Delta型3D打印机结构设计

目录 毕业设计(论文)任务书 . I Delta 型 3D 打印机结构设计开题报告 . III 毕业论文(设计)指导教师审查意见 . X 毕业论文(设计)评阅教师评语 . 毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定 . 中文摘要 . 1 英文摘要 . 2 第一章 绪论 . 3 1.1 前言 . 3 1.2 选题背景 . 3 1.3 国内外现状 . 3 第二章 方案论证 . 8 第三章 结构设计 . 10 3.1 工作原理 . 10 3.2 3D 打印机整体尺寸计算 . 12 3.3 rostock 运动机构设计 . 13 3.4 传动方案设计 . 14 3.5 挤出装置设计 . 17 3.6 电机的选择 . 18 3.7 传感器的选择 . 20 第四章 运动学仿真 . 23 4.1 Delta 型 3D 打印机结构设计的相关技术 指标 . 24 4.2 三维模型预处理 . 24 4.3 数学建模 . 24 4.4 打印机工作空间的验证 . 27 4.5 运动精度的验证 . 28 4.6 步进电机步距角和同步带节距的验证 . 28 4.7 喷嘴最大移动速度的验证 . 29 4.8 步进电机额定扭矩的验证 . 29 4.9 小结 . 32 参考文献 . 34 致谢 . 37 毕业设计( 论文 )任务书 1. 毕业设计(论文)题目：Delta 型 3D 打印机结构设计2毕业设计（论文）起止时间： 2015 年 3 月 12 日 2015 年 6 月 5 日 3毕业设计 (论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分） 毕业设计所需资料：1) 三维打印机 ZPr inter 310 系统 Z 向升降台的结构设计 2) 3D 打印机设计的初步分析 3) 冯李航,张为公,龚宗洋,林国余,梁大开. Delta 系列并联机器人研究进展与现状J. 机器人,2014,03:375-384. 4) 李艳杰. Delta 型并联机构优化设计技术研究 D .东北大学,2012. 5) 郭新宇. 3 自由度 Delta 并联机构的特性分析与 运动仿真D .河北工程大学 ,2013. 6) 黄海忠. DELTA 并联机器人结构参数优化与运动控制研究D .哈尔滨工业大学 ,2013. 原始数据： 3D 打印机相关参数 4毕业设计 (论文)应完成的主要内容 1) 查阅参考文献 2) 撰写开题报告 I 成形尺寸(直径、高 mm) 直径 200、高 300运动精度（mm） 0.2最大移动速度（mm/s） 60耗材直径（mm） 1.75打印材料 ABS 塑料3) 4) 5) 6) 三臂并联结构设计与计算 打印机其他部件设计 三臂并联结构运动仿真分析 撰写毕业设计论文 5毕业设计 (论文)的目标及具体要求 正文：字数不少于 1.2 万字或 1.2 万字篇幅的内容毕业设计(论文 ;阅读与研究课题有关的有代表性的参考文献资料 15 篇以上. 绘图要求 :（ 1）Delta 型结构总图 1 张 （ 2）零件图 4 张6、完成毕业设计 (论文)所需的条件及上机时数要求 完成该毕业设计要求学生具有较强的设计、计算能力，并需自学 Solidworks、ADAMS等工程软件。需上机 120 学时. 任务书批准日期 2015 年 3 月 7 日教研室(系) 主任(签字)任务书下达日期 2015 年 3 月 10 日 指导教师(签字)完 成 任 务 日 期 年 月 日 学生（签名）II Delta 型 3D 打 印机结构设计开题报告1 题目来源 生产/社会实际 2 目的和意义 快速成形技术或快速原型技术（Rapid Prototyping Manufacturing，RPM ）一般统称为 3D 打印技术，是近年来制造领域的一个重大成果，该技术诞生于 20 世纪 80 年代后期，是基于材料堆积法的一种先进的制造技术。RPM 技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型，或直接制造零件目前，3D 打印技术已经广泛应用于航天、航海、国防、医疗、建筑等各个领域。本文设计了一款Delta 型 3D 打印机即基于三臂并联结构的桌面微型 3D 打印机。把工业用的并联机械手搬到普通家庭的桌面上，让其实现三维打印，让我们不需要花很高的成本去买专业级别的 3D 打印机。我们有时候想制作出一些模型来观察和实验，不需要很高的精度，只是需要速度。我们使用 Delta 型并联机械手臂来实现 3D 打印，能保证一定的精度和速度，如果能制作出这样的 3D 的打印机，很多工程师都可以将自己的设计打印出来。3 阅读的主要参考文献及资料名称 1 栗洋. 三自由度并联机构的运动分析及其仿真D .北京邮电大学,2007. 2 王建亮. 新型三自由度可控机构创新设计D. 广西大学,2013. 3黄海忠. DELTA 并联机器人结构参数优化与运动控制研究 D.哈尔滨工业大学,2013. 4王海东. 并联机器人机构构型与性能分析D .燕山大学,2001. 5施建. 连杆驱动式 9 自由度 3 指灵巧手的结构设计与性能研究D.燕山大学,2003. 6 金振林. 新型六自由度正交并联机器人设计理论与应用技术研究D .燕山大学 ,2002. 7郜峰. 3-DOF 平动正交并联机器人的性能分析与研究D.燕山大学,2010. III 8周兵,杨汝清. 3 自由度平动并联机构结构参数的优化J. 机械设计与研究, 2002,05:25-27.9张利敏,梅江平,赵学满,黄田. Delta 机械手动力尺度综合J. 