安卓平臺(tái)中3D打印機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐路徑

張歡 余麗 江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院

引言：3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)已應(yīng)用到部分企業(yè)之中，因其快速成型的特性，可提升企業(yè)的工作效率。實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印機(jī)的遠(yuǎn)程操控，應(yīng)選擇正確的主控制器芯片、并對(duì)3D打印設(shè)備進(jìn)行正確結(jié)構(gòu)分析，選取正確組件完成對(duì)打印設(shè)備的組建。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通過對(duì)元器件的選擇，并以其高效的傳輸系統(tǒng)可對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行穩(wěn)定傳輸，可達(dá)到其精準(zhǔn)的操控性。

1 3D打印機(jī)原理構(gòu)造

1.1 3D打印機(jī)構(gòu)造

3D打印機(jī)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的衍生設(shè)備，可對(duì)物體進(jìn)行立體打印，但其打印出的物體只是以模型的形態(tài)存在，不具備具體功能。當(dāng)前3D打印機(jī)技術(shù)的不斷成熟，現(xiàn)已被應(yīng)用到多領(lǐng)域中。在部分制造業(yè)中，通過計(jì)算機(jī)的三維立體建模，對(duì)3D打印機(jī)執(zhí)行命令，直接對(duì)零件進(jìn)行加工，可提升整體工作效率。3D打印機(jī)由多種技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過技術(shù)之間銜接使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，其包括機(jī)械自動(dòng)化工程技術(shù)、分層式加工技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)傳輸技術(shù)和伺服驅(qū)動(dòng)器操控技術(shù)。

3D打印機(jī)在主要由控制系統(tǒng)模塊、動(dòng)力傳輸模塊、壓力擠出模塊和加工平臺(tái)等組成。其中控制系統(tǒng)模塊主要是對(duì)指令信息進(jìn)行掃描；動(dòng)力傳輸模塊負(fù)責(zé)在系統(tǒng)中對(duì)材料進(jìn)行試壓；壓力擠出模塊主要對(duì)加工材料進(jìn)行加熱，材料通過加熱變形，然后對(duì)其進(jìn)行壓力擠出；加工平臺(tái)為系統(tǒng)提供物體加工場(chǎng)地，通過物體在平臺(tái)X、Y、Z軸進(jìn)行相應(yīng)移動(dòng)，以滑桿、滑車、導(dǎo)軌和電動(dòng)機(jī)等為聯(lián)動(dòng)裝置，通過聯(lián)動(dòng)定位使物體在加工平臺(tái)上進(jìn)行精確路徑移動(dòng)。

1.2 3D打印機(jī)原理

3D打印機(jī)作為積累性制造技術(shù)的代表，可通過對(duì)材料的加工使其可快速成型，其系統(tǒng)運(yùn)行基于數(shù)字建模，通過數(shù)據(jù)信息的指令使其進(jìn)行加工。當(dāng)前一般采用綜合性能較高的蠟質(zhì)材料、粉末狀金屬材料和粘合性能較強(qiáng)的塑料，在加工過程中以堆積的方式，將材料進(jìn)行層層累積，在加工臺(tái)上展現(xiàn)出立體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，3D打印機(jī)通過讀取計(jì)算機(jī)的建模文件信息，由壓力擠出模塊對(duì)材料進(jìn)行加熱，使材料具有可塑性，并將可塑性材料由動(dòng)力裝置擠壓在工作臺(tái)上，通過逐層遞增的方式對(duì)物料進(jìn)行增加，控制系統(tǒng)對(duì)上級(jí)信息讀取并進(jìn)行G-Code指令傳輸，使打印機(jī)的操作流程按照建模信息進(jìn)行工作。通過3D打印顯示器可觀察到當(dāng)前工作狀態(tài)，并可直觀對(duì)X、Y、Z軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)式了解，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用的主控制器芯片為Arduino Altmega2560型號(hào),Ramp1.5為平臺(tái)控制主板。

2 安卓平臺(tái)中3D打印機(jī)設(shè)計(jì)

