3D打印手機保護殼自動化生產線的開發*

黃泳波，孫振忠，陳盛貴，任項生，鄒曉洪

（1.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808；2.廣東省長盈精密技術有限公司，廣東東莞 518103）

0 引言

隨著社會經濟的發展，個性化消費觀念開始越來越被人們崇尚，3D 打印技術也迎合了人們對產品個性化的需求[1]。手機保護殼的3D 打印技術可以實現人們對外觀造型、色彩、材質等的個性化要求[2]。但是目前其打印件在后處理工序中，基本上是手工后處理，自動化程度不高，制約了生產效率。另一方面，自動化生產線技術適合于大批量的生產，提高生產效率，降低人工成本[3]。而且，目前國內在手機保護殼自動化生產線的研究方面很少，例如王鏞凱等[4]研究了UV 噴墨技術的手機殼立體打印，但沒有后處理自動化的研究，周佼等[5]研究了基于工業機器人的手機殼去披鋒工藝的自動化設計，楊晨等[6]研究了手機外殼自動清洗裝置的控制系統設計，林東旭等[7]研究了手機外殼噴涂線自動上夾具系統的設計?？梢钥闯?，目前國內僅有3D 打印手機保護殼部分工藝的裝置研究，而無整體自動化系統整合的開發，因此，需要開發一種既適合個性化小批量定制，又自動化程度高的柔性自動化生產線，以滿足市場需求。

1 生產線工藝流程

3D 打印個性化手機保護殼如圖1 所示，可以根據用戶的要求進行個性化定制，如外觀設計要求的定制，凸起文字支持定制，不同打印材料的定制，紋路質感的定制等。

生產線采用的是Formlabs 公司第二代3D 打印機Form2（SLA），該機型最小特征尺寸可以達到0.2 mm，可以支撐多種顏色的硬質樹脂、軟質樹脂、透明樹脂以及陶瓷樹脂等材料的產品3D 打印。由于單臺3D 打印機效率低，無法適合自動化生產的節拍，因此建立了如圖2 所示的矩陣式布置的3D打印機單元，并由機械手進行自動取料，多臺打印機進行并行工作，提高前端的產能。

圖1 3D打印個性化手機保護殼

圖2 矩陣式布置3D打印機單元

生產線由9個工位以及2個手機保護殼傳送帶和1個直線運動模組組成，其工藝流程如圖3所示。

圖3 工藝流程

3D打印工位，由光固化3D打印機單元負責完成高精度手機保護殼的打印。超聲波清洗工位，由機械手負責將3D打印好的手機保護殼放入超聲波清洗機進行清洗，該工位對定位精度要求較高，要求誤差小于±0.05 mm。二次固化工位，負責手機保護殼的二次紫外光光固化，加強3D 打印件的強度，由機械手上料，然后取出成品放于料架上。去毛刺工位，由機械手負責3D打印手機外殼進行去毛刺打磨，需要固定在夾具上面。清潔工位由機械手負責將去毛刺后的手機保護殼進行清潔。尺寸檢測工位由機器視覺系統完成手機保護殼長寬尺寸的檢測。在皮帶傳送帶上安裝光電對射傳感器，實現定位。激光打標工位由直線運動模組傳送手機保護殼到固定位置，對手機保護殼進行激光打標。劃痕檢測工位由機器視覺系統完成手機保護殼劃痕檢測。在傳送帶上安裝光電對射傳感器，實現定位。成品收集工位由機械完成手機保護殼在料架的收集工作，并由人機界面實時顯示料架的情況。

2 生產線總體結構設計

3D 打印手機保護殼自動化生產線由電氣地柜11 個，HRB560（6 軸）機械手共2 臺，HRB400（4 軸）機械手共3臺，1.2 m×20 cm傳送帶共2臺，直線運動模組1個，Form2打印機8臺，超聲波清洗劑1臺，紫外光二次固化機1臺，激光打標機1臺，奧普特機器視覺系統2臺，西門子S7-200的PLC共3 臺，EVIEW（ET070）人機界面2 臺，空壓機1 臺等組成。其系統的平面布置如圖4所示。

圖4 生產線平面布置圖

2.1 前端工位部分

1#地柜臺面布置了超聲波清洗機和紫外光二次固化機，2#地柜臺面布置了料架和3D打印機單元，3#地柜臺面布置了去毛刺夾具和1 號機械手。在前端工序，由1 號機械手HRB560負責上下料和手機保護殼四邊去毛刺工作。

2.2 清潔工位部分

4#地柜臺面布置了2號機械手HRB400，機械手末端帶有氣嘴，并由電磁閥控制，負責對去毛刺后的手機保護殼進行吹氣清潔。

2.3 傳送與機器視覺測量部分

5#地柜臺面布置了傳送帶和奧普特機器視覺系統。傳送帶采用紅外光電對進行定位控制，并分別由2號和3號機械手完成上料和下料工作。傳送帶上方設置有奧普特機器視覺系統，用于采集手機保護殼的外觀圖像，實現在線視覺尺寸測量。

