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

1、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

2、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

3、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 SolidWorks Motions 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 MatLab Simulink 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，SolidWorks Motions，SimMechanics。基于 SolidWorks 与 MatLa

4、b 组件的 Delta 型打印机的建模与运动分析 3 目录 第一章 绪论.1 1.1 3D 打印基本概念及及其发展历程.1 1.1.1 3D 打印概述及原理.1 1.1.2 3D 打印机的发展历程.1 1.2 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.2 2.1 Delta 型 3D 打印机机构运动简图.2 2.2 Delta 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.3 3.1 Delta 型 3D 打印机参数设计：.3 3.2 Delta 型 3D 打印机整体设计：.3 3.2.1

5、Delta 型 3D 打印机滑块设计.3 3.2.2 Delta 型 3D 打印机联臂设计.4 3.2.3 Delta 型 3D 打印机机架设计.5 3.3 Delta 型 3D 打印机装配.6 第四章 基于 D-H 的运动学模型建立.7 4.1 Delta 型 3D 打印机 D-H 参数计算：.7 4.1.1 D-H 方法介绍：.7 4.1.2 Delta 型 3D 打印机连杆坐标系建立：.7 4.1.3 Delta 型 3D 打印机参数表及变换矩阵：.7 4.2 Delta 型 3D 打印机逆运动学计算：.11 4.2.1 Delta 型 3D 打印机逆运动学求解：.11 4.2.2 De

6、lta 型 3D 打印机逆运动学解：.13 4.3 Delta 型 3D 打印机正运动计算：.14 4.4 Delta 型 3D 打印机雅克比矩阵：.14 第五章 轨迹规划.15 5.1 轨迹规划概念.15 5.2 基于 SolidWorks Motion 的轨迹规划.15 5.2.1 模型建立.15 5.2.2 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 4 5.3 基于 MatLab 的轨迹规划.16 5.3.1 matlab 分析流程.16 5.3.2 圆形路径规划.16 第六章 基于 SimMechanics 的运动学

7、与动力学仿真.20 6.1 SimMechanics 简介.20 6.2 SimMechanics 建模.20 6.2.1 SimMechanics 建模过程.20 6.2.2 SimMechanics 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 1.1 3D 打印基本概念及及其发展历程 1.1.1

8、 3D 打印概述及原理 3D 打印（英语：3D printing），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

9、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。1.1.2 3D 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

10、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，

11、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 2 Delta 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

12、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 2.1 Delta 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 2.1 Delta 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

13、，为了方便计算，将平行四边形机构简化，得图 2.2。图 2.2 Delta 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 3 2.2 Delta 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 3.1 Delta 型 3D 打印机参数设计：预先设定喷头工作范围为m

14、mmm3501802。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。3.2 Delta 型 3D 打印机整体设计：3.2.1 Delta 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.

15、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 3.2.2 Delta 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 5 3.2.3 Delta

16、 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 6 3.3 Delta 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 4.1 Delta 型 3D 打印机 D-H 参数计算：4.1.1 D-H 方法介绍