三維打印無(wú)人車間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研發(fā)

林志偉， 傅建中， 吳森洋， 錢 俊

(浙江大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院，浙江省三維打印工藝與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310027； b.工程訓(xùn)練(金工)中心， 杭州 310058)

0 引 言

三維打印是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末或流體等可黏合材料，通過(guò)逐層堆積的方式來(lái)構(gòu)造實(shí)體的技術(shù)[1-2]。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，三維打印出現(xiàn)了選擇性激光燒結(jié)(SLS)[3]、光固化(SLA)[4]和熔融沉積制造(FDM)[5]等工藝，為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想校驗(yàn)等方面提供了一種高效低沉本的實(shí)現(xiàn)手段[6]。三維打印集成了CAD/CAM、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制等技術(shù)，非常適合學(xué)生綜合能力培養(yǎng)。目前，國(guó)內(nèi)很多高校已將三維打印引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)[7-9]，成為技術(shù)支持教育應(yīng)用創(chuàng)新不可或缺的元素[10-11]。

盡管如此，三維打印在向?qū)W生課堂推廣過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題。首先，相對(duì)普通機(jī)加工，三維打印涉及的工藝參數(shù)更多且設(shè)置更為復(fù)雜。以FDM為例，它在模型切片過(guò)程中涉及的工藝參數(shù)多達(dá)60多個(gè)，包括層高、填充率、速度、壁厚、噴頭溫度等。其次，三維打印逐層堆積的工藝特性決定了制造工時(shí)一般較長(zhǎng)。對(duì)一普通鼠標(biāo)大小的模型，打印時(shí)間短則0.5 d，長(zhǎng)則1 d，這樣的工時(shí)在課堂環(huán)境下一般是無(wú)法容忍的。

目前，針對(duì)三維打印的研究主要集中在工藝、材料及單機(jī)打印設(shè)備開發(fā)上[12-14]，而針對(duì)三維打印網(wǎng)絡(luò)互連及無(wú)人車間構(gòu)建等方面的研究較少。孟炯等[15]研究了三維打印分布式智能制造創(chuàng)新模式，揭示了三維打印分布式智能制造模式的管理特征。劉利釗等[16]針對(duì)三維打印設(shè)備、三維相關(guān)設(shè)備和運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建模問(wèn)題，建立了三維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)合成模型，實(shí)現(xiàn)了三維打印設(shè)備與相關(guān)設(shè)備間的互操作、信息共享、協(xié)同工作。

本文開發(fā)了一套面向網(wǎng)絡(luò)制造的三維打印無(wú)人車間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可以理解為一種三維打印服務(wù)，無(wú)論何時(shí)何地，用戶只需在網(wǎng)頁(yè)上上傳或在模型庫(kù)中選擇模型，設(shè)置簡(jiǎn)單的工藝參數(shù)，便可下單打印。訂單在打印過(guò)程中，用戶還可在網(wǎng)頁(yè)上查看打印進(jìn)度，查詢相關(guān)打印參數(shù)。車間端主要由三維打印機(jī)群、立體倉(cāng)庫(kù)、工業(yè)機(jī)器人、工控機(jī)(IPC)等硬件設(shè)備組成，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)接單、自動(dòng)上下料、自動(dòng)打印、自動(dòng)出入庫(kù)等功能。

