3D打印照相機(jī)設(shè)計(jì)

袁健 葛昊 徐濤

摘?要：本文提出一種3D打印照相機(jī)，通過掃描儀、色感應(yīng)機(jī)構(gòu)模塊、打印機(jī)控制系統(tǒng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、同步信息交換模塊完成對人像的3D打印照相。以UG作為設(shè)計(jì)平臺，對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)及外殼進(jìn)行設(shè)計(jì)與建模并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：3D打印;照相;優(yōu)化;設(shè)計(jì)

3D打印目前處于一個(gè)快速發(fā)展的階段，但存在直接開模制作生產(chǎn)，一旦產(chǎn)品有設(shè)計(jì)問題將全部報(bào)廢，大大浪費(fèi)人力和物力，同時(shí)存在打印的人物死板、色彩單調(diào)等問題。我們設(shè)計(jì)了一款3D打印照相機(jī)，在打印時(shí)給人物上色，人物顯得生動(dòng)形象，穩(wěn)定性好。

1?機(jī)械部分設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)主要包括掃描機(jī)構(gòu)（圖1）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖2）、升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1投影儀?2雙目相機(jī)?3三角支架?4站臺

圖1?掃描機(jī)構(gòu)

1曝光屏?2打印機(jī)外殼?3機(jī)架?4X導(dǎo)軌?5封桿6噴頭裝?7水箱?8工作臺?9Y導(dǎo)軌?10開關(guān)

圖2?執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.1?掃描機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

掃描機(jī)構(gòu)主要包括由Basler?Aea130030gm型組成雙目相機(jī)、PDC03型光柵投影儀、同步輸出/CCD外觸發(fā)接口、電源接口等。選用兩臺Basler?Aea130030gm工業(yè)相機(jī)作為同步光柵。

數(shù)據(jù)采集，共有三種工作模式：外觸發(fā)、內(nèi)觸發(fā)和軟觸發(fā)。先連接并固定兩臺相機(jī)構(gòu)成雙目相機(jī)，保持相機(jī)間約10cm距離。分別用t=1，t=8和t=64，按照LIU算法進(jìn)行雙像相位特征匹配，實(shí)現(xiàn)四步相移法求得包裹相位并展開、時(shí)間相位展開算法解包裹相位。按照PDC03型光柵投影儀特有特點(diǎn)，根據(jù)光柵圖片制作的灰度圖像，其分辨率為1280*800，正弦光柵按照橫向和縱向排列。

1.2?執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括入料機(jī)構(gòu)、噴頭機(jī)構(gòu)、輪盤機(jī)構(gòu)、色感應(yīng)機(jī)構(gòu)。

入料機(jī)構(gòu)由機(jī)器后側(cè)的進(jìn)料管、料盤盒和送料電機(jī)組成，在打印前提前將耗材頭剪成塔尖形狀，以便穿入導(dǎo)絲管及進(jìn)料電機(jī)孔。先將耗材穿過導(dǎo)絲管，然后從電機(jī)小孔出穿入，一直送到噴頭電機(jī)進(jìn)料口。3D打印機(jī)噴頭加熱到200度以上，將耗材穿入進(jìn)料口，然后擰緊調(diào)節(jié)螺釘旋鈕[1]。

噴頭機(jī)構(gòu)主要由噴嘴、加熱塊和散熱扇組成，利用加熱塊進(jìn)行噴頭加熱，將材料加熱融化。

通過噴頭內(nèi)部流道。FDM熔融沉積[2]對材料加熱至熔融狀態(tài)，然后從3D打印頭中噴出。為防止溫度過高對噴頭及管道造成損壞，采用傳統(tǒng)散熱扇進(jìn)行降溫，便捷有效，也更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

輪盤機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)分為六個(gè)獨(dú)立倉的輪盤組成，分為六個(gè)微細(xì)噴嘴，不同倉可存儲不同色彩的顏料，用于給人物上色，且每個(gè)倉都是獨(dú)立存在的，不會產(chǎn)生干擾，即使有一個(gè)倉出現(xiàn)故障，也不會影響其他倉的工作，可以在打印完成后在進(jìn)行替換和維修，大大節(jié)省了時(shí)間，優(yōu)化了打印機(jī)的容錯(cuò)率，加大了工作效率。

