3D打印机的设计与虚拟交互演示系统_设计建模部分
3D打印机的设计与虚拟交互演示系统_设计建模部分[20191214194748]
摘 要
? 目前，3D打印技术已经逐步进入到我们的生活中了，医疗、航天、机械设计等领域都可以见到3D打印技术的身影。人们大多对3D打印机感到神秘，只知道其可以打印出各种东西但对其工作原理、内部结构却不太了解。本次课题，我将和我的合作同学对3D打印机进行深入研究，向大家展示3D打印机的工作原理和内部结构，让大家对3D打印机不再陌生。
本次课题主要通过建模技术和虚拟交互技术来对3D打印机进行全面展示。首先通过建模技术为3D打印机建立模型，然后通过虚拟交互技术对3D打印机进行结构拆分、部件控制并配以生动的动画效果来对3D打印机的工作原理进行介绍。
系统主要分为建模和虚拟交互两个部分，本人主要负责运用SolidWorks软件对3D打印机进行建模。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:三维建模；虚拟交互设计；SolidWorks；3D打印机Abstract
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
一、项目背景 1
二、项目任务 2
第二章 项目的技术框架及设计流程 3
一、 3D建模技术 3
二、 虚拟交互技术 3
三、 SolidWorks软件简介 4
（一） SolidWorks优点及特点 4
（二） SlidWorks建模方法 5
四、 项目设计流程 7
第三章 3D打印机介绍 8
一、3D打印机工作原理简介 8
二、3D打印机构成 10
三、3D打印机部分模型外观 10
第四章 用SolidWorks对3D打印机进行建模 12
一、3D打印机部分零件的工具建模 12
二、3D打印机各零件的装配组合 17
三、材质颜色的配置 17
四、 利用SolidWorks宏编译进行建模 18
（一） SolidWorks API函数介绍 18
（二） SolidWorks自带开发语言VB 22
（三） SolidWorks宏 23
（四） 利用宏编译对3D打印机进行高级建模 26
第五章 总结 32
致谢 34
参考文献 35
附录..........................................................................................................37第一章 绪论
一、 项目背景
3D打印技术是目前最为流行的一种前沿技术，设计领域正越来越多的使用这项技术，特别是在工业设计、机械产品开模等领域。由于可以在较短时间内就完成一个模具的打印，这大大加快了产品从开发到投入市场的进程。借助于3D建模软件，工程师设计出一个模型后，不管设计的是一个杯子还是人体骨骼都可以通过将模型放入到3D打印机中来进行打印。3D打印机也可以看做是使用快速成形技术的一种机器。它是一种以CAD模型文件为基础，以粉末状金属或塑料等可粘合材料为原料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。这项技术在制作模具、工业设计等领域用得较多，现在一些公司也用它进行一些产品的直接制造。尤其是一些高价值应用（如人体骨骼或一些航天零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。3D打印一般是通过数字技术材料打印机来实现，这种类型的3D打印机在近些年获得极大发展正越来越来多的被人用于各种领域，其价格也在不断下降。3D打印机在手机、鞋类、工程力学、建筑、船舶、家具、汽车、宇宙探索、骨科、生物、机械工程以及其他领域都有所应用。虽然3D打印机在很多领域都有了广泛的应用，但是这个新兴工具对大多数人来说还是蒙着一层神秘的面纱。在这种情况下让更多的人了解3D打印机就显得尤为重要了。
此次我们是以目前世界上技术最为成熟且市场普及度较高的MakerBot 3D打印机为原型来进行3D打印机的研究的。对3D打印机机的结构了解之后就要开始想办法将3D打印机的内部结构向大家展示出来。就目前的条件，利用虚拟交互技术无疑是最好的选择。通过虚拟交互技术，仅需一台电脑便可以向大家展示一个较为真实的3D打印机了。
在本篇论文中，我将着重介绍如何利用SolidWorks软件进行对3D打印机进行建模。
