[发明专利]一种基于并联机械手的教学用3D打印试验装置及试验方法

说明书

本发明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打印试验装置及试验方法，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。本发明还可与青少年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。

技术领域

本发明涉及科普教育用性能测试演示装置技术领域，尤其涉及一种基于并联机械手的教学用3D打印试验装置及试验方法。

背景技术

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。

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。

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。

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，本发明将沉浸式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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于并联机械手的教学用3D打印试验装置及试验方法，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。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：