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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、
17、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，不会轻易摇晃摆动，而且采用的是导轨运动机构设计，整体承载能力极强，刚性好；安装简单，维护方便。三轴桁架式机械手相比于复杂的关节机械手来说，结构简单，操作便意，而且导轨等一些零部件损坏之后更换也十分方便，对工作效率不会造成很大的影响；使用寿命长。结构简单、整体性能优异，不会轻易损坏，不像普通的导轨滑块容易受到加工精度和润滑的影响而失效损坏；价格便宜。相对于同等载重的关节机械手而言,桁架式机械手造价成本更加低廉；桁架式机械手一般架设在设备的上方，不占用地面空间，有利于车间的空间规划和工作时的便利性。其缺点也很明
18、显，最大的缺点是通用性较差。桁架式机械手的高度和宽度，以及其活动空间一般是根据机床的尺寸和结构来定制的，这就导致其只适用于一种机床或者尺寸结构相近的机床（相差不超过IOomm）。立柱脚采用的是螺母固定式的铸件。对整个机械手起到支撑的作用，要求有足够的刚度、强度及稳定性。高度为1021.5mm,宽度为100mm；底部为长宽均为280mm,厚度为20mm的正方体；与X轴连接部分长度为40OmmoX轴、Y轴、Z轴均是采用型号为HK136-S500-F0的线性模组。要求承载能力强、刚性好、自重较轻、有足够的灵活性、位置精度高且工艺性要好。X轴长度要求为925.5mm；Y轴长度要求为673mm；Z轴长度
19、要求为579mm。夹爪采用的是平行气动夹爪。设计的夹爪手指部分有两个凹槽，所以适于夹取的物件是半径为15mm的棒状物体，所能夹取的物体重量不能超过30kgo2.2 打印机械手的设计方案3D打印技术打印桁架式机械手的步骤共分为五大部分，分别如下：第一步是进行三维建模。将机械手的所有零部件通过建模软件绘制出来，对于同一类型的零部件可以将其绘制到同一个页面，这样就在打印的时候可以一次性打印出来，不用分开打印，从而节省下大量的时间；第二步是将要打印的零部件进行切片处理。就是将三维模型导入切片软件（如Slic3r）,然后经过一系列操作将其转换为G代码,转换完成后将这些G代码保存为s3g格式并将其导入到3
20、D打印机里，这些代码会告诉3D打印设备如何控制喷头的移动，从而层层的打印出这些零部件；第三步是进行零部件的打印。将G代码导入3D打印机后，在操作面板上进行打印设置，设置完成后运行3D打印机，然后静静等待打印结果；第四步是将打印出来的零部件进行打磨。由于打印出来的零部件上面有很多附带的材料，是不能直接组装的，所以需要将这些多余的材料清理掉并打磨零部件表面，使其表面光滑，易于组装；第五步是将打磨完成的零部件进行统一的组装。根据设计图纸将所有的零部件进行组装，最终就得到设计的机械手了。2.3 材料的选用方案进行材料的选用时要结合机械手对材料的要求和3D打印对材料的要求。符合机械手的材料种类较多，选择
21、机械手的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观以及价格等多重因素。一般机械手常用的材料有以下几种：（1）碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢：这类材料强度高，特别是合金结构钢的强度比普通钢增加了45倍、弹性模量E大、抗变形能力强，是目前市场上应用最广泛的一种材料；（2）铝、铝合金及其它轻合金材料：这类材料的共同特点是重量轻、弹性模量E不大，但是材料密度小，E/p之比可与钢材相媲美；（3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工型与其他材料相比要差，与金属等零件的连接部分需要特殊设计。3D打印的材料一般分为金属和非金属两大类，非金属材料包括：聚乳酸、ABS、PLA、尼龙、陶瓷
