浙江大学3D创客中心 Make It Possible

Animaris ordis parvus——风行海滩姬兽

 by 工程训练加强(乙) 第五组 佘垒+金涛+卢俊廷+程鑫(风力兽)

 

    上课前,老师拿来了很多十分有特色的机械玩具,如投石机、风行海滩姬兽、蜘蛛、车弩等,这些机械玩具里面涉及了很多关于机械设计分析的有关知识,十分考验学生机械整体分析的水平和能力。虽然其他机械玩具的也很富有特色,但是当我们一看到风行海滩姬兽在电风扇的驱动下开始自动的缓缓前行时,我们就被震撼到了,如此精妙且富有天才性质的机械玩具立马征服了我们,能够把连杆机构的应用发挥的如此巧妙和有趣,这的确令人感到惊叹。所以我们决定去逆向分析这件风行海滩姬兽,并且以3D打印的手段实现他的复制。

    Animaris ordis parvus(风行海滩姬兽)是发明家Theo Jansen 创造的机械生命,利用风力驱动、纯粹以机械传导来使机械体以步行的方式运动。Animaris 属之下有多个物种,其中Animaris ordis (英文名Strandbeest,滩涂兽/海滩动物)是较为著名的物种之一。之后日本人开发出了该物种的小型亚种,亚种名parvus是“小”的意思,鸟类命名中常用“姬”这个字表示小,因此我手头这只就命名为风行海滩姬兽 (Animaris ordis parvus)。我们的任务是将其拆分,并测量相关数据,再用solidwords将其零件逐一画出并二倍放大,同时根据加工条件和3D打印机的特点将部分零件优化,最后用3D打印进行制造,拼装出一个全新的大型风行海滩姬兽。

 

    风行海滩姬兽由躯体、足和动力系统三部分组成,躯体包括8个大三脚架和两个长轴,足包括24个小三脚架(分两种,各12个)和48个连杆组成(分4种,各12个)利用风力驱动、纯粹以机械传导来使机械体以步行的方式运动,基本上它由躯体、足和动力系统三部分组成,主要的机构是齿轮传动和四连杆传动,齿轮传动负责将动力输入到机械内部,是动力系统;躯体作为整个机械的支撑结构,有中间的三角支架和传动抽构成,传动轴的动力输出是120°平面对称的,所以可以控制三排足;实现分步运动;12对足是由四连杆机构组合而成,分步运动实现姬兽的行走。

    姬兽的设计制作是高度模块化的,三位建模过程虽然复杂,但是不是整个项目实施的最大难点,本项目的最大难点是实现整体装置的高度有效配合,不能有很大的装配误差,这样会带来很大的运动阻力,结果根本实现不了装置的运动,这就对3D打印的精度提出了很大的要求,如果3D打印的精度不高,那么精细的连杆传动就无法完成。此外整个装置的零件十分微小繁杂,对3D打印的速度要求很高,能否在两天内完成任务是一件很困难的事情。

 

    风行兽的运动原理分析并不复杂,在逆向分析中难度不大,重点是加工的实现。我们分析过整个风行兽的零件,他的零件又很多结构是与运动结果毫无联系的,而是和机构的强度和美观度有关,但是这些设计的部分加大了逆向加工的难度,由于3D打印技术的局限性,利用3D打印技术不仅不能实现这些设计的原有功能,还会影响机构其它部分的正常运作,更会影响加工精度和加工效率,所以我们在原设计的基础上做了很多的简化处理。

    比如下图所示的连杆其中间的连杆结构完全不必向原来的结构那样,采用圆柱杆件或者T形杆件,只要普通的方形杆件就可以实现运动,如果用3D打印,圆柱结构的加工会降低精度、提高难度,所以最好不考虑。强度上由于整个机构的运动较为缓慢,对杆件的强度要求不高,所以我们忽略强度因素的影响,只专注于实现运动,那么这样就大大简化了设计和加工难度。按照这种处理思想我们重新在原来的设计的基础上对风行兽进行三维建模。