机械工程学报,2010,03:1-7. 10冯李航,张为公,龚宗洋,林国余,梁大开. Delta 系列并联机器人研究进展与现状J. 机器人,2014,03:375-384. 11黄秀琴. 新型并联机器人机构结构特性及运动学研究D.西安理工大学,2005. 12王朋. 新型六自由度并联机器人工作空间研究D .西安建筑科技大学,2006. 13冯志友,李永刚,张策,杨廷力. 并联机器人机构运动与动力分析研究现状及展望J. 中国机械工程,2006,09:979-984. 14汪 劲松,关 立文,王 立平,李 铁民. 并联 机器人 机构构型 创新设 计研究 J. 机械工 程学报,2004,11:7-12. 15吴生富,王洪波,黄真. 并联机器人工作空间的研究J. 机器人,1991,03:33-39. 16刘善增,余跃庆,佀国宁,杨建新,苏丽颖. 3 自由度并联机器人的运动学与动力学分析J. 机械工程学报,2009,08:11-17. 17侯国柱. 关节型机器人的结构设计及其运动学分析D.内蒙古工业大学,2007. 18梁香宁. Delta 机器人运动学建模及仿真D .太原理工大学 ,2008. 19 王攀 峰,梅 江平 ,黄 田. 高速 并联 机械 手抓 放操 作时 间最 优轨 迹规 划 J. 天津 大学 学报,2007,10:1139-1145. 20梁香宁,牛志刚. 三自由度 Delta 并联机器人运动学分析及工作空间求解J. 太原理工大学学报,2008,01:93-96. 21李艳杰. Delta 型并联机构优化设计技术研究D .东北大学 ,2012. 22郭新宇. 3 自由度 Delta 并联机构的特性分析与运动仿真D.河北工程大学,2013. 23刘海波. 基于 DELTA 机构的高速并联装箱机器人D.山东大学,2014. 24李耀斌. 三自由度并联机器人运动学分析D .天津理工大学,2010. 25许敏. 改进的 Delta 型并联机器人机构运动性能研究D.东北大学,2008. 26潘芳伟. 新型六自由度并联机器人运动学仿真D .西安建筑科技大学,2007. 27赵杰,朱延河,蔡鹤皋. Delta 型并联机器人 运动学正解几何解法 J. 哈尔 滨工业大学学报,2003,01:25-27. IV 28 杭 州 铭 展 网 络 科 技 有 限 公 司 . 一 种 便 携 移 动 式 小 型 3D 打 印 机P.CN201420149565.1.2014-9-10. 29A.K.Shmakov,E.I.Unagaev,I.V.Kolmogortsev,S.A.Osipov,V.V.Kotov.ComputerModeling,VolumePrototyping,andNon-contactOpticalScanninginanIntegratedTechnologyforPre-productionCasting.TrialUseJ.Metallurgist,2014,585-600. 30Alain Colourey,DynamieModeling and Mass Matrix Evaluation of the Delta Parallel RobotforAxes Decou Pling ControlCI,Proe.IROS1996:1211-1218. 31A.Kosinska,M.Galicki,K.Ked ,DesignandoptimizationofParametersofDEIJA4parallel manipulatorforagivenworkplace,J.Robot.Syst.2003,20(9):539-548. 32FieherEF,AStewartPlarform-BasedManiPulat or:GeneralTheoryandPraetiealConstruetion,Int.JofRobotRes.1986:157.182. 33MerletJP,C-SurfaeeAppliedt otheDesignofanHybridForee-PositionRobotController,INRIAResearehRePort,1987:1055-1059. 34FieherEF,AStewartPlarform-BasedManiPulat or:GeneralTheoryandPraetiealConstruetion,Int.JofRobotRes.,1986:157.182. 35MerletJP,C-SurfaeeAppliedt otheDesignofanHybridForee-PositionRobotController,INRIAResearehRePort,1987:1055-1059. Jinsong19,Xin-JunLiu,Analysisofanoveleylindrieal3-DOFParallelrobotJ,RobotiesandAutonomousSystems,2003,42:31-35. 36GraeeKW,ColgateJE,A6-DofMiero-maniPulatorforOPhthalmieSUrgery,IEEEConf.Rot&Aut,1993:630-635. 