夹爪式3D打印机械手设计.docx

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1、本科毕业论文（设计）论文题目：夹爪式3D打印机械手设计摘要如今3D打印技术和机械手在全球范围内发展迅速，取得的成果也相当可观，对人们的生活条件有很大的改善，而如何利用3D打印技术打印机械手的研究却不甚如人意，由于受限于技术和材料的困扰，始终无法取得突破性进展，而一旦在这方面取得重大突破，将会使工业领域得到不可估量的发展。本设计即初步探讨研究了如何利用3D打印技术打印机械手。主要是通过对三轴桁架式机械手结构的研究，设计出打印其整体结构的流程，并将适用于3D打印的材料与制造机械手的材料进行对照，从而确定出打印三轴桁架式机械手所使用的材料，最终将打印出的机械手与机床加工出的机械手进行性能对比分析，得

2、出结论。关键字：3D打印技术；机械手；金属材料AbstractNowadays,3Dprintingtechnologyandmanipulatoraredevelopingrapidlyallovertheworld,andtheresultsarequiteimpressive,whichhasgreatlyimprovedpeopleslivingconditions.Thisdesignisapreliminarystudyonhowtouse3Dprintingtechnologytoprintmanipulator.Throughtheresearchonthestructureo

3、fthethree-axistrussmanipulator,thewholestructureoftheprintingprocessisdesigned,andthematerialsuitablefor3Dprintingiscomparedwiththematerialusedinthemanufacturingindustry.Keywords:3Dprinting;manipulator;metallicmaterial摘要IAbstractIl目录Ill1绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状11.3 研究目的42桁架式机械手总体设计方案52.1 机械手总体结构设计方案5

4、2.2 打印机械手的设计方案52.3 材料的选用方案63机械手结构设计73.1 机械手结构设计73.1.1 基座（立柱脚）结构设计73.1.2 轴部的设计83.1.3 手腕及夹爪的设计103.2 材料的选择124机械手的3D打印设计134.1 三轴桁架式机械手3D建模134.2 切片处理174.3 打印成品174.4 表面打磨184.5 整体组装185总结与展望205.1 总结205.2 展望20文献21致谢错误味定义书签。1绪论1.1 研究背景3D打印也被称之为“增材制造”，被誉为引领“第三次工业革命”的关键技术之一，是一种集机械、电子、软件、材料等多个学科于一身的技术，通过三维建模，设计出

5、要打印的物品，进行切片处理，将离散的液体、粉末、丝等材料逐层累加从而实现实体制造。之所以将其称之为“打印”，是因为加工过程类似于传统的喷墨打印，故称之为“3D打印:3D打印技术出现于20世纪80年代，最早应用于各类原型的快速制造，被称作“快速原型技术”4早期的3D打印技术由于材料种类的限制，大多数使用的是有机高分子材料，其机械、化学性能大多难以满足实际应用的要求，随着材料与技术方面的不断发展，这项技术在各大领域应用越来越普及。现如今3D打印技术，在食品、建筑、医疗、航空航天、工业、教育，日用品等领域应用越来越广泛。日常生活中随处可见的由3D打印技术出来的产品，大到航空航天，小到衣食住行，从方方

6、面面影响着每一个人。机械手是类似于人手的一种自动化机械设备。它可以实现抓取、搬运、焊接等一系列相对于人来说较为危险的操作，从而代替人从事繁复、单调且危险的工作，实现生产的机械化和自动化，保证人身安全，因此从诞生之初就广受人们的喜爱。应用领域非常广泛，最早应用于汽车制造业和核工业领域，随着机械手技术的不断发展，其应用领域也随即扩大，到如今已经覆盖了工业、农业、航海航天、军事、医疗、林业以及服务娱乐等行业，可以说应用非常普及，是人们生活中不可或缺的一部分。就目前而言机械手技术已经综合了计算机、机构学、人工智能、仿生学等众多学科而形成的一门高新技术，是当代非常热门的研究方向。是一个国家工业自动化水平