1 無(wú)人車間布局及工作流程

1.1 總體布局

三維打印無(wú)人車間總體布局如圖1所示，實(shí)物展示如圖2所示，主要包括三維打印機(jī)群、工業(yè)機(jī)器人、直線導(dǎo)軌、立體倉(cāng)庫(kù)等制造執(zhí)行單元，其中三維打印機(jī)群組成車間制造系統(tǒng)，機(jī)器人和導(dǎo)軌組成搬運(yùn)系統(tǒng)，立體倉(cāng)庫(kù)為倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。這些單元以直線導(dǎo)軌為中心布置在一長(zhǎng)方形周邊，導(dǎo)軌總長(zhǎng)8 m，水平安裝在地面上。6自由度工業(yè)機(jī)器人安裝在導(dǎo)軌滑塊上，一方面可隨導(dǎo)軌滑塊做直線運(yùn)動(dòng);另一方面可在其自身坐標(biāo)系內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。三軸并聯(lián)式FDM三維打印機(jī)位于導(dǎo)軌兩側(cè)，左右各5臺(tái)，呈線型固定在工作臺(tái)上，左右工作臺(tái)間距約6 m。立體倉(cāng)庫(kù)及各電氣機(jī)柜位于導(dǎo)軌兩端，其中倉(cāng)庫(kù)位于導(dǎo)軌下端，主要包含堆垛機(jī)和立體貨架。電氣機(jī)柜包括倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)控制柜、機(jī)器人控制柜、導(dǎo)軌控制柜、搬運(yùn)系統(tǒng)總控柜、主控機(jī)柜以及Web服務(wù)器機(jī)柜等。

無(wú)人車間中，制造、倉(cāng)儲(chǔ)、搬運(yùn)各系統(tǒng)功能如下。三維打印機(jī)是最終制造執(zhí)行單元，負(fù)責(zé)將用戶網(wǎng)絡(luò)訂單轉(zhuǎn)化成實(shí)體模型。FDM三維工藝將工件打印在底部臺(tái)面(熱床)上，打印完成后，工件與臺(tái)面存在一定的黏附力，一般需要借助專用工具才能將工件剝離。由于三維打印個(gè)性化程度高，工件形狀各異，設(shè)計(jì)夾具直接在產(chǎn)線上夾取工件并使其剝離工作臺(tái)面難度較大。為此，本文從打印機(jī)工作臺(tái)面互換的角度出發(fā)，將臺(tái)面看成工件載具(如圖1所示的六邊形鋼化玻璃盤)，即打印開始前，在打印機(jī)上放置空盤，打印結(jié)束后，將粘附工件的成品盤從打印機(jī)取出。倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)用于存儲(chǔ)托盤載具，包括空盤和成品盤，包含3個(gè)進(jìn)出口，分別為空盤出口、成品進(jìn)口以及成品出口。機(jī)器人及導(dǎo)軌銜接倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)和打印機(jī)，負(fù)責(zé)上下料，搬運(yùn)空盤和成品盤。在機(jī)器人的末端法蘭上，安裝了為本項(xiàng)目專門設(shè)計(jì)的U形夾具，夾具上裝有4個(gè)吸盤，這些吸盤可利用負(fù)壓抓取或釋放載具。

圖1 三維打印無(wú)人車間總體布局示意

圖2 三維打印無(wú)人車間實(shí)物展示

1.2 工作流程

制造、倉(cāng)儲(chǔ)、搬運(yùn)各系統(tǒng)在主控IPC協(xié)調(diào)下有序工作，三維打印無(wú)人車間整體工作流程如下:首先，用戶在遠(yuǎn)端電腦上通過(guò)網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)三維打印云平臺(tái)網(wǎng)站，選擇或上傳模型并設(shè)置簡(jiǎn)單的打印參數(shù)，包括精度、強(qiáng)度、顏色等，完成下單操作。工廠端在接收打印訂單后，首先調(diào)動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中的堆垛機(jī)從空盤出口出一空盤；隨后調(diào)動(dòng)機(jī)器人及導(dǎo)軌運(yùn)行至倉(cāng)庫(kù)附近抓取空盤，并將空盤搬運(yùn)至某一空閑打印機(jī)上；打印機(jī)接收打印指令后，自動(dòng)下載模型文件，開始切片、打印；打印完成后，機(jī)器人及導(dǎo)軌運(yùn)行至打印機(jī)附近抓取成品盤，并將其搬運(yùn)至倉(cāng)庫(kù)成品進(jìn)口；倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)在感知成品進(jìn)口的載具后，自動(dòng)啟動(dòng)堆垛機(jī)將成品盤收納進(jìn)倉(cāng)庫(kù)空倉(cāng)位。與此同時(shí)，用戶可通過(guò)云平臺(tái)網(wǎng)站隨時(shí)查看訂單打印進(jìn)度。

