第4期 2017年4月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)04007005
DOI: 10. 13462/j. cenki. mmtamt. 2017. 04. 017
三自由度悬臂式3D打印机结构设计及优化
陈海军，殷鸣，殷国富'，韩兴国”
No.4 Apr.2017
（1.四川大学制造科学与工程学院，成都610065;2.桂林航天工业学院机械工程学院，广西桂林 541004)
摘要：针对目前龙门式3D打印机打印平台固定且打印空间受限的问题，基于圆柱坐标系用P、6和2 三个参数对三维空间进行描述的原理，创新设计出一台具有旋转运动、水平移动和上下移动的三自由度悬臂式3D打印机。通过对底座上方机械的结构分析和受力分析，对旋转传动装置分析模型进行了简化处理。并使用有限元软件ANSYSWorkbench对简化后的旋转传动装置进行了静力分析和模态分析。在静力分析和模态分析的基础上，按轻量化的设计要求，利用ANSYS的响应曲面优化工具，对减速器承载体的关键尺寸进行多目标优化。优化结果表明，响应面优化法能很好地完成多目标优化设计，实现了整机的轻量化。
关键词：多自由度；悬臂式3D打印机；机构设计；响应曲面优化
中图分类号：TH164;TG506
文献标识码：A
Structure Design and Optimization of Three-degree-of-freedom Cantilever 3D Printer
CHEN Hai-jun', YIN Ming' , YIN Guo-fu',HAN Xing-guo
( 1. School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University , Chendu 610065 , China ;2. School of Mechanical Engineering , Guilin University of Aerospace Techology , Guilin Guangxi 541004, China)
Abstract : Considering the fixed platform and limited space of gantry 3D printer, we designed a cantilever 3D printer with three degrees of freedom, including rotation, moving in the horizontal direction and moving in the vertical direction, the principal of which is based on cylindrical coordinates that represent a three di-mensional space with three parameters, namely p, and z. The finite element analysis model of the rotary transmission is simplified by analyzing the mechanical structure and the force on the top of the base. The static analysis and modal analysis of the simplified rotary transmission device are carried out by using AN-SYS Workbench. On the basis of the static analysis and modal analysis, the optimization of the key dimen-sions of the reducer bearing is carried out by using the response surface optimization tool of ANSYS , accord-easoassneaasaa tion method can achieve the multi objective optimization design and realize the lightweight of the whole ma-chine.
Key words : multidegrees of freedom; cantilever 3D printer; mechanism design; response surface optimiza tion
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引言
3D打印作为一种增量制造技术，凭借其零技
能生产、低成本的复杂多样化制造、个性化定制等优势，已逐步应用于制造、医疗、航空、设计等多个领域[13]。然而，面对各行各业对3D打印越来越
多的需求，市面上的3D打印机结构过于单一，大多数都是龙门式的直角坐标结构或者并联结构，尚未看到运用圆柱坐标系3D打印方法实现多自由度打印的研究。其中，基于笛卡尔坐标系的龙门结构3D打印机，因其打印喷头的运动依赖于打印机内部X、Y、2各轴向导轨，使得打印区域受限
收稿日期：20160815；修回日期：20160918
●基金项目：国家科技支撑计划项目（2015BAF27B01）；图川省科技支撑计刘项目（2014GZX0001）
作者简介：陈海军(1991—），男，四川广安人，图川大学预士研生，研究方向为3D打印和自动化控制，（Email）haijun-c@q-com；通信作者：
股鸣1987—），男，成都人，四川大学讲师，博土，研究方向为3D打印和新型人工电磁介质设计与制造，（Email)mingyin@seu.edu.c(n。
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