7、高低的标志，也是评价一个国家经济状况综合水平的标准咒在现如今3D打印技术和机械手技术如此发达的情况下，要想将这两者达到完美合作的状态还是不够。机械手追求高精度、高强度、高密度，而3D打印由于受限于材料以及自身技术等问题，无法完美打印出符合要求的机械手，这就导致3D打印技术无法很普遍的应用于机械手领域。不过相信通过一代代人的努力在未来一定可以实现这个目标。1.2 国内外研究现状近年来，3D打印技术受到国际社会的广泛关注，3D打印技术已成为美国发展最快的工业之一。造就如此现状的原因正是西方发达国家在3D打印技术上投入大量的人力、物力和财力，研发出更加丰富的打印原料，促使这一技术日趋成熟，精度不断提

8、高，而且成本越来越低。日本、美国、德国、法国、英国和韩国占3D打印、纳米技术和机器人工程学领域中全部专利申请总数的四分之三或更多，其中日本在机器人创新领域处于领先地位，美国则占据了大部分的纳米技术专利申请以及很大一部分的3D打印专利申请。随着这一技术在国外的大热，我国也开始重视3D打印技术的研发，并在不断研发中取得了可喜的成就。目前，中国3D打印市场进入快速发展期，3D打印技术正在产业化应用。据WohlersReport2021报告，2020年全球3D打印市场规模达到127.58亿美元，过去四年的平均增长率为20.8%,因受疫情影响，发展虽然放缓，但仍然保持了正向增长。未来10年，3D打印行业

9、的市场规模依然存在10倍的上升空间。随着3D打印技术规模产业化，正在从“星星之火”发展为“燎原之势”，从作为传统制造工艺的补充到替代一部分甚至完全替代。传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合都将面临深度调整。我国3D打印行业具有的特征性如下：3D打印技术发挥的主要空间是个性化定制产品的小批量生产，或者是生产对于传统制造技术来说非常复杂的产品；制造企业是否采用3D打印技术，还需要综合考虑产品在整个生命周期的价值传递作用，这种作用在航天航空工业中体现的比较明显。我国工业级3D打印装备核心器件严重依赖进口的问题依然较为突出。由于3D打印定制化产品和3D打印设备生产周期的特殊性，产品交付集中在每

10、年的下半年。中国3D打印技术在经历了初期产业链分离、原材料不成熟、技术标准不统一与不完善、以及成本昂贵等问题后，在3D打印技术方面与国际持平，3D打印装备甚至某些方面性能优于国外水平，但依然面临3D打印专用粉末材料不成体系，3D打印标准缺乏,3D打印装备及产品应用推广难度大等问题。总体来说，我国的3D打印产业化存在规模小、应用程度不高的问题。同时国内也面临着国外3D打印装备与技术对中国进行技术封锁，而且部分核心器件对国外品牌存在一定的依赖性。3D打印金属粉末材料，目前常用材料基本实现国产化，但缺乏3D打印工艺适应性验证，以及零部件应用考核，因此需要大量试验累积数据，来促进应用推广。但是新型、高

11、品质粉末材料，如耐高温合金粉末、轻质高强铝合金、镁合金等还依赖进口，甚至某些先进材料国外对我国进行技术封锁、禁运等。因此，自主创新、独立研发依旧是3D打印技术发展的核心。总体上国内已实现装备整机层面国产化，与国外同类型装备对比，成形尺寸、精度等优于国外装备，但是整体稳定性还有不足，专业软件、激光器、振镜等核心器件等实现国产，但性能与国外一流供应商还存在差距，需要进行长时间考核、迭代提升，因此仍未完全实现国产化替代。机械手在国外发展相当迅速。日本是世界机械手第一大国，它研发的机械手数量为90万台，几乎占全球机械手系统总数的一半。美国作为机器人的诞生地，虽然它的机械手数量没有日本多，但它的应用方向