需要指出的是，以上介紹是在單個(gè)訂單任務(wù)下，三維無(wú)人車間從訂單下達(dá)到完成打印、搬運(yùn)、倉(cāng)儲(chǔ)的簡(jiǎn)單流程；事實(shí)上，當(dāng)訂單數(shù)量增加，無(wú)人車間在運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)涉及訂單分配、設(shè)備調(diào)度等優(yōu)化問(wèn)題。

2 制造執(zhí)行單元選型和設(shè)計(jì)

2.1 三維打印機(jī)

本文選用的三維打印機(jī)為三軸并聯(lián)式FDM打印機(jī)，外觀呈三棱柱形，兩端截面為正三角形。該打印機(jī)噴頭直徑為0.4 mm，最小打印層高為0.1 mm，最大打印尺寸為φ650 mm×1 250 mm，適用材料包括PLA、ABS、人造橡膠等。打印機(jī)各軸運(yùn)動(dòng)、送絲以及噴頭熱床溫度調(diào)節(jié)等由基于單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡控制，該控制卡運(yùn)行開源Marlin固件。每臺(tái)打印機(jī)配備一臺(tái)專用IPC，IPC和打印機(jī)控制卡通過(guò)USB(轉(zhuǎn)串口)線連接，具體通訊協(xié)議可參見Marlin固件中對(duì)G代碼的定義。每臺(tái)IPC上安裝由項(xiàng)目組自主研發(fā)的三維打印控制軟件，可實(shí)現(xiàn)三維模型編輯、打印代碼生成、本地及網(wǎng)絡(luò)打印控制等功能，并提供遠(yuǎn)程操控打印機(jī)相關(guān)接口函數(shù)(API)。

為適應(yīng)無(wú)人車間機(jī)器人自動(dòng)上下料需求，本項(xiàng)目對(duì)打印機(jī)底部工作臺(tái)面進(jìn)行改造，從原來(lái)一體的三角形鋼化玻璃臺(tái)面掏出一個(gè)六邊形可互換托盤，作為工件載具，如圖3所示。托盤底部裝有圓形鐵塊，打印機(jī)底座裝有電磁鐵，電磁鐵和工業(yè)機(jī)器人IO相連，信號(hào)通斷通過(guò)機(jī)器人示教得到，即：當(dāng)機(jī)器人向打印機(jī)放置空盤后，電磁鐵通電從而固定托盤；當(dāng)機(jī)器人過(guò)來(lái)從打印機(jī)抓取成品盤時(shí)，電磁鐵斷電，釋放托盤。

2.2 倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)

相對(duì)來(lái)說(shuō)，倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)是無(wú)人車間最為獨(dú)立的智能制造執(zhí)行單元，主要由立體貨架系統(tǒng)、堆垛機(jī)系統(tǒng)、輸送機(jī)系統(tǒng)和倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)等組成，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)化供應(yīng)、庫(kù)存管理等功能。如圖4所示，立體貨架包含左右兩排貨架，每排4層，每層7個(gè)倉(cāng)位，共計(jì)56個(gè)倉(cāng)位，其中首層有3個(gè)倉(cāng)位用作載具進(jìn)出口，分別為空盤出口、成品進(jìn)口以及成品出口，實(shí)際有效倉(cāng)位為53個(gè)。三軸堆垛機(jī)位于兩排貨架中間，可在貨倉(cāng)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，搬運(yùn)載具實(shí)現(xiàn)進(jìn)庫(kù)、移庫(kù)、出庫(kù)等功能。載具進(jìn)出口處各裝有一套皮帶輸送系統(tǒng)，當(dāng)有載具靠近時(shí)，輸送系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)輸送電機(jī)。其中空盤出口裝有RFID寫卡器，可將當(dāng)前打印訂單號(hào)寫入載具RFID芯片，從而實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)訂單追溯。