37GOSSELINC, The optimum kinematic Design of a planar three-degree-of-freedom parallel manipulatorJ.Journal of Mechanisms, Transmissions and Automati on in Design, 1988, 110(3)：35-41.38 LEEKM, SHAHD Dynamic analysis of a three-degrees-of-freedom in-parallel actuatedmanipulatorJ. IEEE Journal of Robotics and Automation, 1988, 4(3)：361-367.4 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方 向4.1 国内研究现状自 20 世纪 90 年代以来，国内多所高校开展了 3D 打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、 FDM 工艺等方面都有一定的科研优势；华中V 科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了 HRP 系列成型机和成型材料；西 安交通大 学自主研 制了三维打 印机喷头， 并开发了光 固化成型系 统及相应成 型材料，成型精度达到 40.2mm；中国科技大学自 行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用；北京航天航空大学、湖南大学等高校已经研发出了激光 3D 打印机用来打印钛合金等金属制品。但总体而言，国内 3D 打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。近年来，国内企业已实现了 3D 打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立，规模较小，产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前，国产 3D 打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口 3D 打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比，我国港台地区 3D 打印技术引入起步较早 ，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。 4.2 国外研究现状经过十多年的探索和发展，3D 打印技术有了长足的进步，目前已经能够在0. 01mm 的单层厚度上实现 600dpi 的精细分辨 率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时 25 mm 厚度的垂直速率，并可实现 24 位色彩的彩色打印。 目前，全球 3D 打印机行业，美国 3D Systems 和 Stratasys 两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的 FabHo me 和Shapeways、英国的 Reprap 等。 3D Systems 公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于 2011 年 11 月收购了 3D 打印技术的最早发明者和最初专利拥有者 Z Cor poratio n 公司之后，3DSystems 奠定了在 3D 打印领域的龙头地位。 Stratasys 公司 2010 年与传统打印行业巨头惠普公司签订了 OEM 合作协议，生 产 HP 品牌的 3D 打印机。继 2011 年 5 月收购Solidscape 公司之后， Stratasys 又 于 2012 年 4 月与以色列著名 3D 打印系统提供商Objet 宣布合并。当前，国际 3D 打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。在国外，美国“太空制造公司”联手美国太空总署马歇尔航天VI 中心已能为太空空间站提供空间站所需的各种金属装备和金属零部件。 目前在欧美发达国家，3D 打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域， 3D 打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型。另外， 3D 打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司 Quirk y 通过在线征集用户的设计方案，以 3D 打印技术制成实物产品并通过电子市场销售，每年能够推出 60 种创新产品，年收入达到 100 万美元。 4.3 发展趋势和主攻方向根据国际快速制造行业权威报告Wohlers Rep ort 2011发布的调查结果，全球 3D 打印产业产值在 19882010 年间保持着 26 .2%的年均增长速度。报告预期，3D打印产业未来仍将持续较快地增长，到 2016 年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到 31 亿美元，2020 年将达到 52 亿美元但 3D 打印技术要进一步扩展其产业应用空间，目前仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有 3D 打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前 3D 打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前 3D 打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远 不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面， 3D 打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。