22、、感光树脂等数十种材料；金属材料包括：金、银、铝合金、不锈钢、钛合金等材料。当今流行的非金属材料是塑料（树脂、尼龙、ABSPLA）,所以这部分在工业领域的应用也很普遍。金属材料，特别是铝合金、不锈钢、钛和钻的衍生物，在医疗、航空航天、汽车制造等领域有着突破性的应用。综合上面这两种选材情况来看，选用铝合金最为合适，既能满足3D打印对材料的要求，又能保证打印出来的机械手有可观的强度和刚度。这里铝合金选用AlSilOMg合金，硅镁组合使得铝合金具有更强的强度和硬度，适合薄壁以及复杂的几何形状的零件，而且重量较。非常符合本次设计所用材料。3机械手结构设计3.1 机械手结构设计本文机械手的设计是一款三轴
23、桁架式机械手，采用直角坐标式的结构。直角坐标式结构机器人运动形式是通过三个相互垂直的直线运动来实现的，由于直线运动相较于其他结构更易于实现全闭环的位置控制，所以直角坐标结构机器人能达到极高的位置精度，即Um级。该机器手的工作空间是一个空间型的长方体，主要用于装配和搬用作业。整体结构如下图3.1所示：立柱脚Z岫：有效行程30OmmlY轴：有效行程30Omm旋转气动夹爪图3.1机械手总体结构3.1.1 基座（立柱脚）结构设计机械手的基座是机械手最重要的支撑部件，它的主要作用是为机械手整体提供足够的支撑。机械手上所有的执行装置和驱动装置均安装在基座上,其重要性不言而喻。通常用铸铁或铸钢材料制造而成。
24、基座一般可分为固定式和移动式两种。固定式机器人通常直接安装在地面或者机身上；而移动式机器人通常是安装在移动机构上，由机架带动机械手移动，可分为有轨式和无轨式两种。而本次设计采用固定式基座。因此设计的基座要满足以下三点要求：（1）要有足够的刚度、承载能力和稳定性；（2）要有足够大的安装基面，以确保机械手在工作过程中的稳定性；（3）应当保证足够的强度，因为基座承受着机械手的全部重量以及工作载荷。本次设计的基座与常规的基座略有不同，一般机械手的结构是基座、腰部、手臂、腕部以及末端执行器。大多数情况下基座与腰部是相连的两个部分，而本次设计是将基座与腰部连为一个整体，使其成为一个立柱脚，其功用与一般的基
25、座功用相同。3.1.2 轴部的设计本文设计的机械手臂部共有三个轴，分别为X、Y、Z三轴。臂部的作用是在一定的载荷和速度下，实现机器人在设计要求的工作空间内进行正常的移动、升降，同时也承担着连接和承受负载的作用。因此设计的轴有以下几点性能要求：（I）承载能力大、刚性好且自重较轻：手臂的刚性好坏会直接影响到手臂作业时的平稳性、运动速度和定位精度。若刚性较差会引起轴在垂直、水平方向上的弯扭变形，从而导致轴的振动或移动时工件卡死影响机械手的正常运行；（2）轴的运动速度要在一个适当的范围内，且惯性要小：机械手的运动速度不能盲目跟随生产节奏而加快，以免对一些小部件造成损坏，手臂速度的变化过程要满足速度特性
26、曲线；（3）轴的动作要有足够的灵活性：手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动的轻快和灵活。对于桁架式机械手，需要计算轴移动零件时所产生的偏重力矩。偏重力矩过大，会导致轴的振动，在升降时可能会有沉头现象的发生，会严重影响到轴运动的灵活性。所以在设计轴时要尽量使重心通过回转中心或离回转中心较近，从而达到减少偏重力矩的效果；（4）位置精度要高：要想让机械手获得较高的位置精度，除了采用先进的控制方法外，在结构上还需要注意：（a）提高机械手的刚度、减小偏重力矩、降低惯性从而提高位置精度；（b）加设定位装置和行程检测机构；（C）选择直角坐标形式。直角坐标式机械手的位置精度较高，其结构和运动都比较简单，误差也
27、小；（5）通用性要强，能够适应多种常规作业；（6）工艺性能要好，以便于维修和调整。以上这几项要求，有时往往会相互矛盾。刚性好、载重大的机械手，构件往往比较大，这势必会造成轴的自重增大，从而使转动惯量增加，位置精度就会降低。因此，在设计轴时必须结合机械手的负载大小、自由度数、运动空间、运动速度以及机械手的整体布局和工作条件等多种因素综合考虑，以便达到动作准确、可靠、灵活、结构紧凑、刚度大、自重小，从而保证一定的位置精度。因此对材料的性能有所要求，一般选用铝合金材料，既可以保证3D打印技术对材料的要求也可以满足上述性能。具体结构设计分别如下：X轴组成零部件有：型材HKl36-S1500-F0、盖板