圖4 智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)

上述堆垛機(jī)、輸送機(jī)系統(tǒng)在倉(cāng)儲(chǔ)PLC統(tǒng)一控制下運(yùn)行。PLC和倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)IPC通過(guò)以太網(wǎng)相連，共同組成倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)。IPC上運(yùn)行智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)人機(jī)界面，同時(shí)提供外部設(shè)備操作倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的API，通過(guò)調(diào)用該API可以查詢各個(gè)倉(cāng)位存儲(chǔ)狀態(tài)，如空倉(cāng)、空盤、成品盤等，此外，通過(guò)外部調(diào)用API還可實(shí)現(xiàn)進(jìn)出庫(kù)、移庫(kù)等功能。

2.3 機(jī)器人及導(dǎo)軌

無(wú)人車間選用的工業(yè)機(jī)器人為柯馬(COMAU)NJ60型機(jī)器人，該機(jī)器人末端最大承重60 kg，最大工作半徑為2 258 mm，重復(fù)定位精度為0.06 mm，滿足三維打印載具搬運(yùn)需求。為擴(kuò)大機(jī)器人活動(dòng)范圍，將機(jī)器人安裝在直線導(dǎo)軌滑塊上，如圖5所示。直線導(dǎo)軌總長(zhǎng)8 m，由兩段導(dǎo)軌無(wú)縫拼接而成，最大載重量可達(dá)2 t，最大運(yùn)行速度1 m/s，重復(fù)定位精度為0.05 mm。

圖5 工業(yè)機(jī)器人及直線導(dǎo)軌

機(jī)器人和導(dǎo)軌分別由兩個(gè)控制系統(tǒng)獨(dú)立控制，其中機(jī)器人由柯馬自帶的機(jī)器人控制器控制，直線導(dǎo)軌則由PLC實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的點(diǎn)位控制。機(jī)器人上下料路徑由機(jī)器人示教器示教得到，對(duì)當(dāng)前包含10臺(tái)打印機(jī)及1套倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的無(wú)人車間而言，共需示教得到22套程序，包括20套分別給各臺(tái)打印機(jī)的上料和下料程序，以及從倉(cāng)庫(kù)空盤出口抓取空盤程序和向倉(cāng)庫(kù)成品進(jìn)口放置成品盤程序。與之配套的直線導(dǎo)軌共需示教保存12個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)，包括10個(gè)打印機(jī)點(diǎn)位及2個(gè)倉(cāng)庫(kù)取、放盤點(diǎn)位。導(dǎo)軌坐標(biāo)點(diǎn)示教可在導(dǎo)軌控制柜的人機(jī)界面完成。

機(jī)器人控制器和導(dǎo)軌PLC經(jīng)以太網(wǎng)相連后通過(guò)組態(tài)軟件和另一PLC組態(tài)，建立相關(guān)寄存器地址相互映射關(guān)系，該P(yáng)LC作為機(jī)器人及導(dǎo)軌系統(tǒng)總控PLC，位于搬運(yùn)系統(tǒng)總控柜內(nèi)，如圖1所示?？偪毓駜?nèi)的IPC上運(yùn)行一套API程序，該API內(nèi)部通過(guò)TCP/IP協(xié)議和總控PLC通訊，外部程序通過(guò)調(diào)用該API可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人及導(dǎo)軌狀態(tài)查詢、示教程序選擇及執(zhí)行等功能。

