適用于學生自主實踐的機械臂式3D打印機的研制

田建濤　左中鵝　邢愛民　巴宇婷　姜旭

摘 要：針對目前高等學校使用的成品3D打印機在學生自主實踐時出現(xiàn)的直觀性差、人機比高的問題，提出了一款適用于高校學生自主實踐的機械臂式3D打印機。該3D打印機的整體框架采用全開放式的機械系統(tǒng)，硬件控制系統(tǒng)采用大學生熟知的Arduino主控板，軟件控制系統(tǒng)采用完全開源的Repetier-host軟件、cura軟件和Arduino IDE軟件。該3D打印機組成元件一部分由學生自制，一部分選用通用電子元件，成本控制在1000元左右，從而保證實踐課程中3：1的人機比。

關(guān)鍵詞：自主實踐 機械臂式 3D打印機 開放式機械系統(tǒng) Arduino

Development of Robot Arm 3D Printer Suitable for Students' Independent Practice

Tian Jiantao，Zuo Zhonge，Xing Aimin，Ba Yuting，Jiang Xu

Abstract：Aiming at the problems of poor intuition and high man-machine ratio of the finished 3D printer used in colleges and universities in students' independent practice， a manipulator 3D printer suitable for college students' independent practice is proposed. The overall framework of the 3D printer adopts a fully open mechanical system， the hardware control system adopts the Arduino main control board familiar to college students， and the software control system adopts the completely open source repeater host software， cura software and Arduino IDE software. Some components of the 3D printer are self-made by students， and some are general electronic components. The cost is controlled at about 1000 yuan， so as to ensure the 3：1 man-machine ratio in the practical course.

Key words：autonomous practice， manipulator， 3D printer， open mechanical system， Arduino

1 引言

隨著我國工業(yè)和信息化部《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》的提出，3D打印機已被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)中。為此，越來越多的以培養(yǎng)應(yīng)用型、技術(shù)技能性人才為目標的高等學校在現(xiàn)有工程實踐教育的基礎(chǔ)上增設(shè)了3D打印機類實踐課程，有條件的學校還購置了成品3D打印機，建立了增材制造實驗室，但仍有部分學校因資金問題，仍以觀看線上視頻來代替現(xiàn)場操作。

2 高等學校3D打印機類實踐課程的特點

為了調(diào)查高等學校3D打印機類實踐課程的特點，項目組成員走訪山西省的應(yīng)用型、技術(shù)技能型高等學校，發(fā)現(xiàn)此類學校開展3D打印機類實踐課程的主要目標是培養(yǎng)學生的實踐動手能力;運用的教學方法是以問題為導向、以學生為中心的項目式教學;培養(yǎng)模式為模擬學科競賽的常見組隊形式，即人機比為3：1，分別負責3D打印機的機械、電子、軟件部分;課程內(nèi)容為認識3D打印機、設(shè)計3D打印機、制造3D打印機;教學流程包含集體學習理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場分組制造實物兩個環(huán)節(jié)，具體過程如下：

（1）老師為學生講授3D打印技術(shù)以及3D打印機的工作原理;（2）老師為學生講授及演示3D打印機的設(shè)計流程、制造過程、編程控制、調(diào)試及安全注意事項;（3）學生分組完成收集信息、設(shè)計方案，各小組互相評價并將最優(yōu)方案報送老師;（4）老師檢查各小組方案的可行性，項目實施，最終研制出3D打印機;（5）總結(jié)整個項目過程，并為下一個項目做準備。

3 組裝式3D打印機在高等學校實踐課程中的優(yōu)勢

目前高等學校學生使用的3D打印機仍然是由校方從生產(chǎn)廠家成品采購而來。這樣的3D打印機用到實踐課程中，會導致以下兩個問題：

（1）為了避免學生因誤操作而損壞3D打印機，生產(chǎn)廠家往往采用封閉式機械系統(tǒng)和按鈕式軟件操作界面，導致學生無法直觀學習3D打印機的設(shè)計、制造及調(diào)試過程;（2）為了保證3D打印機的使用壽命，往往引入高端技術(shù)，導致機器價格昂貴，普遍在1萬元以上，人機比無法滿足教學要求3：1。

