1．目的及意义

1.研究目的

作为传统的减材制造方式的一个强有力的补充，3D打印增材制造技术逐渐发展，推动了设计和制造行业的快速发展。在工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业等领域都得到了广泛应用[1-3]。3D打印在各方面的应用不断扩展，因而需要不断地优化和发展打印设备结构[4]。

3D打印是（3D printing）基于三维模型数据，通过逐层制造方式，不断将原材料（金属粉末、熔丝线材、高分子粉末等）堆积成实体工件的加工方式。传统的3D打印机使用 X、Y轴平台机构，沿着固定Z轴逐层积累原材料构造实体，本质上这种打印方式应该称为“2.5D 打印”[5]。这种打印模式经过长期发展已经非常成熟，该模式具有设计简单、路径规划容易等优势。但这种打印方式存在一定缺陷。例如，当面临大规模增材制造需求以及复杂的三维模型时，需要打印机适用性强，喷头末端运动灵活。而传统打印方式只能通过固定的Z轴上下移动输送打印材料，打印姿势和角度有限，打印完成度就会相当有限。近年来，机器人学的迅速发展打破了传统 3D 打印机的局限性，使 3D打印技术能够更灵活地应用在各行各业，因此该问题成为了机器人学和先进制造学科交叉的一项研究热点[6]。

如今，使用多自由度机器人手臂作为打印的执行机构比传统加工工艺有明显优势，如模型成型速度快、一次性成型尺寸及形状复杂度增大[7]、允许更灵活的打印轨迹设计和更丰富的机构设计等[8]。

机械臂式3D打印机相比传统加工工艺具有更多优点，同时也面临着新的亟待解决的问题，必须解决这些问题才能保证加工的精确性。传统的3D打印设备通过采用X、Y双轴交互复合运动，实现对产品的平面上的定位；Z轴采用单电机传动带动喷头移动，将丝状、热塑性材料的熔丝从加热的喷头挤出，按照零件的每一层预定轨迹将材料有选择地涂在工作平台上，以固定的速率进行熔融沉积。通过快速冷却形成一层一层的截面。当一层完成后，工作平台下降一个高度或者喷头平台上升一个高度，再成型下一层，直到整个模型成型完毕[9]。整个打印过程依赖于Z轴喷头始终保持与工作面垂直，能有效地将打印材料输送到预设位置上。传统打印方式很容易保证打印机喷头末端Z轴始终保持垂直状态，能够保证打印材料能准确地挤出并铺在原有的产品上。然而，当使用机械臂作为3D打印机末端喷头的牵引机构时，就面临着如何使机械臂沿任意曲线的同时使末端喷头始终保持与工作面垂直状态的问题。因此，3D打印机Z轴机械手末端姿态保持机构设计对机械臂式3D打印的应用和推广具有重大的意义。

2.国内外研究现状

由于双平行四边形串联机构的结构特点，当驱动平行四边形转动一定角度时，被动平行四边形随之运动，且末端始终保持垂直。平行四边形平面并联机器手可以沿着任意平面曲线运动并使末端执行器始终保持确定的姿势。因而平行四边形机构能有效解决末端Z轴姿态保持的问题。

平行四边形机构的机器手具有突出的功能，不仅能沿着任意平面曲线精确地在工作空间内运动，而且能始终保持末端执行器的姿态，该机器手已广泛应用于码垛机器人[10-12]，码垛机械臂如图1。在工业物流自动化领域中，码垛机器人技术在解决劳动力不足、提高劳动生产效率、降低生产成本、降低工人劳动强度、改善生产环境等方面具有很大潜力[13]。

同时，国内外许多研究人员多年来一直致力于基于平行四边结构的研究，并不断优化。高等人[14]提出了2自由度平面并联机器手解空间的物理模型，系统地讨论了这种机器人的综合分类。刘等人[15]提出了用于汽车喷涂车间的2自由度三平行四边形平面并联机器手，讨论了获得机械手最大动作空间和稳定性的方法，如图2。刘等人[16]讨论了表示平面5R对称平面并联机器手性能图示和优化设计问题。国外，为提高码垛机器人效率和运动学性能，Nory Afzan Mohd Johari[17]等人提出了多臂码垛机器人，采用多目标分层序列法对堆垛机的加速工作性能、联合驱动力和堆垛轨迹进行了优化。

3.研究问题

以上为基于平行四边形并联机构实现机械臂运动同时保持Z轴姿态在工业上的应用。工业上要求码垛机器人具有高效率、承载能力强的特点。在3D打印上，则要求机械臂满足上述特点的同时，要求机械臂轻量化、具有高精度、优良的运动学性能。因此，优化3D打印机械臂平行四边形结构，得到机械臂最优结构的尺寸、角度等参数，才能使机械臂3D打印机呈现出良好的运动性能。