2.4 直線模組與激光打標部分

7#地柜臺面布置了直線運動模組和激光打標機，并分別由3號和4號機械手完成上料和下料工作。傳送采用紅外光電對進行定位控制，定位后由直線運動模組上方設置有激光打標機，實現手機保護殼的激光打標。

2.5 傳送與劃痕檢測部分

9#地柜臺面布置了傳送帶和奧普特機器視覺系統。傳送帶采用紅外光電對進行定位控制，并分別由4號和5號機械手完成上料和下料工作。傳送帶上方設置有奧普特機器視覺系統，用于采集手機保護殼的外觀圖像，實現在線劃痕檢測。

2.6 機械手成品收集部分

由5 號機械手和11#地柜臺面2 個料架組成成品收集工位，料架上設置有紅外光電對，用于檢測和監控物料情況，并把信號傳給機械手，用于判斷和決定放料的位置，機械手按順序從下往上對手機保護殼進行收料。

最終，完成了生產線的工裝夾具和總體機構的設計，生產線實物如圖5所示。

圖5 生產線總體結構

3 生產線控制系統設計

3.1 總體控制系統設計

生產線由3臺PLC控制。PLC與PLC之間、PLC與視覺系統之間、PLC 與激光打標機之間、PLC 與機器人之間均以I/O端口進行通信，PLC與人機界面之間以RS485進行通信。利用2#地柜布置的人機界面終端實現生產線各工位之間的操作控制。其總體控制系統布置如圖4所示。

1號PLC(s7-200)負責料架監控，與1號機械手通信，與人機界面通信，傳遞物料信息，并作為另外2臺PLC的主機，負責生產線控制系統總體啟停的控制。2 號PLC(s7-200)負責1#、2#傳送帶和直線運動模組的運動控制和光電傳感器信號的檢測，同時與3號、4號機械手通信，與激光打標機控制系統通信，協調整體控制邏輯。3 號PLC(s7-200)負責收料架的物料信息監控，并與5號機械手通信，協調機械手的上料。

系統設有手動和自動兩種操作方式，在觸摸屏上可以設置系統的操作方式，對系統進行啟動及停止操作。正常情況下，系統啟動后，PLC 接收觸摸屏和外部的操作控制信息，采集并處理傳感器檢測的信號，控制及協調指揮機器視覺系統和機器人控制器，控制各電磁閥和繼電器動作，完成3D打印保護殼生產的整個工藝流程，觸摸屏實時顯示PLC 的工作狀態、運行信息，實現生產過程的實時動態監視。

3.2 機械人部分設計

采用HRB機器人示教器標定好各個示教點位置，通過示教器手工編寫出機械手的上下料程序和去毛刺運動軌跡等程序。同時，通過HRB 示教器設置為遠程I/O 控制模式，利用機器人24 V的I/O接口板連接到1號PLC的輸出端口，由PLC來實現機械手的遠程啟停運行動作程序等自動控制。

3.3 機器視覺部分設計

采用奧普特SCI-Q2機器視覺系統。將相機和鏡頭安裝好后調整對焦環和光圈，使得成像清晰。用SCI Smart Camera軟件進行圖像處理編程。該軟件提供了多種工具箱（如圖像輸入輸出、圖像預處理、定位、測量、檢測、識別等），每種工具箱都包含各種算子，以滿足各種視覺方案的需求[8]。針對不同的應用，本項目做尺寸測量和劃痕檢測程序搭建時，圖像預處理方式基本相同，首先添加圖像采集算子（Image Acquisition）導入相機實時圖像，接著導入標定算子（Calibration）對圖像進行標定，最后利用濾波算子和二值化算子，對圖像進行優化。經過前處理后，在做尺寸測量時，先利用定位工具箱的霍夫找直線算子找出圖像中手機保護殼的邊線，最后再利用測量工具箱的卡尺算子就可以求得其測量的尺寸距離。在做劃痕檢測時，通過利用檢測工具箱的劃痕檢測算子（Scratch），設置和調整參數（如動態二值化濾波方法、濾波核大小、膨脹迭代次數、面積閾值等）就可以達到滿足應用要求的最終程序。

3.4 人機界面部分設計

在計算機上應用觸摸屏專用編程軟件(本項目采用Kinco HMIWare v2.5)，根據生產工藝的控制要求進行界面設計，并作好相關I/O 口設定，再進行編譯，在計算機與觸摸屏正確通信后，下載給觸摸屏。生產線觸摸屏界面如圖6 所示，主菜單設有運行模式切換按鈕和狀態指示燈，可以設置為手動和自動運行。其中，手動操作便于技術人員對3D 打印機取料和超聲波清洗機取料進行手動調試；自動運行狀態下系統將進入全自動運行，操作人員可以進行系統的啟動、停止操作。

圖6 生產線觸摸屏界面

4 結束語

通過自行設計和開發3D 打印手機保護殼自動化生產線，更好地適用了手機保護殼個性化定制和柔性化自動化生產的需求，提高了生產效率，解決了傳統3D打印件后處理需要人工操作等問題。