Gartner 公司 2011 年 发布的最新技术发展展望报告判断： 3D打印技 术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。Gar tner 公司研究人员认为，3D 打印技术成熟到适应市场需求还将需要 510 年的时间。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望 落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。 总之，从中长期看来 3D 打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于 3D 打印市场规模 的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对 3D 打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重VII 视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。 Delta 型 3 D 打印机是一种并联式运动结构的 3D 打印机，其运动机构分为两种，一种是 ro sto ck 运动结构，另外一种是工业上用的并联机械手臂 。对于前一种的研究主要偏向于实际应用，现在市场上的 3D 打印机都采用本结构。而后一种的研究偏向于参数化设计、运动学仿真、动力学分析等理论分析，本课题研究的是进行设计，设计出具有实用价值的 Delta 型 3D 打印机。本课题的主要方向是对 Delta 型 3D 打印机的喷头运动机构即三臂并联结构 5 主要研究内容、需重点研究的关键问题 及解决思路本课题在现有 3D 打印机的基础上对其进行结构参数优化研究。为实现 3D 打印机的轻负载、高精度、快速的作业要求，本课题涉及了并联机械手臂的运动学、动力学、工作空间、结构参数优化、轨迹规划等方面的研究。其中结构参数优化、轨迹规划和工作空间是保证机器人高速、高精度运动的基础，是本课题的研究重点。本文研究的主要内容如下： ( 1)结构参数优化设计 以运动精度和速度为约束条件，用运动仿真法分析末端执行器的速度的 ，分析获得较优的结构参数；(2 )仿真分析验证 对三臂并联结构的的结构参数进行分析，用 So lidWorks 创建三维模型，用 Adams 进行运动学仿真并验证结构参数是否满足给定要求。6 完 成毕业设计所必须具备的工作条件及 解决的办法完成本毕业设计的必备条件有两个： （ 1）理论部分：要具备解析几何、代数几何、优化算法等方面的知识以求三臂并联结构的 结构参数等。（ 2）软件部分：用 Solid Works 和 Adams 对三臂并联结构进行仿真，以便对其运动学进行分析并检验 设计参数的正确性和准确性。最后用 AutoCAD 绘制零件图和装配图。 VIII 7 主 要阶作段、进度与时间安排第 1- 3 周： 搜集整理并认真阅读课题相关的中文及外文文献，对设计过程制定确切的计划，撰写开题报告； 第 4-6 周： 完成打印机的结构设计; 第 7-8 周： 用 Solid Work 和 Adams 对三臂并联结构进行仿真，以便对其运动学进行分析并检验设计参数 的正确性和准确性。第 9-10 周： Auto CAD 绘制零件图和装配图。 第 11-12 周：编写和整理毕业设计论文并准备毕业答辩。 8 指导教师审查意见IX 毕业论文(设计)指导教师 审查意见学生姓名 专业班级 毕业论文 (设计)题目指导教师 职 称 评审日期评审参考内容：毕业论文 (设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌 握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。 评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分 X 毕业论文(设计) 评阅教师评语 学生姓名 毕 业 论 文(设计)题目 评阅教师 职 称专业班级 阅日期 评阅参考内容：毕业论文(设计 )的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。 评语： 评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分 毕业论文(设计 )答辩记录及成绩评定 学生姓名 毕 业 论 文(设计)题目 答辩时间 时 专业班级 答辩地点 一、答辩 小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要 答辩小组 提问（分条摘要列举） 学生回答情况评判 三、答辩小组对学生答辩成绩的评定 （百分制）：_分 答辩小组评分和学校关于毕业论文 (设计)评分的相关规定) 答辩小组组长 (签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日 院(系)答辩委员会主任 (签名) ： 院(系)( 盖章) 毕业论文 (设计) 最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、 等级(五级制 )：_ 摘要 Delta 型 3D 打 印机结构设计学生： 指导老师：摘要 本论文根据相应的指标、参数在满足标准化型材的前提下对 Delta 型 3D 打印机进行机械 结构设计：Delta 型运动机构的设计与计算、同步带运动系统的选取与寿命计算、步进电机的选取与计算、传感器的选取。