針對以上問題，項目組成員研制了一款適用于高等學校學生自主實踐的機械臂式3D打印機（如圖1所示），它的優(yōu)勢如下：

（1）采用全開放式機械系統(tǒng)，讓學生可以直觀的看到3D打印機工作時各構(gòu)件之間的運動關(guān)系和力傳遞，便于掌握3D打印機的工作原理，為后期自主設(shè)計作準備;（2）該打印機的各元件全部采用通用件或標準件，學校只需按元件清單批量采購，制作成本可控制在1000元左右，從而保證了3：1的人機比。（3）采用大學生熟知的Arduino單片機和Arduino IDE編程軟件，讓學生可以根據(jù)所需功能自主編寫控制程序;（4）由于該3D打印機的硬件部分是由學生自主裝配的，軟件部分也是由學生自主編寫的，所以維修過程可由學生自主完成，大大減少了維修成本。

綜上所述，僅從高等學校3D打印機類實踐課程的需求考慮，項目組研制的適用于學生自主實踐的機械臂式3D打印機要優(yōu)于生產(chǎn)廠家研制的成品3D打印機。

4 機械臂式3D打印機的設(shè)計方案

4.1 全開放式機械系統(tǒng)

由熔融沉積成型技術(shù)（FDM）原理可知，打印3D模型需要3D打印機的噴頭能夠在X、Y、Z三個方向上精準定位，這對各元件的安裝精度有一定要求。因此，如何在保證打印精度的前提下，實現(xiàn)便于學生直觀學習的全開放式機械系統(tǒng)是組裝式3D打印機的設(shè)計重點和難點。

目前市場上的FDM型3D打印機機械框架多采用矩形盒式結(jié)構(gòu)、矩形桿式結(jié)構(gòu)和三角爪式結(jié)構(gòu)，這三種結(jié)構(gòu)形式各有優(yōu)缺點。項目組成員以便于學生自主實踐的全開放式機械系統(tǒng)為設(shè)計背景，在打印精度和安裝容易度之間取平衡點后確定出最佳機械系統(tǒng)方案。它將可能影響打印精度的42步進電機、滑輪組全部安裝在三根自帶滑槽導軌的鋁合金框架上，即能滿足打印精度又方便學生自主安裝。

項目組成員設(shè)計的組裝式3D打印機機械系統(tǒng)主要由支撐部分、傳動組部分和執(zhí)行組部分組成。其中（1）支撐部分的結(jié)構(gòu)形式采用正三棱柱，由鋁合金框架4和PLA連接件2通過直接嵌入連接，再加以螺絲固定，即能保證高速打印對結(jié)構(gòu)剛度的要求，又能保證機器的輕量化要求。支撐部分采用開放式框架，打印超高3D模型時，可通過增加鋁合金框架的高度來滿足，大大提高了其適用范圍。（2）傳動組部分由3、42步進電機;5、滑輪組;6、接頭;7、碳纖維桿;8、噴嘴固定座;皮帶組成。為了保證3D打印機的加工精度，采用機械臂式機械傳動，即在正三棱柱框架上建立三套獨立的互為120°的傳動系統(tǒng)，這樣可以準備的將控制軟件輸出的三個滑塊的直線運動轉(zhuǎn)換成打印頭的空間坐標。各零件的安裝步驟為先將42步進電機安裝在正三棱柱底座的三個連接件上，再通過皮帶將42步進電機與三個側(cè)棱上移動的滑輪組連接，最后通過接頭和碳纖維桿將滑輪組與噴嘴固定座相連接。（3）執(zhí)行組部分是將送絲機8、打印頭9、風扇10導管組成。送絲機由另一臺固定在正三棱柱頂端連接件的42步進電機提供，將打印耗材通過導管從打印頭上方送入。在打印頭外安裝風扇，對導管頭進行散熱。

4.2 硬件控制系統(tǒng)

