基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析.pdf

基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析.pdf

《基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析.pdf（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析1基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析学院：

机械工程学院班级：

13011s指导老师：

毕德学组长：

13062109孙明哲小组成员：

13013321张国威13012126张文文1301s228梁萌1301s130王小灿日期：

2016年5月9日基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析2摘要Delta型3D打印机是由固定平台、末端喷头以及连接在两者之间的3条运动链构成，每条运动链由移动副和球副组成的空间平行四边形机构构成，是典型的并联、闭环机构。

它的自由度有3个，分别是沿x、y、z轴的平移。

它有着结构简单，打印速度快，3轴精度一致，组装零件少等特点。

本文以Delta型3D打印机为研究对象，利用SolidWorks与MatLab组件围绕其具体机构、运动参数展开研究，具体内容包括：

（1）机构运动学简图与自由度计算；

（2）建立几何学三维建模：

针对使用要求，设定设计参数，对打印机各部分进行设计，并利用SolidWorks软件进行建模。

（3）建立运动学模型；利用D-H参数法，建立各支链齐次变换矩阵，对于各支链联立求解得到3D打印机结构逆运动学解，并利用MatLab软件solve函数反求正运动学表达式，最终得出雅克比矩阵。

（4）轨迹规划；通过预设轨迹，利用SolidWorksMotions组件与基于逆运动表达式的MatLab函数，得到驱动关节的路径、时间历程、速度曲线等。

（5）基于SimMechanics组件仿真：

利用MatLabSimulink中SimMechanics组件对机械结构进行动力学仿真。

关键词关键词：

Delta型3D打印机，D-H参数法，SolidWorksMotions，SimMechanics。

基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析3目录第一章绪论.11.13D打印基本概念及及其发展历程.11.1.13D打印概述及原理.11.1.23D打印机的发展历程.11.2论文的主要工作.1第二章Delta型3D打印机机构运动简图与自由度计算.22.1Delta型3D打印机机构运动简图.22.2Delta型3D打印机自由度计算.3第三章基于SolidWorks的Delta型3D打印机三维建模.33.1Delta型3D打印机参数设计：

.33.2Delta型3D打印机整体设计：

.33.2.1Delta型3D打印机滑块设计.33.2.2Delta型3D打印机联臂设计.43.2.3Delta型3D打印机机架设计.53.3Delta型3D打印机装配.6第四章基于D-H的运动学模型建立.74.1Delta型3D打印机D-H参数计算：

.74.1.1D-H方法介绍：

.74.1.2Delta型3D打印机连杆坐标系建立：

.74.1.3Delta型3D打印机参数表及变换矩阵：

.74.2Delta型3D打印机逆运动学计算：

.114.2.1Delta型3D打印机逆运动学求解：

.114.2.2Delta型3D打印机逆运动学解：

.134.3Delta型3D打印机正运动计算：

.144.4Delta型3D打印机雅克比矩阵：

.14第五章轨迹规划.155.1轨迹规划概念.155.2基于SolidWorksMotion的轨迹规划.155.2.1模型建立.155.2.2直线路径规划.16基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析45.3基于MatLab的轨迹规划.165.3.1matlab分析流程.165.3.2圆形路径规划.16第六章基于SimMechanics的运动学与动力学仿真.206.1SimMechanics简介.206.2SimMechanics建模.206.2.1SimMechanics建模过程.206.2.2SimMechanics建模结果.21参考文献.22附录.23附录一：

基于D-H法的齐次变换矩阵MatLab求解：

.23附录二：

正运动学解：

.25附录三：

轨迹规划MatLab函数：

.26附录四：

轨迹规划MatLab主程序：

.27基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析1第一章绪论1.13D打印基本概念及及其发展历程1.1.13D打印概述及原理3D打印（英语：

3Dprinting），属于快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术（即“积层造形法”）。

3D打印机采用三维设计，即先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。

在打印过程中，打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。

3D打印技术由于采用积层造形法，因此加工方式与传统技术迥然不同，相对于传统技术，3D打印技术具有如下特点：

（1）大幅减少了材料浪费；

（2）制造出传统生产技术无法制造出的外形；（3）简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品。

（4）不需要在工厂操作，桌面打印机可以打印出小物品。

（5）产品更加精细轻盈，重量减轻并且同样坚固。

1.1.23D打印机的发展历程3D打印思想起源于19世纪末的美国，当时美国研究出了的照相雕塑和地貌成形技术，随后产生了打印技术的3D打印核心制造思想。

2004年，在英国巴斯大学任教的阿德里安博士萌发了研究自我复制3D打印机的想法，最初的设计目的是为了一个很科幻的目的，不停的复制它自己，快速复制原型。

2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

2013年5月，世界第一支3D打印的手枪测试成功，主体部分完全用塑料制造。

2015年3月中国首台3D打印“土豪金”概念汽车面世,“土豪金”色车身部分是运用复合材料3D打印而成.3D打印技术自传入我国起，一直深受国内广大科研工作者的高度重视。

