基于3D打印的三自由度碼垛教學機械臂

鄭凱強

（南充職業技術學院機電工程系，四川 南充 637131）

1 工業機器人專業當前教學現狀及存在的問題

當前雖然很多高職院校開設了工業機器人專業，但是大部分院校都存在同一個問題就是教學設備的投入不足導致學生無法深刻理解工業機器人的種類及工作原理。很多院校在設備投入之初考慮到設備的通用性與使用周期的時長性都會直接采用當下使用面最廣、動作最靈活、功能最多樣化的六自由度關節機械臂。但是這類機械臂雖然動作靈活功能豐富但其價格昂貴、結構復雜并且高職學生的基礎本就不是太高，復雜的結構不利于學生的入門學習。而且工業機器人種類繁多例如：直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、球坐標機器人等；只用六自由度關節機械臂進行教學使得學生對機械臂的結構無法全面認識，并且從六自由度機械臂開始進入學習也違背了循序漸進、由易到難的教學規律。工業機器人作為一個高度集成化的機電一體化產品，涉及機械、電氣、控制等多方面的學科知識點，采用機器人成品進行教學無法很好的將各學科的知識點有機的串聯起來鍛煉學生學以致用的 能力。

2 基于3D打印的三自由度碼垛教學機械臂

三自由度碼垛教學機械臂采用完全3D打印的機械本體設計，可采用3D打印技術加工制造零件，零件制造簡單便捷。碼垛機械臂采用簡易的平行四邊形機構做為理論運動機構，在該機構的基礎上可以設計出不同大小、不同形式、匹配不同電機的三自由度碼垛機械臂。該機構結構簡易并且具有末端始終與水平面保持平行的特點，非常適合碼垛用途，并且該結構簡單易于設計裝配，學生在該機構的基礎上可以自由發揮設計末端夾爪結構，利于學生創新能力的培養。不同形式的機械臂可采用市面上常見的MG996R、MG945、SG90、MG90舵機以及28BY-J48步進電機作為驅動電機進行驅動，這類電機都具有低電壓易于控制等特點。機械臂的整體裝配都采用標準M3、M4、M6螺釘以及對應螺母，螺釘長度根據實際需要選用，額外還需606軸承一粒，價格低廉易購，降低了裝配難度。

3 采用3D打印的三自由度碼垛機械臂進行教學的優點

采用該機械臂進行教學可以使學生由易到難循序漸進的系統學習工業機器人的機械結構。因機械臂結構簡單小巧、并且采用3D打印制造機械本體的方式，學生可以自行動手完成從零件加工制造到裝配成機械臂本體的全過程。在此過程之中學生可以更加深刻的理解機械臂的結構提升學生的實操能力與發現問題解決問題的能力。因為機械臂的驅動部分采取舵機或者小型步進電機提供動力所以可采用電子電路的方式進行控制，51單片機、Arduino、嵌入式芯片都可以完成對機械臂的驅動控制。恰好工業機器人技術專業一般都開設有單片機、嵌入式、C語言等課程，剛好可以利用此機械臂作為媒介將單片機、C語言、工業機器人技術基礎這三門課程有機串聯起來。學生利用所學單片機知識為機械臂設計制作控制電路，然后利用C語言所學知識為機械臂編寫控制代碼設計控制程序，并且可進階控制APP程序的開發。利用這種多學科知識點融合的教學方式，使得各學科之間可以相輔相成，各學科之間不再是獨立的教學而是考慮到各學科之間的聯系，并且將各學科之間的知識點轉化為實際應用，提升了知識的轉化能力，使學生能夠學以致用，學生所學及所見所得，學習成果不再是單一枯燥的考試分數，極大的提高了學生的學習興趣與學習成就感，有助于教育教學的順利推進。

4 3D打印三自由度碼垛教學機械臂發展趨勢

學生以此機械臂為原型設計出體積更大負載更強的碼垛機械臂，例如采用42步進電機做為驅動電機的碼垛機械臂。學生也可在此機械臂的基礎上發揮創新思維設計多樣化的末端夾具，結合機械創新設計等課程培養學生的創新能力，并可在此課程基礎上繼續與電氣控制、機械設計基礎等課程融合教學。