Arduino作為一種開源硬件，已成為我國中學生學習機器人編程的首選，為此，項目組成員選用Arduino Mega 2560主控板12搭載RAMPS1.4擴展板13和A4988電機驅(qū)動板14組成3D打印機硬件控制系統(tǒng)的核心部件，用它來控制3D打印機的運動控制模塊、人機交互控制模塊等硬件模塊。（1）在核心部件中，Arduino Mega 2560是采用USB接口的核心電路板，具有54路數(shù)字I/O口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕，主要作用是接收軟件控制系統(tǒng)中PC（上位機）生成的G代碼，并以此來控制RAMPS1.4擴展板、驅(qū)動A4988電機驅(qū)動板，進而實現(xiàn)42步進電機的步進。（2）運動控制模塊是將笛卡爾空間坐標轉(zhuǎn)換成三個滑塊的直線運動，從而使3D打印頭按照預(yù)設(shè)軌跡進行打印。（3）人機交互控制模塊中，通過SD卡讀取三維模型并將其主要參數(shù)顯示在觸摸屏上，操作人員可根據(jù)實際情況設(shè)置當前模型的坐標原點、打印頭的溫度、風扇的速度等打印參數(shù)。待打印開始后，觸摸屏實時顯示打印狀態(tài)、當前溫度等信息。

4.3 軟件控制系統(tǒng)

項目組成員研制的3D打印機的軟件控制系統(tǒng)仍采用PC端（即上位機）和單片機（即下位機）聯(lián)合工作的方式運行。（1）PC端（即上位機）的開發(fā)需要接合已完成的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和硬件控制系統(tǒng)，為此，在Repetier-host（調(diào)試及打印軟件）源碼的基礎(chǔ)上對其進行了二次開發(fā)，在Cura（切片軟件）源碼的基礎(chǔ)上對其進行了二次開發(fā)，并以上兩個軟件可以無縫銜接，最終實現(xiàn)將三維模型參數(shù)精準的轉(zhuǎn)換成單片機可識別的控制參數(shù)，同時還能實時接收單片機傳回的動態(tài)反饋信息。（2）單片機（即下位機）的處理器核心是安裝了基于Arduino IDE軟件開發(fā)的固件Marlin的ATmega 2560芯片，它在3D打印機中相當于大腦，不僅要接收PC端傳來的打印三維模型所需的G代碼指令，還要將其轉(zhuǎn)化為打印機各配件相應(yīng)的執(zhí)行動作，從而保證打印機的精確、穩(wěn)定的完成復雜的打印工作。

5 結(jié)語

隨著3D打印機的廣泛應(yīng)用，將來會有更多的學生加入到3D打印機類的實踐課程中去，這就對實踐設(shè)備在開放式機械系統(tǒng)、開源性控制程序以及單機價格方面提出了更高的要求。這樣一來，項目組研制的適用于自組裝式3D打印機相比生產(chǎn)廠家出售的成品3D打印機的優(yōu)勢就會越來越突出。

基金項目：本文系2019年山西省高等學校教學改革創(chuàng)新項目““金課”視域下的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系機制探索”（項目編號：J2019255）和2017年山西省高等學校教學改革創(chuàng)新項目“獨立學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機器人及實踐平臺建設(shè)與應(yīng)用研究”（項目編號：J2017149）的研究成果。

參考文獻：

[1]徐海璐.基于機械臂的3D打印機控制系統(tǒng)研究[J]. 機械工程師，2021（5）：9-10.

[2]倪笑宇.基于Arduino的3D打印機設(shè)計開發(fā)[J].河北建筑工程學院學報，2019（1）：141-144.

[3] 蔡團團.基于Delta并聯(lián)機械結(jié)構(gòu)的3D打印機研究[J].制造技術(shù)與機床，2017（6）：57-61.

[4]李琴琴.電子工藝實踐教學創(chuàng)新探索[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2019（22）24-25，28.

[5]劉魯剛.3D打印機的設(shè)計與制作[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.09.

[6]齊衛(wèi).項目式教學過程與效果評價[J].河北師范大學學報（教育科學版），2020（6）：119-121.

[7]張利成.淺談3D打印技術(shù)與工業(yè)發(fā)展[J].中國電氣工程學報，2019（29）.