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，以其個(gè)性化、創(chuàng)意化、簡(jiǎn)潔化等作為主要發(fā)展方向，在進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)時(shí)，以安卓平臺(tái)（Android）為基礎(chǔ)，搭建遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，完成對(duì)3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)。由于Android平臺(tái)的應(yīng)用廣泛，可使用智能手機(jī)和便攜式電腦完成對(duì)3D打印機(jī)的控制，通過技術(shù)的融合可使提升3D打印機(jī)的工作效率。此次對(duì)基于Android平臺(tái)的3D打印機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以無線連接為主，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息進(jìn)行傳輸達(dá)到遠(yuǎn)程控制的效果，其加工工藝以熔積成型技術(shù)為主，將可塑性材料通過在壓力噴頭裝置進(jìn)行加熱融化，以沉積材料的方式進(jìn)行逐層積累，完成對(duì)模型的構(gòu)建。在整體設(shè)計(jì)過程中，其市面常見的搭載Android平臺(tái)的智能手機(jī)作為控制終端，在3D打印機(jī)內(nèi)安置與手機(jī)匹配的藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)，藍(lán)牙設(shè)備裝置的安裝是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)，并應(yīng)進(jìn)行調(diào)試，保證系統(tǒng)可流暢運(yùn)行。如圖一所示

圖一 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 安卓平臺(tái)中3D打印機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)踐路徑

選取適用型藍(lán)牙系統(tǒng)將Android平臺(tái)與3D打印設(shè)備進(jìn)行連接，此運(yùn)行系統(tǒng)選用HC-06無線藍(lán)牙模塊，可對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行串口式透?jìng)?，其可?duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行穩(wěn)定性傳輸。HC-06藍(lán)牙模塊使用跳頻技術(shù)，可對(duì)3D打印機(jī)設(shè)備進(jìn)行BR射頻使數(shù)據(jù)達(dá)到高速傳輸，將藍(lán)牙模塊調(diào)整為單信道傳輸模式，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)性。

選用的控制主板Ramp1.5應(yīng)選擇雙引腳串口模式，將HC-06無線藍(lán)牙模塊相連接，提升內(nèi)部信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性，應(yīng)在串口接點(diǎn)出進(jìn)行加固，防止在加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)使引腳處接觸不良，導(dǎo)致無法進(jìn)行藍(lán)牙控制。Arduino Altmega2560主控制器芯片在使用前，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查防止其搭載其它平臺(tái)，導(dǎo)致平臺(tái)不兼容等情況。選取新代Arduino Altmega2560為主控制器芯片，主要其對(duì)復(fù)位電路進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)備可進(jìn)行格式化，其接口芯片也搭載了ATmega8U2，可提升其傳輸速度。通過與Android平臺(tái)系統(tǒng)連接，將其傳輸波特率設(shè)定為115200bps，在此速率下可使信息進(jìn)行高效傳輸，可使無線控制范圍增大，且具有一定的穿透能力，經(jīng)實(shí)際測(cè)得，其可控范圍約為15m。

對(duì)智能終端設(shè)備進(jìn)行選擇時(shí)，依據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)的主環(huán)境下，選擇搭載Android平臺(tái)的智能手機(jī)作為控制終端（上位機(jī)），以集成開發(fā)環(huán)境（Eclipse）為主研發(fā)平臺(tái)。在進(jìn)行操作時(shí)首先打開智能設(shè)備app，打開藍(lán)牙端口，并對(duì)G-Code指令進(jìn)行輸出，在打開智能設(shè)備時(shí)，對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行通電，將其與終端進(jìn)行藍(lán)牙相連，并接受手機(jī)的G-Code指令，通過指令傳輸使3D模型進(jìn)入工作狀態(tài)，使系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，通過噴頭加熱擠壓模式對(duì)材料進(jìn)行導(dǎo)出，完成對(duì)3D模型的構(gòu)建。在對(duì)3D打印機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控時(shí)，應(yīng)對(duì)設(shè)備的三維坐標(biāo)系進(jìn)行重置調(diào)節(jié)，并設(shè)置相應(yīng)的起始位置，應(yīng)添加相應(yīng)的輔助設(shè)備，使機(jī)器進(jìn)入可持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，加裝相應(yīng)的冷循環(huán)系統(tǒng)，使3D打印機(jī)設(shè)備在工作過程中產(chǎn)生高溫得以降低，進(jìn)而提升3D打印機(jī)的工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)工作原理進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)3D打印機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過選用Android平臺(tái)作為操控終端，選擇Arduino Altmega2560為主控制器芯片，無線傳輸系統(tǒng)以HC-06無線藍(lán)牙模塊為主，進(jìn)行主系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其可對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行穩(wěn)定的傳輸，通過對(duì)整體操控指令的設(shè)計(jì)優(yōu)化，可使其工作流程更為流暢。在3D打印設(shè)備進(jìn)行工作時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的輔助設(shè)備，可提升3D打印設(shè)備的運(yùn)行速率。