3 制造執(zhí)行系統(tǒng)通訊框架

無(wú)人車間各制造執(zhí)行單元主要通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部及外部通訊。如圖6所示，每臺(tái)打印機(jī)首先通過(guò)串口和對(duì)應(yīng)的IPC通訊，每臺(tái)IPC則直接通過(guò)網(wǎng)線連接至車間局域網(wǎng)。倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的PLC和IPC首先連接至該系統(tǒng)專用交換機(jī)，然后通過(guò)該交換機(jī)連接至車間局域網(wǎng)，通過(guò)該交換機(jī)，倉(cāng)儲(chǔ)IPC上的智能倉(cāng)儲(chǔ)人機(jī)界面可直接訪問(wèn)倉(cāng)儲(chǔ)PLC數(shù)據(jù)。與此類似，對(duì)機(jī)器人及導(dǎo)軌組成的搬運(yùn)系統(tǒng)，機(jī)器人控制器、導(dǎo)軌PLC、總控PLC以及IPC首先連接至該系統(tǒng)專用交換機(jī)，然后通過(guò)該交換機(jī)連接至車間局域網(wǎng)，通過(guò)該交換機(jī)，一方面總控PLC可通過(guò)組態(tài)軟件和機(jī)器人控制器及導(dǎo)軌PLC組態(tài);另一方面，IPC可直接訪問(wèn)總控PLC。

圖6 制造執(zhí)行系統(tǒng)物理通訊框架

主控IPC和Web服務(wù)器直接和工廠局域網(wǎng)相連，其中Web服務(wù)器又和外網(wǎng)相連，上面運(yùn)行三維打印云平臺(tái)網(wǎng)站，用戶可在外網(wǎng)完成打印訂單下達(dá)。主控IPC是無(wú)人車間控制的核心單元。在此通訊框架下，主控IPC可直接訪問(wèn)各臺(tái)打印機(jī)IPC、倉(cāng)儲(chǔ)IPC、倉(cāng)儲(chǔ)PLC、搬運(yùn)IPC、搬運(yùn)總控PLC、機(jī)器人控制器、導(dǎo)軌PLC以及Web服務(wù)器等。為降低各控制單元耦合程度，如圖7所示，邏輯上主控IPC僅和打印機(jī)IPC、倉(cāng)儲(chǔ)IPC以及搬運(yùn)IPC通訊，通過(guò)間接調(diào)用這些IPC上的API實(shí)現(xiàn)和下位設(shè)備通訊。

圖7 制造執(zhí)行系統(tǒng)邏輯通訊框架

4 制造執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的生產(chǎn)線大都將PLC為主控單元，其優(yōu)勢(shì)在于來(lái)自不同設(shè)備的PLC可以組態(tài)，易于協(xié)調(diào)各設(shè)備工作節(jié)拍。然而對(duì)于本文三維打印無(wú)人車間，完全依靠PLC實(shí)現(xiàn)車間控制難度較大。這是因?yàn)榇蛴C(jī)的控制程序運(yùn)行在IPC上，很難和機(jī)器人、導(dǎo)軌以及倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的PLC直接組態(tài)；另一方面，以PLC為車間主控的架構(gòu)也很難實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)訂單數(shù)據(jù)下載。本文開發(fā)的三維打印無(wú)人車間以IPC為主控單元，通過(guò)主控程序及設(shè)備狀態(tài)表協(xié)調(diào)各制造執(zhí)行單元有序工作。

4.1 控制軟件架構(gòu)

無(wú)人車間制造執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件架構(gòu)如圖8所示，包括一個(gè)云平臺(tái)網(wǎng)站、一套主控程序、一套駐留程序、兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)以及三套下位控制程序，其中運(yùn)行于主控IPC上的主控程序和設(shè)備狀態(tài)表為控制核心，駐留程序?yàn)橥ㄓ嵑诵?，云平臺(tái)網(wǎng)站為用戶接口，用于生成打印訂單，運(yùn)行于下位IPC上的各控制程序一方面負(fù)責(zé)收集設(shè)備狀態(tài)，另一方面負(fù)責(zé)和駐留程序通訊。