二、 项目任务
本次毕业设计主要是运用SolidWorks对3D打印机各个零部件进行建模然后通过虚拟交互技术将3D打印机介绍给大家。
此次设计是由我和与我合作的同学在吴云燕老师的精心指导下完成的。本人负责的工作主要有：
1.收集3D打印机的相关资料并对其工作原理、内部结构深入了解。
2.使用SolidWorks软件对3D打印机进行建模。
第二章 项目的技术框架及设计流程
本课题综合运用SolidWorks建模技术和虚拟交互技术，实现对3D打印机的设计和控制。
一、3D建模技术
3D建模简单来说就是利用三维 制作软件在虚拟的三维空间 中构建出具有三维数据特征的模型。我们生活在一个三维世界中, 为了使计算机能精确地再现这些物体, 我们必须要能在三维空间里描绘这些物体。机械工程师可以从二维平面图中解放出来直接进入三维立体世界, 并且通过建模技术可以在很短时间内就见到自己设计的机械零件模型。建筑设计师可以利用3D建模技术将自己的设计更真实的展现出来。军事指挥员可以利用3D建模技术来进行战争演习, 指挥具有真实感的导弹、装甲车、部队进行战术演练并分析战斗方案的效果。这些3D建模技术应用已涉及建筑、产品设计、医学、测绘、航天学等人们生活的各个领域。通过3D建模技术可以实现这些领域的进一步探索, 充分展现出3D建模技术的实际应用能力。
二、虚拟交互技术
虚拟交互技术是一种新型的影像表达技术，它打破了以往平面的框框，具备极佳的视觉印象。此外评价是虚拟交互演示系统的一个重要组成部分，但设计者常常容易忽视这一块。通常评价都是在产品完成后才进行的，但如果能在系统设计初期就考虑对原型进行评价，就能及早发现自己设计中的一些缺陷，从而节约人力、物力。虚拟交互技术在国外已经是一项非常成熟的技术了，生活中我们可以从国外的一些高质量的3D影片中看到它的应用效果，而在中国，它还不太成熟正处于发展初期。但是中国市场对于虚拟交互技术的需求量很高，从产品设计到电影、电视的特效处理都对它有大量需求。目前虚拟交互演示系统已经获得了广泛的应用，而且日益普及，在医疗行业，汽车行业以及众多轻工业行业。例如在医疗行业，虚拟现实技术具有十分重要的现实意义。通过在虚拟环境中建立虚拟的人体模型，医生就会很容易了解人体内部各器官的结构。
虚拟现实交互技术集数字图像处理、多媒体技术、计算机图形学、传感器技术等多方面信息技术一体,它利用计算机图形学构建三维数字模型，产生逼真的虚拟环境，在视觉上给用户呈现一种立体的虚拟环境[2]。与常见的建模系统所产生的三维模型不同，它不是一个静止的世界，而是一个开放、互动的环境。?
虚拟现实交互技术具有以下四个特征：
第一，强烈的临场感。让用户在模拟环境中，能够获得与现实世界相差不大的体验。
第二，友好的交互性。能让用户对虚拟环境的实体进行充分的互动并且让人感受到虚拟环境给的反馈。例如，用户在游泳时能感受到水的温度，也会感受到水产生的浮力，同时水面也随着自己的运动发生变化。
第三，多感知性。除了具有一般计算机的视觉感知外，还具有听觉感知、力觉感知、触觉感知、温度感知,更优秀的还应具备思维感知、嗅觉感知等。
第四，虚拟现实世界的自主性。在虚拟环境中的物体也是要遵循现实世界中的物理定律的。
具体讲，虚拟现实交互技术是以计算机技术为核心生成一个具有接近现实世界感官的特定范围的虚拟环境的一种技术，用户可以用一些辅助设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生与现实环境相似的感受和体验。那么，到底是如何生成这种虚拟的真实世界呢？首先，要在这个虚拟世界中生成虚拟实体，虚拟实体主要是让用户拥有生理感觉；其次，要能让用户在这个虚拟的世界中与虚拟实体进行互动并且得到反馈。
从系统上看，虚拟现实交互系统包括检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块以及建模模块等，在该系统中，主要采用了动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术及系统集成技术[3]。?
动态环境建模技术。使用动态环境建模技术可以获取真实环境中一些实体的三维数据，并根据获得的三维数据建立相似的虚拟环境模型。采用CAD技术或者通过扫描实体获取三维数据，合理运用两者可以极大地提高数据获取的速率。该项技术是利用计算机技术来生成虚拟世界的基础。?