从3D打印设备到打印材料研发，以及3D打印与传统成形相结合的复合成形技术，国内都有深入的研究。

如今，3D打印的节材、节能技术特点高度契合我国的可持续发展战略。

因此，国内近期持续掀起3D打印热，许多企业，甚至地方政府也都纷纷踏足到3D打印产业中。

1.2论文的主要工作本文以Delta型打印机为研究对象，利用SolidWorks、MatLab等软件对其进行建模，并进行运动学分析。

本文的主要研究内容包括：

1）通过查阅大量的网络资料，对3D打印机进行深入了解，明确3D打印在国内外的研究现状，并针对基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析2Delta型打印机的设计理论进行深入了解。

2）利用SolidWorks软件对Delta型打印机进行三维建模，明确打印机各部分结构。

3）对Delta型打印机进行正、逆运动学分析，并设计路径进行路径规划。

4）利用MatLab，Simlink与SimMechanics组件对Delta型打印机进行运动学与动力学模型仿真。

第二章Delta型3D打印机机构运动简图与自由度计算2.1Delta型3D打印机机构运动简图Delta型3D打印机机构是一种3自由度平动机构图2.1Delta型3D打印机机构由图2.1所示可以看出，Delta型3D打印机机构由固定平台，3个相同的运动支链以及一个移动平台构成。

每个运动支链包括一个移动副，一个由4个球副构成的空间平行四边形机构。

由于多个平行四边形对机构产生冗余约束，为了方便计算，将平行四边形机构简化，得图2.2。

图2.2Delta型3D打印机机构运动简图（其中CFBEAD）基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析32.2Delta型3D打印机自由度计算简化后由图2.2可得3D打印机有8个连杆（包括机架）；9个关节（包括6个球销副，3个移动关节）；由自由度计算公式iFnlF16可得：

315198616iFnlF）（第三章基于SolidWorks的Delta型3D打印机三维建模3.1Delta型3D打印机参数设计：

预先设定喷头工作范围为mmmm3501802。

由此设计联臂长为220mm，底部三角形内接圆半径为160mm，喷头三角形内接圆半径为32.5mm，滑块到连接件长度为32mm，考虑受力以及空间布置，设计两联臂距离为47mm。

3.2Delta型3D打印机整体设计：

3.2.1Delta型3D打印机滑块设计考虑到3D打印机在精度上要求高，故采用光轴加线轴承方式限制滑块在一个方向上的移动。

考虑到移动时受x、y方向力不大，故选用直径为8mm的光轴以及配套线轴承。

由内径为8mm，采用LM8UU型号线轴承，其外径为15mm。

由线轴承尺寸确定滑块件尺寸如下：

图3.1滑块件设计图图3.2滑块件三维建模图由打印高度要求为350mm，取光轴长度为500mm，采用用两个支架固定光轴的方式来确定光轴位置。

基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析4图3.3光轴支架设计图图3.4光轴支架三维建模图3.2.2Delta型3D打印机联臂设计由于3D打印机联臂两端为球副，故采取如下设计。

图3.5联臂设计图图3.6联臂三维建模图图3.7球副设计图图3.8球副三维建模图基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析53.2.3Delta型3D打印机机架设计由于3D打印机在工作时受力不大，故在机架方面采用注塑三角块与欧标铝型材连接。

考虑到连接的稳定性与经济性，采用顶部一层架子，底部两端架子，使重心靠下并坐落于底座三角形重心轴上。

由于立柱实际支撑质量不大，故选用截面边长为20mm的欧标铝型材。

由5503503253216022022）.（L，设计竖直方向连接铝型材高度为700mm，由底部三角形内接圆半径为160mm，设计底部连接铝型材长度为240mm图3.9上角架设计图图3.10上角架三维建模图图3.11下角架设计图图3.12下角架三维建模图基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析63.3Delta型3D打印机装配采用solidworks软件对所绘零件进行装配：

图3.13整体三维装配图基于SolidWorks与MatLab组件的Delta型打印机的建模与运动分析7第四章基于D-H的运动学模型建立4.1Delta型3D打印机D-H参数计算：

4.1.1D-H方法介绍