为了检验所设计的打印机能否满足所给定的参数要求 ，对打印机做运动学仿真 。仿真的内容分为两个部分：打印机的Z 轴运动仿真和打印机的三轴联动仿真。打印机的 Z 轴运动仿真是让一个步进电机运动，写入驱动函数 （step 函数）对步进电机进行控制。仿真后得到步进电机的步距角与同步带的位移间的对应关系，再结合所建的数学模型便可验证所设计的打印机是否满足 工作范围、运动精度的要求。对三个电机分别写入驱动函数进行仿真便可得到打印机喷头运动的最大速度与三个同步带运 动的速度，进而便可验证打印机的运动速度是否满足要求。三个同步带的运动速度可看出打印机整体运动的平稳性。由仿真所 得到的数 据计算得 出步进带动 负载运动所 需要的扭矩 进而验证 所选步进电 机是否满足要求。关键词 Delta 型 3D 打印机 结构设计 运动学仿真 参数验第 1 页（共 37 页） 123Delta 型 3D 打印机结构设计 Delta type 3D printer structural design student:instructor: abstractIn this paper, according to the correspond ing index, parameter profiles to meet standardizatio n premise Delta type 3D pr inters mechanical structure desig n: design and calcu lation of Delta-type movement mechanism, selection belt mo vement systems and lifetime calculation of them, selection stepper motor s and calculation o f its co rresponding parameter s , select the sensor. To test whether the pr inter desig ned can meet the g iven parameters required for the printer , kinematics simulatio n ar e do ne. Ssimulatio n content is divided into two portions: Z axis mo tion emulatio n and printer emu lation triaxial linkage emulation. Z-axis motion emulatio n only requir e a stepper motor work, input driving fu nctio n (step function) of the stepper moto r control. After simulating , measuring corresponding relatio nship between the disp lacement of the belt and stepper moto r step angle, then co mbining with the mathematical mo del which is built to ver ify if the printer which is designed can meet the sco pe of work, mo vement precisio n. Three mo tor driving fu nctio ns are written to simulate the speed o f the maximu m speed of the printer and three nozzle belt, then you can ver ify whether the mo vement speed of the pr inter meets the given r equirements. Accord ing to the three belt working speed can jude the movement o f the o verall pr inter smo oth. By data from the simu lation results can calculate torque that stepper mo tio n need to drive the load and then ver ify whether the selecting stepper motor meets the given requirements fro m paper. keywords Delta type 3D printer structural design kinematics simulation parameter validation第 2 页（共 37 页） 绪论 Delta 型 3D打印机结构设计 1.1 前言 第一章 绪论2123快速成形技术或快速原型技术 （Rapid Prototyping Manufacturing，RPM ）一般统称为 3D 打印技术，是近年来制造领域的一个重大成果，该技术诞生于 20 世纪 80 年代后期，是基于材料堆积法的一种先进的制造技术。