駐留程序使用WCF(Windows Communication Foundation)庫(kù)開發(fā)，WCF是由微軟開發(fā)的一系列支持?jǐn)?shù)據(jù)通信的應(yīng)用程序框架。駐留程序和狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)相連，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含3張?jiān)O(shè)備狀態(tài)表，分別為打印機(jī)狀態(tài)表、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)狀態(tài)表、搬運(yùn)系統(tǒng)狀態(tài)表，其中打印狀態(tài)表包含10條記錄，分別對(duì)應(yīng)10臺(tái)打印機(jī)，倉(cāng)儲(chǔ)和搬運(yùn)系統(tǒng)狀態(tài)表各僅包含1條記錄。駐留程序?qū)ν鈨H提供HTTP訪問(wèn)接口，外部程序使用POST方法封裝SQL語(yǔ)句和駐留程序通訊，間接完成對(duì)各狀態(tài)表讀寫。如某臺(tái)打印機(jī)需要向狀態(tài)表更新自身運(yùn)行數(shù)據(jù)，則它首先需要封裝一條以“UPDATE”開頭的SQL更新語(yǔ)句，然后使用POST方法將其發(fā)送至駐留程序，完成狀態(tài)更新。類似地，如果某臺(tái)打印機(jī)需要獲取狀態(tài)表數(shù)據(jù)，則它需向駐留程序POST一條以“SELECT”開頭的SQL查詢語(yǔ)句。

圖8 制造執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件架構(gòu)

主控程序通過(guò)改寫狀態(tài)表間接操控各下位控制程序及設(shè)備。以下以打印機(jī)狀態(tài)表為例說(shuō)明，倉(cāng)儲(chǔ)和搬運(yùn)系統(tǒng)狀態(tài)表類似。打印機(jī)狀態(tài)表包含的主要字段如表1所示，表中ID字段為打印機(jī)編號(hào)，因有10臺(tái)打印機(jī)，故取值為1～10；OrderID為打印機(jī)當(dāng)前打印的訂單編號(hào)。Emergency字段用于控制打印機(jī)急停，當(dāng)打印機(jī)控制程序讀取到該字段為true時(shí)，則急停打印機(jī)。LayerCount和LayerIndex為打印過(guò)程狀態(tài)參數(shù)，由打印機(jī)控制程序?qū)懭?，通過(guò)這兩個(gè)字段可計(jì)算當(dāng)前打印進(jìn)度。LastUpdateTime為打印機(jī)控制程序最后讀寫狀態(tài)表時(shí)間戳，主控程序通過(guò)對(duì)比時(shí)間戳和當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間判斷打印機(jī)是否仍然在線。

表1 打印機(jī)狀態(tài)表設(shè)計(jì)

State為打印機(jī)控制的關(guān)鍵字段。State為0表示打印機(jī)處于空閑狀態(tài)。State為1須由主控程序?qū)懭?，表示開始打印任務(wù)，當(dāng)打印機(jī)控制程序掃描到State為1時(shí)，則從ModelPath指示的遠(yuǎn)程FTP路徑下載模型文件，開始切片、打印過(guò)程。當(dāng)打印機(jī)進(jìn)入打印狀態(tài)時(shí)，其控制程序?qū)tate寫為2，表示打印任務(wù)正在執(zhí)行中。當(dāng)打印完成后，打印控制程序?qū)tate寫為3，表示打印任務(wù)完成；當(dāng)主控程序讀取到State為3時(shí)，將其重置為0，即恢復(fù)打印機(jī)空閑狀態(tài)，等待下一次打印任務(wù)。

4.2 主控程序設(shè)計(jì)