28、HKl36-S1500-F0、HKl36标准副轴承座、HK136标准主轴承座、HK136标准后板、联轴器、六角锁紧螺母BKl2、丝杆SFS2010S1500-F0、铜套内径12、轴承6000、轴承6001、轴承压环6001、阻尼圈（小）、导轨EGHl5-S1500-F0松下750W伺服电机、感应器672。具体结构如下图3.2所示：图3.2X轴结构Y轴的组成零部件有：六角锁紧螺母BKl2、l2铜套、SFS1610-S400-F0丝杆、轴承6000、轴承6001、CKIoo标准主轴承座、CKlOO标准后板、阻尼圈、松下400W伺服电机、CKlOO标准400W电机板、CKlOO导轨MGNl2C-S4
29、00-F0、盖板CKlOO-S400-FO型材CKIOo-S400-F0。具体结构如下图3.3所示：图3.3Y轴结构Z轴组成零部件有：HKI20型材-S300、HKI20副轴承座、16mm阻尼圈、轴承压环、导轨S300、HK120-S300-SFS1610-1605丝杆、HK120前板、HK120盖板-S300、HKI20后板、l2衬套、M12锁紧螺母、C30-35-14-10联轴器、松下750W伺服电机。具体结构如下图3.4所示：图3.4Z轴结构3.1.3 手腕及夹爪的设计手腕的设计：手腕是上臂和末端执行器（夹爪）之间重要的连接部件。其作用是利用自身的活动度来确定被末端执行器所夹持物件的空间
30、姿态，因此手腕也被称为机器人的姿态机构。若是与末端连接器相连接的杆（末杆）能有足够的移动空间，那相应的与之相连接的末端连接器就有更多的移动空间，即机器人就会达到完全灵活的地步。本文设计的是一个单自由度的旋转手腕，只有一个绕垂直轴的垂直自由度，在XC)Y水平面上转动，理论上的转动角0。WW360,实际转动角还需要贴合实际使用情况而定。再结合Z轴的升降情况，可确定出整体的移动范围是一个立方体。夹爪的设计：夹爪也称之为末端执行器，本文设计有以下四点方向：(1)机械手末端执行器是根据实际作业要求进行设计的。本文设计的机械手主要适用于重量不高于30kg的物体；(2)机械手末端执行器自身的重量、抓取物件的
31、重量和操作力的总和不能超过机器手额定的负载力。因此要求机器手末端执行器的体积要小、重量要轻并且结构要紧凑；(3)机械手末端执行器的通用性与专用性是相互矛盾的。本文设计的机械手是一款专门用来夹持半径为15mm的棒状物体的夹爪；(4)机器手末端执行器要便于安装和维修，以便易于实现计算机控制。桁架式机械手夹爪有很多种,每种的原理都不尽相同,对应的工作环境也不一样。本文设计采用气动夹爪。其工作原理是通过压缩空气为夹爪提供动力，驱动夹爪夹取物件。根据结构分为平行气动夹爪、Y型夹爪、旋转气动夹爪和三点气动夹爪。根据设计要求采取平行气动夹爪：其原理是通过两个活塞驱动其手指的滑动，每一个活塞都单独由一个滚轮和
32、一个双曲柄与手指相连，从而形成一个特殊的驱动单元。为了减小摩擦阻力，手指与主体之间的连接采用钢柱滑轨结构。市场上的成品内部结构如下图3.5所示：图3.5平行气动夹爪内部结构将旋转手腕与平行气动夹爪连接到一起，就组成了最终的末端执行装置。手腕和夹爪的总体结构如下图3,6所示：图3.6夹爪结构3.2 材料的选择机械手的制作材料应根据手臂的工作状况来进行选择，并且要满足机器人的设计和制作要求。从设计的角度出发，机械手要完成各种复杂的运动。首要考虑的是重量因素，重量太大不利于机械手的运动，故而需要选择轻型材料；另一方面，在运动过程中由于机械手自身因素和外界因素的影响往往会产生振动，这必然会大大降低它的
33、运动精度。所以在进行选材时，需要对质量、刚度、强度以及阻尼比等进行综合考虑，以便于有效地提高机械手的动态性能。机械手是一种伺服机构，必须受到控制，这就需要考虑到它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。本次设计的机械手是偏向于中小型化的，因此在选用材料时不要求材料具有特别高的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力。在考虑了各种内、外在因素以及结合工作状况的条件下，初步选用铝合金材料作为机械手的制作材料。具体型号可参照HK136-S500-F0精密模组。选择此型号的材料有以下几点原因：a）线型模组组装容易：线性模组每个组件的强度与尺寸精度均符合国