    我们简化的结果还包括中心三脚架,它属于叉架类零件,由于其打印过程中需要很多支撑面,这样会有很长的加工时间,所以我们将支架分开,分部分加工,再设计配合机构将其组合起来,同样实现功能,却在加工上大大简化了过程。另外,为了实现连杆结构的完美配合传动,我们将原设计的尺寸放大一倍,这样就可在一定程度上降低对打印机的精度要求,也在一定程度上降低了加工难度。

    至于传动中需要的很多精细的齿轮器件,3D打印根本无法完成,就算打印出来,精度也很低,所以我们在实验室寻找一些标准的器件代替,考虑到尺寸加大一倍,体积变为8倍,这样的大家伙需要比较大的输入动力,但是我们的加工精度有限,四连杆机构的传动本来就比较困难,这样我们备选方案是以电机驱动代替风力驱动。

    本次逆向的关键用具是3D打印机,我们组现有的两台UP型号的打印机远远不够加工我们所有需要的所有零件,而且由于加工尺寸的问题,部分大型的零件无法用其加工,只能动用其他的打印机。此外我们需要的工具还包括磨钻、剪钳、刀具等,作为加工材料的后续处理,解决一些加工上的误差。

 

结果分析
    组装的时候,转动副的配合有时不能一次实现准确的配合,由于设计时有考虑余量,因此往往需要经过大磨才能实现准确配合。机构整体是由若干节组成的,组装时先将一个节组装好,进行测试,转动主轴,足能够正常运动。再将若干节拼接起来,组成完整的结构,转动主轴,整体能够正常运动,说明结果测试成功。

问题和解决方案
    (1)三角架躯干的三个顶点处有较长的轴,打印时花费在支架打印上的时间太长。如图所示。为了节约打印支撑架的时间,绘图时,将三角架和轴分开打印,再将轴装配上去。

    这样一来,所需要打印的支撑架高度就大大减少,从而节省了时间,但是需要打印较多的轴,一共有8个三角架,需要打印24个轴,而且轴和三角架之间的装配要准确到位。打印轴的时候,若一台打印机上同时打印太多的轴,也会使得打印时间偏长,因此在打印其余零件的时候,顺便在每台打印机上加载一两个轴,这样将打印任务分开可以节约时间。
    (2)在打印上述24个轴的过程中,对于需要准确装配的轴类零件,无法以圆柱面作为打印支撑面,因为若以圆柱面作为打印支撑面,会使得圆柱面的尺寸受到影响,难以准确装配,以轴的端面为支撑架,由于轴的高度相对较高,在打印到一定高度时,支撑架容易翘起,造成零件移位,无法正常完成打印。在打印一些细长杆件时也容易出现支架翘起的情况。分析原因,是由于打印机的底盘没有调整至完全水平,在材料的冷却过程中,两件的微小形变和位移导致了支撑架翘曲。因此需要反复将喷头移至四个角,调整底盘保证水平,另外,底盘上的余料没有铲除干净也可能造成零件翘起。
    (3)机构的主轴是测绘和打印最麻烦的零件,它由三个互相成120度的扁平柱体构成。在测绘时,由于没有考虑旋向的问题,绘制出的零件和实际零件看上去一样,实际上由于三个部分旋向和实际不一致,绘制出的零件和实际零件有差别。这说明在测绘零件时一定要仔细观擦零件的结构,保证测绘的准确。主轴贯穿整个机构,而且经过两倍的放大,在UP系列上无法完成打印,需要采用Delta打印机。打印时,若以轴的端面为打印支撑架,会导致打印过程中失稳,无法完成打印,因为侧面的光滑度对装配没有影响,不影响机构的运动,因此将打印支撑面设在侧面。


