基于Android平臺的3D打印機控制系統的設計與實現

摘 要：基于熔融沉積成型工藝（FDM）3D打印機的發展與應用，本文提出一種Delta機構、低成本、無線連接的3D打印機設計方案，通過藍牙設備實現手機或平板電腦等Android移動平臺與3D打印機的數據傳輸與遠程控制。實踐證明，該設計能夠增強3D打印機使用的便捷性，有利于3D打印機的快速推廣與使用。

關鍵詞：Android移動平臺；3D打印機；藍牙

中圖分類號：TP391.73；TP311.56 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）06-0178-02

Abstract：Based on the development and application of FDM 3D printer，a design scheme of Delta mechanism，low cost and wireless connection 3D printer is proposed in this paper. The data transmission and remote control of Android mobile platform and 3D printer，such as cell phone or tablet computer are realized through Bluetooth devices. Practice has proved that this design can enhance the convenience of 3D printer and facilitate the rapid promotion and use of 3D printers.

Keywords：Android mobile platform；3D printer；Bluetooth

0 引 言

3D打印（Three Dimension Printing，3DP）又稱快速成型技術（Rapid Prototyping，RP），始于20世紀80年代后期[1]，是采用通過分層加工、疊加成型來生成實體，屬于增材制造技術范疇[2]。目前，該技術作為第三次工業革命的支柱，以其環保、個性化設計的性能被逐步應用于機械加工、航空制造、醫學工程及科研教育等領域[3-5]；但是，現階段大部分3D打印需要電腦或者其他存儲設備作為配件，裝備成本較高且不利于用戶的便捷使用[6]。

基于3D打印技術在手機、平板電腦等智能終端的廣泛應用，本文中筆者提出通過藍牙設備實現手機或平板電腦等Android移動平臺來實現3D打印的設計方案，意在為3D打印機的便捷化使用及快速推廣摸索一種途徑。

1 基于Android平臺的3D打印機總體設計

3D打印技術的信息化、便捷化、個性化和創意化發展將成為未來的核心方向，為此，本文提出一種通過藍牙設備實現手機或平板電腦等Android移動平臺來實現3D打印的設計方案。基于優勢互補設計理念[7]，整體設計是以實現無線連接的同時盡可能完善熔融沉積成型工藝（Fused deposition modeling，FDM）3D打印功能為主要目標；在設計過程中，選用標準件及市場上可利用的零件進行硬件設計，利用市場上流行的Android手機作為上位機，通過設計軟件并適配藍牙模塊作為開發重點。總體設計流程如圖1所示，即通過藍牙將手機軟件中3D模型切片分層生成的G-code發送到3D打印機中，以實現3D模型的打印輸出。

2 3D打印機的原理與結構

3D打印是隨著計算機輔助設計技術、機械制造工程技術、分層加工制造技術及伺服精密驅動控制技術等多種技術發展而發展的，其種類多種多樣，而本文設計過程中選用的是基于FDM工藝的Delta式3D打印機，具備成本低廉、結構簡單及方便維護等優勢。其機械結構與控制系統如圖2所示，包括工作平臺、擠出機構、動力裝置以及控制系統等。其中，工作平臺提供打印區域，以滑車導軌、滑車、步進電動機及同步帶驅動構成的Delta并聯機構實現X、Y、Z三個方向的平面運動；送絲機構提供打印材料，擠出機構負責加熱與擠出材料，控制系統負責掃描路徑。工作原理選用FDM工藝，即絲狀的熱塑性材料由擠出機構加熱并按照應有的軌跡與速率逐層沉積成型；控制系統負責接收并按照上位機傳送的G-code規定打印軌跡與速率，其構建上選用Arduino Mega2560為主控制板，Ramp1.4控制板為拓展平臺。

3 Android平臺的軟件開發

3D打印機與Android平臺的連接主要利用HC-06藍牙模塊，該藍牙模塊的主機與從機一體，具備傳輸穩定優點，在多種設計中應用廣泛。

以HC-06與3D打印機中的Ramp1.4控制板選用串口連接，在確認主控制板Arduino Mega2560未加載其他程序時與Android平臺軟件進行連接，并將藍牙模塊默認波特率改為115200bps，此串口通訊速率可以保證通信穩定，經測試可在10m以內范圍正常通信。

基于手機、平板電腦等智能終端的廣泛應用，本文中筆者在設計過程中選用手機、平板電腦等便攜式Android平臺為上位機，以Eclipse為開發端自由研發平臺，設計流程圖如圖3所示，最終形成的操作頁面如圖4所示。

4 結 論

Delta結構3D打印機工作穩定、成本低廉，通過Ramps拓展板與藍牙模塊HC-06相連，可解析出Android與Arduino的藍牙通訊方式，實現手機或平板電腦等Android移動平臺與3D打印機的數據傳輸與遠程控制，經過真機模擬及打印測試，所得結果符合要求；該設計能夠增強3D打印機使用的便捷性，有利于3D打印機的快速推廣與使用。

參考文獻：

[1] Walters P，Davies K. 3D Printing for Artists：Research and creative practice [J].Journal of the Norwegian Print Association，2010（1）：12-15.

[2] 韓霞.快速成型技術與應用 [M].北京：機械工業出版，2012.

[3] 郭日陽.3D打印技術及產業前景 [J].自動化儀表，2015，36（3）：5-8.

[4] Christopher，Arnett.3D打印：正在到來的工業革命 [M].韓穎，譯.北京：人民郵電出版社，2014.

[5] 王燦才.3D打印的發展現狀分析 [J].絲網印刷，2012（9）：39-43.

[6] 袁夫全，楊立宏.基于wifi的無線3D打印機控制器設計 [J].電子技術，2015，44（12）：79-81.

[7] 劉加妹，周志堅，甄苓.多媒體教學與傳統教學優勢互補的探討 [J].大學數學，2005（6）：32-35.

作者簡介：錢明杏（1995.04-），女，漢族，安徽無為人，學士。研究方向：計算機圖形學；通訊作者：杜強（1988-），男，山東棗莊人，助教，碩士。研究方向：并聯機器人、計算機圖形學。