三、SolidWorks软件简介
（一）SolidWorks 优点及特点
SolidWorks的优点很多，尤其适合此次课题中的3D打印机的建模。功能齐全、操作简单和二次开发是SolidWorks的三大特点，这使得SolidWorks成为目前机械制造行业主流的三维CAD解决方案。SolidWorks强大的设计能力使得它能进行多种方案的设计，及时显示设计过程中的错误从而能显著提升产品质量。SolidWorks在提供强大的功能的同时，还对操作界面进行了优化。能够熟练使用Windows系统的用户通过简单的学习基本就可以使用SolidWorks来进行模型设计了。SolidWorks的许多操作仅依靠拖拽就能完成，这极大缩短了进行大型设备装配的时间。SolidWorks的资源管理器与Windows的资源管理器是类似的一种资源管理器，用它管理CAD文件极为方便。
（二）SolidWorks建模方法
在SolidWorks中有多种建模方法，这些建模方式可适用于用户的不同需求。
1、完全程序法建模
当用程序来进行建模时，整个建模的过程完都是由程序控制的，任何复杂的模型都能用这种程序建模法生成。完全程序法建模在建立具有多个变量参数的模型时会显得尤为高效。由于不需要模型库的支持因此建模的灵活性较强，在建模的同时也可以进行结构设计、强度校核、寿命计算等工作[4]。程序化建模的参数的可以采用数据库、Excel等多元化的方法，因此对模型的控制力更强。但程序化建模的程序代码量很大，只有在熟悉SolidWorks
2、参数化修改法建模
采用参数化修改法来建立参数化模型时需要有模型库的支持，通常模型库是用户事先采用手工方式建立的，存放在程序指定的目录中。当使用参数化修改法建模时，直接从模型库中打开模型，然后修改模型的尺寸，就可以创造出新的模型。这种方法基本无需编写程序只要能看懂程序就行，常用于模型标准化程度高、造型过程较为复杂或可变参量少的情况。
3、基于二维软件的建模
将在二维软件中绘制的图形另存为dwg文件并导入到SolidWorks
4、组合对象建模
组合对象建模是将两种或两种以上的对象进行合并操作，在拼合的过程中，可以编辑拼合对象的外形，这样就形成了新的模型。SolidWorks软件中包含了多种组合对象类型，其中大部分是针对对象外形编辑的。当创建组合对象后，可以进入对象层进行编辑，创建更为复杂的模型。
5、Toolbox插入法建模
Toolbox是SolidWorks自带的标准零件库。Toolbox中有多种标准化模型：轴承、弹簧、凸轮、螺帽、钻套、螺母、销钉、螺钉、链轮、动力传动和调速皮带轮等。左击菜单中[工具]-[插件]按钮，然后选择SolidWorks Toolbox，便可选择自己想要的零件。
Toolbox插件中多是标准化零件，一般我们在使用时会根据具体情况对尺寸进行修改以符合自己建模要求。
摘 要
? 目前，3D打印技术已经逐步进入到我们的生活中了，医疗、航天、机械设计等领域都可以见到3D打印技术的身影。人们大多对3D打印机感到神秘，只知道其可以打印出各种东西但对其工作原理、内部结构却不太了解。本次课题，我将和我的合作同学对3D打印机进行深入研究，向大家展示3D打印机的工作原理和内部结构，让大家对3D打印机不再陌生。
本次课题主要通过建模技术和虚拟交互技术来对3D打印机进行全面展示。首先通过建模技术为3D打印机建立模型，然后通过虚拟交互技术对3D打印机进行结构拆分、部件控制并配以生动的动画效果来对3D打印机的工作原理进行介绍。
系统主要分为建模和虚拟交互两个部分，本人主要负责运用SolidWorks软件对3D打印机进行建模。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:三维建模；虚拟交互设计；SolidWorks；3D打印机Abstract
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
一、项目背景 1
二、项目任务 2
第二章 项目的技术框架及设计流程 3
一、 3D建模技术 3
二、 虚拟交互技术 3
三、 SolidWorks软件简介 4
（一） SolidWorks优点及特点 4
（二） SlidWorks建模方法 5
四、 项目设计流程 7
第三章 3D打印机介绍 8
一、3D打印机工作原理简介 8
二、3D打印机构成 10
三、3D打印机部分模型外观 10
第四章 用SolidWorks对3D打印机进行建模 12