12、和核心技术和远比日本先进，所以占有很强的优势。除了美国和日本之外。俄罗斯，德国，英国等发达国家的机械手系统也迅速发展起来。而在亚洲，除了日本之外，韩国也开始快速发展机械手行业，现在已经排名世界的前列。近年来国外才迅速发展特种机器人，它是机器人和机械手系统的一个重要的研究和发展方向。时至今日，特种机器人主要有以下儿类：空间机器人、水下机器人、医用机器人、建筑机器人、军事自动排雷机器人等等。而国内的机械手技术起步较晚，从“七不”期间的科技攻关及实施“863计划”的期间才开始着研究机器人和机械手系统。机械手在经过数十年的研究、发展、创新逐步成为主要的发展研究对象，得到了飞速的发展。到目前为止，已经有

13、多家企业和研究机构从事机器人和机械手的研究。虽然我国对机器人和机械手系统的研究已经取得了十分壮观的研究成果，但与美国，韩国日本等机械手系统大国相比，无论是在数量上还是在技术上或者是在工程应用上都还存在着很大的差距。近年来，国际经济、科技竞争日益激烈，在生产和生活中，尤其在工业领域，对机械人和机械手的需求日益增长。针对机械手系统的行业来看，我国将面临着新的发展机遇和严峻的挑战，迫切需要更多自主研发的，我们自己掌握核心技术的比较智能的机械手，积极发展我国的机械手。采用3D打印技术打印较大型的工业用机械手从很早就开始研究了，但是受限于材料和关键技术，导致一直未能取得可喜的进展，由于机械手要求高精度、

14、高定位精度，所以3D打印能打印出的大多是一些小型的机械手，且精度等无法保证，根本无法满足工业使用要求。但是也有一些可喜的研究成果，比如说仿生机械手，旨在帮助那些先天性或者后天导致的肢体残疾人员，已经取得了较为可观的成绩，但是问题是价格太过昂贵，一般家庭根本无力购买，这也就限制了它的发展，不过近年来国内国外都在致力于这方面的研究，相信在不久的将来一定可以实现二者的完美融合，真正做到造福全人类。下面图1.1、图1.2是通过3D打印技术打印出来的小型工业用机械手和仿生机械手HeroArrno图1.1小型工业用机械手图1.2仿生机械手HeroArm1.3 研究目的此次课题主要研究方向是使用3D打印技术

15、打印出一款较大型工业用的三轴桁架式机械手。是一种建立于X、Y、Z三坐标系基础上的机械手，可以实现对工件的位置调整以及轨迹运动。适用范围广，工艺性能稳定，可实现对车床、加工中心、磨床等设备的自动化生产线。其结构组成主要是由立柱、X轴线性组件、Y轴线性组件、Z轴线性组件、工装夹具以及控制柜这六部分组成。结构件通常是由铝型钢材等材料制成。可以模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制，使其按照预定要求输送产品或操持工具进行生产操作的自动化设备。它可以减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产，提高生产效率、降低生产成本，对企业的市场竞争力有很大的提升。三轴桁架式机械手广泛应用于食品、家电家具、石油

16、化工、医疗制造业、五金制造、机械生产、电子通讯、汽车配件制造等行业，应用非常广，与人们的日常生活有很大的联系。三轴桁架式机械手应用特点有：灵活性强、适用范围广、使用方便、人性化、安全性能高、在实践应用中节约成本，相比于人工极大地提高了工作效率。所以此次课题设计目的是在最大程度上保留桁架式机械手优点的同时，利用3D打印技术将其“打印”出来。当然前人做了很多努力，但是受限于种种因素都无法将二者有效的融合起来，所以此次设计尽自己努力做个尝试。2桁架式机械手总体设计方案2.1 机械手总体结构设计方案本文设计的桁架式机械手是一款吊挂型三轴桁架式机械手,采用直角坐标式结构。结构组成分为立柱脚、X轴、Y轴、Z轴及末端的夹爪。桁架式机械手有很多优点：制造材料采用的是高强度结构钢，整体结构强度高，不