术结构简单，成本低。并联臂式FDM 3D打印机适合桌面打印机，来满足日益扩大的3D打印的市场需求。

本文针对一种基于三自由度并联臂运动机构的FDM 3D打印机展开研究。从并联臂机构和FDM技术的基本原理出发，对3D打印机进行结构设计。从可靠性和经济性原则出发，依次完成对丝杠、伺服电机联轴器等主要部件的选型。最后通过Creo软件完成了对各零件的部件的建模和组装，并进行运动仿真，验证机构的工作空间尺寸。

关键词：Creo 并联臂 fdm 3d打印

A Design of Parallel Arm FDM 3D Printer Structure

Abstract

A parallel arm mechanism is a closed-loop mechanism that uses multiple parallel kinematic chains to connect a dynamic and static platform. Compared with the traditional series three-axis 3D printer, the parallel arm type has the characteristics of high speed, high precision and high rigidity. The FDM technology has a simple structure and low cost. Parallel arm FDM 3D printers are suitable for desktop printers with the growing market demand for 3D printing.

This paper focuses on a FDM 3D printer based on a three-degree-of-freedom parallel arm motion mechanism. Starting from the basic principles of parallel arm mechanism and FDM technology, the structural design of the 3D printer is carried out. Starting from the principles of reliability and economy, the selection of main components such as screw, servo motor coupling, etc. is completed in sequence. Finally, the modeling and assembly of the components of each part were complete by using Creo, and the working space size of the mechanism was verified by performing the motion simulation.

Keywords: Creo；parallel arm；fdm； 3d printer。

目录

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摘要 1

Abstract 1

第一章 绪论 1

1.1 国内外研究现状 1

第2章 3D并联臂打印机基本原理 7

2.1 3D FDM打印原理 7

2.2 并联臂运动机构原理 8

第3章 打印机零部件选型与建模 12

3.1 打印机基本功能参数 12

3.1.1并联臂式FDM 3D打印机设计要求 12

3.1.2打印机的的各项尺寸参数 14

3.2 电机丝杠导轨选型与经济性分析 15

3.2.1步进电机选型 15

3.2.2丝杠选型 17

3.2.3导轨选型 19

3.2.4联轴器选型 21

3.3 各主要零部件建模与整机装配 23

3.3.1打印机外框架 23

3.3.2底部框架 24

3.3.3顶部框架 25

3.3.4铝合金轴 26

3.3.5步进电机建模 27

3.3.6滚珠丝杠建模 28

3.3.7滚珠丝杠支撑座 30

3.3.8丝杠螺母座建模 31

3.3.9直线导轨及导轨滑块建模 32

3.3.10动平台和鱼眼杆连接座建模 33

3.3.11喷头建模 34

3.3.12鱼眼杆建模 35

3.3.13送丝机构建模 36

3.3.15总体装配 36

第4章 总结与展望 41

4.1 总结 41

4.2展望 41

参考文献 43

致谢 45

第一章 绪论

1.1 国内外研究现状

3D打印技术是一种逐层堆积生成零件的加工方式，每一层截面都是根据计算机根据三维模型切片数据得到。3D打印技术免去了传统机械加工和制造模具的环节，提高了生产效率，降低了生产成本，并且可以加工传统方法难以制造的零件。目前3D打印的主要材料有食品、塑料、金属、陶瓷、树脂、混凝土等，不同的材料往往需要不同的加工条件和堆积成型方式，3D打印技术也根据此划分为熔融沉积技术、层压制造技术、层压制造技术材料层叠成型技术、紫外线光固化技术。

FDM（Fused Deposition Modeling）是目前在市场上占有份额最大，适用范围最广的一种3D打印技术，在人们的日常生活中也比较常见。FDM技术的主要有以下这些优点：

1设备成本低:结构简单，无大功率器件，设备的制造及运行成本低。

2材料环保:通常以塑料作为基础材料，无毒无异味。

3材料利用率高:除去打印过程中必要的支撑材料，几乎不产生废料。

4缩短研发周期:实现产品设计和生产并行，有效缩短零件的研发周期。.

传统的由大臂小臂以串联方式连接的串联机器人，逐渐不能适应3D打印高速和高精度的要求。通过至少两个独立的运动链将动平台与机架相连接的并联机器人，极大程度的精简了平台构造所需的零件数目。

由于并联机构和串联机构具有不同的运动特征，并联臂结构的打印机结构设计和传统的串联结构的结构设计的存在差别，最主要在于3D打印机的工作空间尺寸的计算，如果打印机的运动结构设计不合理会出现工作空间不达标，运动干涉或尺寸冗余过大。所以需要针对3D打印机传动机构进行设计，使得打印件达到各项设计要求。

本课题是对并联臂式FDM 3D打印机的结构设计。通过对FDM技术基本原理和并联机构运动原理的学习，确定打印机基本功能结构。根据打印机所需结构进行硬件选型，对初步筛选的几种硬件类型进行经济性分析和可靠性。最后在了解丝杠传动原理的基础上，根据硬件选型完成对3D打印机的三维建模及运动仿真，验证其是否满足使用要求。

赵吉斌^[1]等指出目前市场上普遍采用的多喷头结构在经济性和故障率上的弊端，提出通过转换器将多根物料管与喷头连接的单喷头多色3D打印机的设计思路，并提出了材料连续性、混合色差、材料余量计算等问题为多喷头打印机的发展指定方向。双喷头结构如图

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