一、3D打印机部分零件的工具建模 12
二、3D打印机各零件的装配组合 17
三、材质颜色的配置 17
四、 利用SolidWorks宏编译进行建模 18
（一） SolidWorks API函数介绍 18
（二） SolidWorks自带开发语言VB 22
（三） SolidWorks宏 23
（四） 利用宏编译对3D打印机进行高级建模 26
第五章 总结 32
致谢 34
参考文献 35
附录..........................................................................................................37第一章 绪论
一、 项目背景
3D打印技术是目前最为流行的一种前沿技术，设计领域正越来越多的使用这项技术，特别是在工业设计、机械产品开模等领域。由于可以在较短时间内就完成一个模具的打印，这大大加快了产品从开发到投入市场的进程。借助于3D建模软件，工程师设计出一个模型后，不管设计的是一个杯子还是人体骨骼都可以通过将模型放入到3D打印机中来进行打印。3D打印机也可以看做是使用快速成形技术的一种机器。它是一种以CAD模型文件为基础，以粉末状金属或塑料等可粘合材料为原料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。这项技术在制作模具、工业设计等领域用得较多，现在一些公司也用它进行一些产品的直接制造。尤其是一些高价值应用（如人体骨骼或一些航天零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。3D打印一般是通过数字技术材料打印机来实现，这种类型的3D打印机在近些年获得极大发展正越来越来多的被人用于各种领域，其价格也在不断下降。3D打印机在手机、鞋类、工程力学、建筑、船舶、家具、汽车、宇宙探索、骨科、生物、机械工程以及其他领域都有所应用。虽然3D打印机在很多领域都有了广泛的应用，但是这个新兴工具对大多数人来说还是蒙着一层神秘的面纱。在这种情况下让更多的人了解3D打印机就显得尤为重要了。
此次我们是以目前世界上技术最为成熟且市场普及度较高的MakerBot 3D打印机为原型来进行3D打印机的研究的。对3D打印机机的结构了解之后就要开始想办法将3D打印机的内部结构向大家展示出来。就目前的条件，利用虚拟交互技术无疑是最好的选择。通过虚拟交互技术，仅需一台电脑便可以向大家展示一个较为真实的3D打印机了。
在本篇论文中，我将着重介绍如何利用SolidWorks软件进行对3D打印机进行建模。
二、 项目任务
本次毕业设计主要是运用SolidWorks对3D打印机各个零部件进行建模然后通过虚拟交互技术将3D打印机介绍给大家。
此次设计是由我和与我合作的同学在吴云燕老师的精心指导下完成的。本人负责的工作主要有：
1.收集3D打印机的相关资料并对其工作原理、内部结构深入了解。
2.使用SolidWorks软件对3D打印机进行建模。
第二章 项目的技术框架及设计流程
本课题综合运用SolidWorks建模技术和虚拟交互技术，实现对3D打印机的设计和控制。
一、3D建模技术
3D建模
二、虚拟交互技术
虚拟交互技术是一种新型的影像表达技术，它打破了以往平面的框框，具备极佳的视觉印象。此外评价是虚拟交互演示系统的一个重要组成部分，但设计者常常容易忽视这一块。通常评价都是在产品完成后才进行的，但如果能在系统设计初期就考虑对原型进行评价，就能及早发现自己设计中的一些缺陷，从而节约人力、物力。虚拟交互技术在国外已经是一项非常成熟的技术了，生活中我们可以从国外的一些高质量的3D影片中看到它的应用效果，而在中国，它还不太成熟正处于发展初期。但是中国市场对于虚拟交互技术的需求量很高，从产品设计到电影、电视的特效处理都对它有大量需求。目前虚拟交互演示系统已经获得了广泛的应用，而且日益普及，在医疗行业，汽车行业以及众多轻工业行业。例如在医疗行业，虚拟现实技术具有十分重要的现实意义。通过在虚拟环境中建立虚拟的人体模型，医生就会很容易了解人体内部各器官的结构。
虚拟现实交互技术集数字图像处理、多媒体技术、计算机图形学、传感器技术等多方面信息技术一体,它利用计算机图形学构建三维数字模型，产生逼真的虚拟环境，在视觉上给用户呈现一种立体的虚拟环境[2]。与常见的建模系统所产生的三维模型不同，它不是一个静止的世界，而是一个开放、互动的环境。?