    (4)3D打印的过程中,合理选择层片的厚度可以提高打印的效率。对于有装配要求的精细结构,层片厚度应设为较小,对于无装配要求的结构,如轴类结构,层片厚度可以大一些,以减少打印时间。
    (5)由于将尺寸放大了一倍,原有的齿轮不能满足配合要求,驱动系统的齿轮传动须根据圆心距自行设计模数和齿数。另外,结构放大,各处的摩擦力也增大,初次装配好之后,风力无法驱动结构的移动,需要对配合部分打磨光滑,减小摩擦损耗。

 

请看一下我们辛苦结晶:点击看视频 

 

心得体会

    下面我对这次逆向工程项目的整个过程进行一下总结。如果要用一个词形容这次经历的话,我选择“刻骨铭心”。

    之前听做过的同学讲,逆向工程项目是比较轻松的,无非从网站下载一些模型,然后稍作修改,就可以打印出满意的作品了,关键在于体验。所以,说实话我是抱着轻松惬意的心态来到3D打印实验室的。然而事情的发展出乎了我的想象。

    选材阶段,我们并没有急着去网上找资源,而是被一个模型玩具吸引了注意力——那是一个叫做风行海滩机兽的机械机构,设计十分巧妙,仅仅凭借一些零件之间角度以及转轴的配合,就能在风力的驱动下横向移动。。最终,我们决定利用逆向工程技术,将它完美复制出来!

    然而没有料到,一开始我们就遇到了难题——机兽的零件太小,如果直接用扫描技术成像的话,很可能造成一些细微部分零度不够(而这些部分大多为互相配合的部分,对精度有较高要求)。于是我们不得不改变计划,用solidworks来绘制零件的三维图。

    经过分工,由包括我在内的三个人在一个下午完成零件图的绘制任务,这对于solidworks零基础的我来说是一个巨大的挑战。我在不断的失败、摸索、查阅参考书、请教中煎熬,唯一让我感到安慰的是,我的solidworks熟练程度飞速提升,到了后来完全可以自主操作了。但是由于零件多,结构比较复杂,我们在实验室无法完成,我们只好决定去北街咖啡店刷夜。现在回想,当时我们的内心几乎是崩溃的。

    一晚的努力过后,我们满载着设计图来到实验室,正式开工。没想到,真正操作起来,更多的问题接踵而至。

    首先,在打印零件的过程中,我们意识到我们的设计存在严重问题:3D打印机的工作方式是如果零件有悬空结构,那么必须先在下面打印出支撑部分。而我们设计的零件有很多悬空结构,举个例子:有一类三角形零件,在三个定点处有三个固定轴上下凸出。这种零件要一次成型打印的话,就需要先做很多支架,导致一个不大的零件要加工三个小时之久。于是经过思考,我们对零件设计进行了优化,将较高的轴体与三角平面部分分开打印,在通过类似插槽的设计将两者配合在一起。结果是很理想的,加工时间缩短到40几分钟,极大地提高了效率。
    另外,我们还发现,调平是加工前一项非常重要的准备工作,如果不注意,会出现严重问题。例如有一次可能由于之前拿出垫板时动作较大改变了平衡,打印前又没有调平,导致零件在加工过程中一端翘起,最终整个都报废了。可见调平之重要。
    当然,在实际操作中,我也积累到一些经验。在加工精度要求比较高、尺寸比较小的零件时,可以选用0.20的精度,零度要求不高,体积较大的零件,则要选用0.25甚至0.30的精度。另外,支撑的角度选择也是一门学问,角度越大,支撑越平稳,相应的用时也最长。
    总之,有种感觉叫做“痛并快乐着”,形容这次逆向工程的体验再合适不过。虽然过程很漫长,碰到困难时很痛苦,但是相比而言,得到的收获是更多的。我用最短的时间掌握了solidworks,更零距离地解除了3D打印这一新技术,对逆向工程这一概念有了更深入的理解和思考。这些都是本次小学期里最宝贵的财富。
    最后,感谢老师两天来的耐心指导和大力支持,是您的督促与鼓励让我坚持下来,您辛苦了!

 

Tags: 3D打印

发布: maker 分类: maker经验 评论: 0 浏览: 3
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