RPM 技术集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型，或直接制造零件。目前，3D 打印技术已经广泛应用于航天、航海、国防、医疗、建筑等各个领域。 3D 打印技术，是一种以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，通过逐层打印的方式来构造物体的新型制造技术 。3D 打印机则出现在上世纪 90 年代中期，即一种利用光固化和逐层叠 加等技术的快速成型装置。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“ 打印材料” ，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。就目前来说，3D 打印机在国内外是一个比较新的领域，具有巨大的市场潜力。 3D 打印带来了世界性制造 业革命，3D 打印机可以不像传统的生产要依赖生产的工艺性， 3D打印机的 最突出的优点是只要你设计出相应的产品模型，就可以打印出你想要的东西。 3D 打印机不需要任何机械加工工具，可以节省大量物人力、物力。 Delta 型 3D 打印机 作为 3D 打印机的一个重要分支，它以价格低、占地面积极少、实用 等优点在现实生活中应用的越来越广泛。Delta 型 3 D 打印机在制造业、工业设计、医疗领域、航空航天领域、产品模型、建筑设计、科学研究、食品科学领域都有应用 。Delta 型 3D 打印机在这些领域的成长和普及说明 Delta 型 3D 打印机的研究 和制造是非常有实际意义的。普通二维打印机，它只能做 X 和 Y 方向的运动，只能在平面内运动，而 3D 打印机增加了 Z 轴的 运动，可打印出来立体的实物。而喷头要精准稳定地做 X、Y、Z 方向的运动，它必须要有精确平稳的轨道承载，能否在这三个方向第 3 页（共 37 页） Delta 型 3D 打印机结构设计 上自由地运动是我 对其结构研究的重要部分，而 Delta 型 3D 打印机要求的是在最小的空间里实现三个运动方向运动范围的最大化 。在本设计中主要使用了 CAD、Solidwo rks、 ADAMS 等工程软件，用 Solidwor ks 三维建模、ADAMS 运动仿真，CAD画出装配图和零件图， 通过在指导老师和同学的帮助下完成对 Delta 型 3D 打印机的结构设计。 1.2 选题背景 1. 2.1 题目来源 社会生产 /实践 1. 2.2 研究目的和意义 这项技术将复杂的零件制造变为简单的由下至上的二维叠加，大大降低了设计与制造的复杂度，让一些传统方式无法加工的奇异结构制造变得快捷，一些复杂铸件的生产由传统的 长达 3 个月缩短到 10 天。 同时，对研发出的新产品，可快速根据图纸做出样品，大大缩短研发周期 。Delta 型 3D 打印机作为 3D 打印机的一个重要分支，它以价格低、占地面积极少、实用等优点在现实生活中应用的越来越广 泛。Delta 型 3 D 打印机具有结构简单、安装 维护方便、性价比高等特点。Delta 型 3D 打印机因其区别于其他类型的 3D 打印机的独特优势在实际生活中应用越来越广。 Delta 机型是一种并联式运动结构的 3D 打印机， delta 机型实际上是分为两大类，一种是工业上用的并联式机器人；另外一种是 ro sto ck 的运动结构。本文设计了一款 Delta 型 3D 打印机即基于三臂并联结构(r osto ck 运动机构 )的桌面微型 3D 打印机。把工业用的并联机械手搬到普通家庭的桌面上，让其实现三维打印，让我们不需要花很高的成本去买专业级别的 3D 打印机。我们有时候想制作出一些模型来观察和实验，不需要很高的精度，只是需要速度。我们使用 Delta 型并联机械手臂来实现 3D 打印，能保证一定的精度和速度，如果能制作出这样的 3D 的打印机，很多工程师都可以将自己的设计打印出来。通过对 Delta型 3D 打印机的深入研究，挖掘出其特有的优势使 3D 打印技术发挥越来越大的作用。 1.3 国内外现状 1. 3.1 国内研究现状 第 4 页（共 37 页） 绪论 自 20 世纪 90 年代以来，国内多所高校开展了 3D 打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、 FDM 工艺等方面都有一定的科研优势，其自主研发的 3D 打印机如图 1 所示。华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势，并已推出了 HRP 系列成型机和成型材料；其研究团队研发出了世界上最大的选择性激光烧结快速成形设备 如图 2 所示。西安交通大学自主研制了三维打印机用喷头，并开发 图 1 清华大学自主研发的 3D 打印机 图 2 世界上最大的选择性激光烧 结快速成形设备图 3 西安交通大学研发的 3D 激光打印机 图 4 西北工业大学凝固技术国家点实验室研发的 3D 激光打印机 第 5 页（共 37 页） Delta 型 3D 打印机结构设计 了光固化成型系统及相应成型材料，成型精度达到 40.2 mm，其研发团队研发的 3D激光打印机 如图 3 所示。中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置，有望在微制造、光电器件领域得到应用。西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，已经能够利用“ 3D 打印”从事高性能致密金属零件的制造及修复，图 4为其研发的 3D 打印机。北京航天航空大学、湖南大学等高校已经研发出了激光 3D 打印机用来打印 钛合金等金属制品。