色感應(yīng)機(jī)構(gòu)由曝光屏和感光乳劑噴頭組成，X方向?qū)蜉S上設(shè)置有感光乳劑噴頭，3D打印機(jī)正上方設(shè)有曝光屏，根據(jù)指令配合輪盤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換不同顏色噴頭，打印相對應(yīng)的顏色，及時(shí)為人物上色，減少了后期加工，優(yōu)化了3D打印工序[3]。

1.3?升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由Y0728D15010D型步進(jìn)電機(jī)、XYZ三系運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向軸和打印工作平臺組成，3D打印機(jī)內(nèi)部橫向兩側(cè)各設(shè)置X方向?qū)蜉S，X方向?qū)蜉S的兩端在Y方向?qū)蜉S上滑動(dòng)連接，打印機(jī)噴頭在X方向?qū)蜉S上滑動(dòng)連接，工作平臺設(shè)置在3D打印機(jī)內(nèi)部中央，上述感光乳劑噴頭在X方向?qū)蜉S上滑動(dòng)連接。直線導(dǎo)軌用螺栓固定在鋁型材上，然后一起固定在底座上。三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別和相應(yīng)的同步帶輪用聯(lián)軸器連接，同步帶上裝有直線軸承，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)直線軸承運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向的移動(dòng)。

2?控制部分設(shè)計(jì)

3D打印機(jī)由控制計(jì)算機(jī)、參數(shù)檢測和輸出驅(qū)動(dòng)、輸入輸出通道、人機(jī)聯(lián)系設(shè)備構(gòu)成?？刂屏鞒虉D如圖3所示，預(yù)先設(shè)定好控制規(guī)律，控制計(jì)算機(jī)對輸入的信息處理分析，檢測參數(shù)并輸出驅(qū)動(dòng)：當(dāng)需要被檢測的對象參數(shù)是模擬量時(shí)，可通過傳感器將參數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)需要被檢測的對象參數(shù)是模開關(guān)量時(shí)，直接用開關(guān)型元件檢測。輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)，根據(jù)模擬量輸出指令，驅(qū)動(dòng)元件控制被控對象啟動(dòng)、停止、速度、加速度、位置等參數(shù);開關(guān)量主要控制驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)行工作狀態(tài)。通過人機(jī)交互設(shè)備（鍵盤和顯示器），輸入控制命令和數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行查找及故障診斷，檢查運(yùn)行中數(shù)據(jù)是否有誤等[4]。

3?創(chuàng)新點(diǎn)

功能全面。本產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)掃描打印上色一體化的功能。

結(jié)構(gòu)簡單，工作部分采用簡約的設(shè)計(jì)使本產(chǎn)品能短時(shí)間內(nèi)快速生產(chǎn)增加數(shù)量。

模塊化設(shè)計(jì)，便于替換維修，降低成本。

智能化，只需在打印前設(shè)置好參數(shù)，本產(chǎn)品就能自行完成打印工作。

4?結(jié)語

通過對3D打印照相機(jī)系統(tǒng)化數(shù)字化的研究設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)3D打印照相自主打印上色一體化操作。產(chǎn)品主要定位在新婚、旅游等具有紀(jì)念意義的場合，該3D打印照相機(jī)能實(shí)現(xiàn)掃描、建模打印、上色等功能，相比于傳統(tǒng)打印機(jī)裝置，具有打印效率高、智能化高、成品質(zhì)量更好等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳超，段倩倩，等.基于變論域模糊PID的3D打印機(jī)噴頭運(yùn)動(dòng)控制[J].信息技術(shù)，2020，44（09）：2126+32.

[2]朱博文，趙永強(qiáng).不同材料3D打印擠出頭的熱力耦合分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020，45（17）：160163.

[3]李子秋，甘新基，等.基于FDM彩色3D打印自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2020（05）：109112.

[4]劉長華，張衛(wèi)華，等.基于3D打印設(shè)備的機(jī)械與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2020，33（06）：123128.

作者簡介：袁健（1968—?），男，漢族，碩士，鹽城工學(xué)院副教授，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論;葛昊，鹽城工學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生;徐濤，鹽城工學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生。