34、际标准，可直接装配使用；b）线型模组更换容易：由于模组零件大多是标准件，一旦损坏之后很容易更换；c）成本较低；d）应用广泛：线性模组基于其组装简单、重量轻、耐腐蚀和互换性的特点，因此大量应用于自动化设备、搬运系统、焊接设备、切割设备、输送设备、喷漆设备等；e）可选择性较多：线性模组不同的规格具有不同的承载能力，可根据承受负载的大小进行选择。4机械手的3D打印设计4.1 三轴桁架式机械手3D建模3D建模通俗来说就是通过三维制图软件在虚拟的三维空间中构建出一个具有三维立体数据的模型。3D建模的方式大致有以下两种：一是直接下载模型。如今网络上有很多3D模型的网站，各种模型的种类和数量是非常多的，可以
35、直接进行下载修改，然后导入3D打印设备进行实体的打印；二是用三维建模软件进行建模。目前有很多的建模软件，比如SOIidWOrks、UG、CATlA、PrO/E、AUK)CAD等都可以直接支持3D建模。本设计采用的是SOIidWOrkS软件进行机械手的建模。设计的这款三轴桁架式机械手各个零部件形态及其名称分别如下各图所示：1立脚柱2Y轴:图4.3HKI20型材S300图4.7IIK136标准滑板图4.8IIK136标准主轴承座图4.6联轴器3Z轴（即120模组滑台）图4.9Z图4.10HK120-S300-SFS1610-1605丝杆4X轴（即HKl36-S500-F0模组滑台）图4.14X轴4
36、.2 切片处理运用三维建模制图工具建好三维模型后需要在切片软件上将模型进行切片处理。即就是将三维建模转换成一组3D打印机所需要的移动指令，这些指令称为G代码，它会告诉打印设备其喷头该如何移动，当导入打印设备后就会打印出需要的物件。具体的操作是：根据切片软件选择的设定，将前面建的三维模型进行水平切割，获取平面图，然后由系统计算出3D打印机所需要消耗的材料和时间，再将该信息汇总到G代码文件中，最后将文件格式进行转换。常见的文件格式有STL和PLY文件格式。这就是切片处理生成G代码的大致流程。最后将G代码文件发送到3D打印设备中，进行实物的打印。其中需要注意的是：喷嘴温度：喷嘴的温度是切片处理中最重
37、要的一项设置，如果没有合适的喷射温度，打印将无法顺利进行下去；层高：层高是切片处理中另一个重要的设置，是指打印件每一层的高度。层高数值越小，整个打印所需要的层数就越多，同时也就意味着更长的打印时间，但是打印出来的精度也就越高。数值越大则与之相反；打印速度：打印速度是指打印头移动的速度。通常保留特定的速度设置，只调整默认速度；回缩：回缩决定了喷丝被吸回喷嘴的数量和速度，用以防止材料在还未挤出时渗出。回缩由一些特定的设置进行控制，其中主要是指回缩距离和回缩速度；填充设置：填充最主要的功能就是作为结构的支撑，如果填充过小或者基本没有填充的时候，那么当打印的模型越大时，在打印壳体的时候就越不容易成型。
38、同样的，当填充过大，达到80驰甚至10096时，由于耗材的冷缩性，从而导致模型的大表面向内凹陷，导致最终打印失败。4.3 打印成品经过前面两个步骤，数字模型已经设计完成，接下来只需要将设计好的数据模型保存到U盘中导入打印设备，或者通过数据线直接从电脑中导入打印设备，同时在设备中装入预备好的打印材料，然后在打印设备的调试屏上设定打印的参数，设置完成后紧接着运行打印设备，操作人员退到安全区域。打印机开始工作后，材料由喷嘴源源不断的喷射出来，形成一个个切片图层，每个图层间均会通过特殊的胶水进行粘合，并按照横截面将图案固定住，到最后再层层的叠加起来，最终形成一个完整的零件，之后去除填充的部分。这样，一
39、个经过分层打印、粘合、堆砌、去除填充的完整零件就出现了。以上只是其中一个或一部分相似零件的打印过程。由于零部件较多，其他的零部件的打印与上述过程一样，重复多次即可打印出所有的零件。4.4 表面打磨打印完成后由于3D打印机分辨率不是很高，这就导致打印出来的零件表面比较粗糙，精度较低，这就需要通过打磨、抛光处理，以便获得预期的高精度零件。3D打印的零件打磨处理方式有很多：一是可以通过砂纸打磨：先选用粗砂纸进行粗略处理，然后选择精细的砂纸进行精细打磨，打磨完成后用略微潮湿的布轻轻擦拭表面上残留的灰尘，这样就算打磨完成了。其优点是价格低廉且有效、应用范围广、速度较快；缺点是打磨微小零件时不够精确而且打