但总体而言国内 3D 打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。我国已有部分技术处于世界先进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造 ，3D 打印机打印的飞机模型图 5 所示。 图 5 3D 打印机打印的飞机模型 图 6 3D 打印机打印的义肢图 7 3D 打印机打印的建筑模型 图 8 3D 打印机打印的艺术品 生 物细胞 3D 打印技术取得显著进展，已可以制 造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑 ,3D 打印机打印的义肢如图 6 所示。3D第 6 页（共 37 页） 绪论 打印在教育领域的发展也比较迅速：模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在普通高校和军事院校， 3D 打印机已经被用于教学和科研。在建筑工程中 3D 打印也发挥着日益重要和作用，建筑设计师用 3D 打印出来的建筑模型进行风动试验和效果展示、建筑工程和施工（ AEC）模拟，3D 打印机打印的建筑模型如图 7 所示。在文化创意和数码娱乐中也少不了 3D 打印的身影：打印出形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体， 3D 打印机打印的艺术品如图 8 所示。科幻类电影阿凡达运用3D 打印塑造了部分角色和道具，3D 打印的小提琴接近了手工艺的水平。 近年来，国内企业已实现了 3D 打印机的整机生产和销售，这些企业共同的特点是由海外归国团队建立与国内重点高校合作。目前，依托高校研究成果，对 3D 打印设备进行产业化运作的公司实体主要有：北京殷华（依托于清华大学） 、陕西恒通智能机器（依托西安交通大学） 、湖北滨湖机电（依托华中科技大学） 。这些公司都已实现了一定程度的产业化，部分公司生产的便携式桌面 3D 打印机的价格已具备国际竞争力，成功进入欧美市场。国产 3D 打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求，技术水平有待进一步提升。在服务领域，我国东部发达城市已普遍有企业应用进口 3D 打印设备开展了商业化的快速成型服务，其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。一些中小企业成为国外 3D 打印设备的代理商，经销全套 打印设备、成型软件和特种材料。还有一些中小企业购买了国内外各类 3D 打印设备，专门为相关企业的研发、生产提供服务。其中，广东省工业设计中心、杭州先临快速成型技术有限公司等企业，设 立了3D 打印服务中心，发挥科技人才密集的优势，向国内外客户提供服务，取得了良好的经济效益。与内地相比，我国港台地区 3D 打印技术引入起步较早，应用更为广泛，但港台主要着重于技术应用，而非自主研发。 1. 3.2 国外研究现状 经过 十 多年 的 探 索和 发 展， 3D 打印 技 术 有了 长 足的 进 步 ，目 前 已经 能 够 在0. 01mm 的单层厚度上实现 600dpi 的精细分辨 率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时 25 mm 厚度的垂直速率，并可实现 24 位色彩的彩色打印。 目前，全球 3D 打印机行业，美国 3D Systems 和 Stratasys 两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。第 7 页（共 37 页） Delta 型 3D 打印机结构设计 此外，在此领域具有较强技术实力和特色的企业、研发团队还有美国的 FabHo me 和Shapeways、英国的 Reprap 等公司。 3D Systems 公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。其于 2011 年 11 月收购了 3D 打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation 公司之后，3D Systems 奠定了在 3D 打印领域的龙头地位。Stratasys公司 于 2010 年与传统打印行业巨头惠普公司签订了 OEM 合作协议，生产 HP 品牌的3D 打印机。继 2011 年 5 月收 购 So lidscape 公司之后，Stratasys 又于 2012 年 4 月与以色列著名 3D 打印系统提供商 Objet 宣布合并。当前，国际 3D 打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中，行业巨头正在加速崛起。在国外，美国“太空制造公司”联 手美国太 空总署马 歇尔航天中 心已能为太 空空间站提 供空间站所 需的各种金 属装备和金属零部件。 目前在欧美发达国家，3D 打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域， 3D 打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制 零部件，完成复杂而精细的造型。另外，3D 打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司 Quirky 通过在线征集用户的设计方案，以 3D 打印技术制成实物产品并通 过电子市场销售，