虚拟现实交互技术具有以下四个特征：
第一，强烈的临场感。让用户在模拟环境中，能够获得与现实世界相差不大的体验。
第二，友好的交互性。能让用户对虚拟环境的实体进行充分的互动并且让人感受到虚拟环境给的反馈。例如，用户在游泳时能感受到水的温度，也会感受到水产生的浮力，同时水面也随着自己的运动发生变化。
第三，多感知性。除了具有一般计算机的视觉感知外，还具有听觉感知、力觉感知、触觉感知、温度感知,更优秀的还应具备思维感知、嗅觉感知等。
第四，虚拟现实世界的自主性。在虚拟环境中的物体也是要遵循现实世界中的物理定律的。
具体讲，虚拟现实交互技术是以计算机技术为核心生成一个具有接近现实世界感官的特定范围的虚拟环境的一种技术，用户可以用一些辅助设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生与现实环境相似的感受和体验。那么，到底是如何生成这种虚拟的真实世界呢？首先，要在这个虚拟世界中生成虚拟实体，虚拟实体主要是让用户拥有生理感觉；其次，要能让用户在这个虚拟的世界中与虚拟实体进行互动并且得到反馈。
从系统上看，虚拟现实交互系统包括检测模块、反馈模块、传感器模块、控制模块以及建模模块等，在该系统中，主要采用了动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术及系统集成技术[3]。?
动态环境建模技术。使用动态环境建模技术可以获取真实环境中一些实体的三维数据，并根据获得的三维数据建立相似的虚拟环境模型。采用CAD技术或者通过扫描实体获取三维数据，合理运用两者可以极大地提高数据获取的速率。该项技术是利用计算机技术来生成虚拟世界的基础。?
三、SolidWorks软件简介
（一）SolidWorks 优点及特点
SolidWorks的优点很多，尤其适合此次课题中的3D打印机的建模。功能齐全、操作简单和二次开发是SolidWorks的三大特点，这使得SolidWorks成为目前机械制造行业主流的三维CAD解决方案。SolidWorks强大的设计能力使得它能进行多种方案的设计，及时显示设计过程中的错误从而能显著提升产品质量。SolidWorks在提供强大的功能的同时，还对操作界面进行了优化。能够熟练使用Windows系统的用户通过简单的学习基本就可以使用SolidWorks来进行模型设计了。SolidWorks的许多操作仅依靠拖拽就能完成，这极大缩短了进行大型设备装配的时间。SolidWorks的资源管理器
（二）SolidWorks建模方法
在SolidWorks中有多种建模方法，这些建模方式可适用于用户的不同需求。
1、完全程序法建模
当用程序来进行建模时，整个建模的过程完都是由程序控制的，任何复杂的模型都能用这种程序建模法生成。完全程序法建模在建立具有多个变量参数的模型时会显得尤为高效。由于不需要模型库的支持因此建模的灵活性较强，在建模的同时也可以进行结构设计、强度校核、寿命计算等工作[4]。程序化建模的参数的可以采用数据库、Excel等多元化的方法，因此对模型的控制力更强。但程序化建模的程序代码量很大，只有在熟悉SolidWorks
2、参数化修改法建模
采用参数化修改法来建立参数化模型时需要有模型库的支持，通常模型库是用户事先采用手工方式建立的，存放在程序指定的目录中。当使用参数化修改法建模时，直接从模型库中打开模型，然后修改模型的尺寸，就可以创造出新的模型。这种方法基本无需编写程序只要能看懂程序就行，常用于模型标准化程度高、造型过程较为复杂或可变参量少的情况。
3、基于二维软件的建模
将在二维软件中绘制的图形另存为dwg文件并导入到SolidWorks
4、组合对象建模
组合对象建模是将两种或两种以上的对象进行合并操作，在拼合的过程中，可以编辑拼合对象的外形，这样就形成了新的模型。SolidWorks软件中包含了多种组合对象类型，其中大部分是针对对象外形编辑的。当创建组合对象后，可以进入对象层进行编辑，创建更为复杂的模型。
5、Toolbox插入法建模
Toolbox是SolidWorks自带的标准零件库。Toolbox中有多种标准化模型：轴承、弹簧、凸轮、螺帽、钻套、螺母、销钉、螺钉、链轮、动力传动和调速皮带轮等。左击菜单中[工具]-[插件]按钮，然后选择SolidWorks Toolbox，便可选择自己想要的零件。
Toolbox插件中多是标准化零件，一般我们在使用时会根据具体情况对尺寸进行修改以符合自己建模要求。
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