40、磨的时候容易出现误差；二珠光处理：其工作原理是操作人员手持喷嘴对着抛光对象高速喷射介质小珠从而达到抛光效果。优点是速度快、处理过的产品表面非常光滑；缺点是对处理的产品有尺寸要求，不能进行大规模、大尺寸产品的处理；三蒸汽平滑：其工作原理是3D打印零部件被浸渍在蒸汽罐里，罐子底部有已经达到沸点的抛光液，产生的蒸汽上升，接触到零件的表面后会融化零件表面约2IIm的一层，短短几秒钟就可以使表面变得光滑而且对表面精度影响较小。这项技术广泛应用于医疗、电子产品等领域。其缺点是对零件的尺寸有限制，而且对耐高温材料的处理效果并不理想；本文设计的三轴桁架式机械手体积不是很大，而且对精度要求较高，可以采用前面的第
41、二种打磨方式。4.5 整体组装当经过上述步骤，所有的零件都打印出来后，根据设计的图纸将所有零部件组装起来，最终会形成一个完整的三轴桁架式机械手，如下图4.19三轴桁架式机械手所示：图4.19三轴桁架式机械手5总结与展望5.1 总结在设计本文基于夹爪式3D打印机械手时，我查阅了大量关于3D打印和机械手的文献，发现不论是国内还是国外对于这两种技术的研究都是非常深入的，而研究带来的成果对人类社会的影响非常深切。但是对于如何将这两种技术结合起来的研究进展却比较有限，然后我查阅了大量关于这方面的文献之后才知道其中的原因。是因为这两者受限于技术和材料的问题，以至于无法做出重大的突破。首先是技术方面的原因。
42、3D打印是一种分层叠加技术,这就导致打印出来的机械零部件无法很好满足机械手对精度、刚度和强度要求，而机械手是一种对精度、刚度和强度要求非常高的设备，这是两者无法很好结合的一个重要原因；其次就是材料方面的原因。机械手使用的基本都是金属材料，而符合3D打印技术的金属材料相对于机械手来说数量是非常少的，远远无法满足制作机械手的需求，这也导致两种技术的结合有了局限性。因此我在本文设计中初步尝试将两者结合起来，使用3D打印技术打印一个三轴桁架式机械手。我相信有很对前辈对这方面做过许多研究，但都没能攻克这个难题，所以本文设计只简单的针对机械手结构方面的打印进行试验。本文设计还有很多不足之处，打印出来的机械
43、手零部件在精度、刚度和强度方面始终不能与机床加工出来的相比较，使用性能方面也大打折扣，还有许多方面有待后续完善。5.2 展望未来对这两种技术结合的研究必然会取得重大突破，使用3D打印技术打印出来的机械手一定能够满足使用要求，更好的带动社会的发展，为人们的生活带来更多的幸福感，希望这一天能够早日到来。今后对其的研究主要是针对技术方面和材料方面，以使3D打印技术更加普遍，也更加全面。参考文献1张统，宋闯.3D打印机轻松DlY第二版.北京：机械工业出版社，2017.10.2赵建伟.机器人系统设计及其应用技术.北京：清华大学出版社，2017.11.3吴立军.3D打印技术及应用.浙江大学出版社，2017
44、.11.4丁哈秋.中国3D打印市场观察商业观察.2020,第五期.5王华明.金属增材制造技术及其对重大装备制造业的影响.中国工业和信息化，2019,第12期.6陈双，吴甲民，史玉升.3D打印材料及其应用概述.物理，2018,第11期7王晓燕,朱琳王D打印与工业制造.北京:机械工业出版社,2019.018韩红，李琦.机电一体化系统设计.北京理工大学出版社，2014.11.9刘极峰，杨小兰，肖增文.机器人技术基础.北京：高等教出版社，2019.09.10刘万里，王琰.工业机器人系统设计及应用.徐州：中国矿业大学出版社，2018.11.11姚伟，刘培超，陶金.人工智能与机械臂苏州.苏州大学出版社,2018.09.12李建奇.工业机器人技术及应用.长沙：中南大学出版社，2019.12.13吴成东，姜杨.现代机械设计手册工业机器人系统设计单行本第二版.北京：化学工业出版社，2020.02.14 BirglenL,LalibertT,GosselinCM.UnderactuatedRo-boticHandsM.Berlin:Springer,2008.15 KragtenGA.UnderactuatedHands：Fundamentals,PerformanceAnalysisandDesignD.DelfcDelftUni-versityofTechnology,2011.