主控程序通過(guò)不斷讀寫狀態(tài)表實(shí)現(xiàn)各制造執(zhí)行單元的生產(chǎn)調(diào)度以及運(yùn)行節(jié)拍控制，其基本工作循環(huán)如圖9所示。循環(huán)開始為延時(shí)子程序，避免主控程序?qū)顟B(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)頻繁訪問(wèn)而致其奔潰。本文設(shè)定主控程序循環(huán)延時(shí)為1 s，即循壞周期為1 s。延時(shí)后，主控程序?qū)⒋蛴C(jī)、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)以及搬運(yùn)系統(tǒng)3張狀態(tài)表中的所有數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，首先判斷所有打印機(jī)中是否有打印機(jī)的State為3。

圖9 主控程序基本工作循環(huán)

如果存在至少一臺(tái)打印機(jī)State為3，表示有打印機(jī)已完成打印，則進(jìn)一步檢查倉(cāng)儲(chǔ)和搬運(yùn)系統(tǒng)是否處于空閑狀態(tài)。如果這兩系統(tǒng)均空閑，則在兩系統(tǒng)狀態(tài)表中寫入控制下料的相關(guān)字段，最后將該打印機(jī)State重置為0，表示該打印機(jī)進(jìn)入空閑狀態(tài)，主控程序返回循環(huán)開始。如果倉(cāng)儲(chǔ)和搬運(yùn)系統(tǒng)處于忙碌狀態(tài)，則直接返回循環(huán)開始，如此往復(fù)，直至兩系統(tǒng)空閑，完成下料。

如果所有打印機(jī)State都不為3，則進(jìn)一步檢查是否有打印機(jī)State為0。如果有空閑打印機(jī)，則再進(jìn)一步檢查倉(cāng)儲(chǔ)和搬運(yùn)系統(tǒng)是否空閑。如果兩系統(tǒng)空閑，則主控程序向Web服務(wù)器打印訂單數(shù)據(jù)庫(kù)下載訂單信息，包括訂單號(hào)、模型文件等，然后寫倉(cāng)儲(chǔ)及搬運(yùn)系統(tǒng)上料相關(guān)字段，以及該空閑打印機(jī)ModelPath等相應(yīng)字段，最后將打印機(jī)State寫為1，表示開始打印，主控程序返回循環(huán)開始。在這一過(guò)程中，如果無(wú)空閑打印機(jī)或倉(cāng)儲(chǔ)、搬運(yùn)系統(tǒng)處于忙碌狀態(tài)，則直接返回循環(huán)開始。

5 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，三維打印已逐漸進(jìn)入了教育培訓(xùn)領(lǐng)域，但較長(zhǎng)的工時(shí)和復(fù)雜的工藝在一定程度上限制了三維打印課程的深化和進(jìn)一步推廣。據(jù)此，本文開發(fā)了一套面向網(wǎng)絡(luò)制造的三維打印無(wú)人車間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其技術(shù)特點(diǎn)包括：

(1) 面向網(wǎng)絡(luò)化制造。三維打印無(wú)人車間通過(guò)云平臺(tái)網(wǎng)站向用戶提供打印服務(wù)，用戶只需在網(wǎng)站上上傳或選擇所需模型，完成下單操作，便可將打印任務(wù)下達(dá)至制造車間，并可通過(guò)云平臺(tái)查看打印進(jìn)度。

(2) 打印托盤互換性設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)打印機(jī)底部工作臺(tái)面的改造，以六邊形鋼化玻璃托盤替代原本一體的工作臺(tái)面，并使用電磁鐵固定托盤，解決了因三維打印模型個(gè)性化程度高、形狀各異造成的夾具設(shè)計(jì)困難、脫料困難等問(wèn)題。

(3) 基于狀態(tài)表的生產(chǎn)線控制方法。以主控IPC上的WCF駐留程序?yàn)橥ㄓ嵑诵?，以主控程序及設(shè)備狀態(tài)表為控制核心，主控程序及下位IPC控制程序通過(guò)HTTP協(xié)議間接讀寫設(shè)備狀態(tài)表，實(shí)現(xiàn)下位制造執(zhí)行單元有序工作。