基于UML的3D打印系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

陸長(zhǎng)明 陸暢

摘要：針對(duì)小批量定制產(chǎn)品，3D打印可滿足不同材料、工藝參數(shù)、加工精度等多種需求，但需要采用不同的3D打印方法加工零件，單一的打印設(shè)備很難滿足不同客戶的需求，建立一個(gè)3D加工中心服務(wù)平臺(tái)，可為不同用戶提供快速便捷的加工服務(wù)。UML作為面向?qū)ο蠼ＵZ(yǔ)言，以多種視圖的形式表示軟件系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為。用UML設(shè)計(jì)了3D打印系統(tǒng)平臺(tái)的總體架構(gòu)，為遠(yuǎn)程打印服務(wù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)提供了具體的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：3D打印;增材制造;統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML

Abstract： Focus on small customizing products， 3D printing technology can fulfill various needs with different materials， parameters and accuracies. Because processing parts with different materials need a different 3D printer， single printing equipment can fulfill hardly different users needs. To build a 3D printing center can serve different users printing service conveniently. The static structure and dynamic behavior of the software system are described as an object with multi-view architecture for different roles using Unified Modeling Language （UML）. We designed the architecture of the 3D printing system to provide a design plan for developing a remote printing platform.

Key words： 3D printing; additive manufacturing; UML

1 背景

目前隨著科技的發(fā)展，產(chǎn)品的更新周期日益縮短，定制產(chǎn)品日益受到消費(fèi)者的青睞。新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制作樣機(jī)，以往從設(shè)計(jì)圖紙到加工裝配的制造方式往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，從設(shè)計(jì)開(kāi)始到定型生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。近年來(lái)增材制造技術(shù)的興起極大地縮短了制作周期，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了技術(shù)革新，尤其在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)對(duì)增材制造高度重視，《中國(guó)制造2025》將增材制造作為五大領(lǐng)域之一，國(guó)家發(fā)布的《高端智能再制造行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》中明確提到加快增材制造、特種材料、智能加工、無(wú)損檢測(cè)等再制造關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。3D打印技術(shù)作為典型的增材制造方式，其研究日益受到科研人員的重視，從理論研究到打印設(shè)備的研發(fā)，已取得了眾多成果。臺(tái)灣明志科技大學(xué)的Hsieh等對(duì)一種三自由度delta型打印裝置進(jìn)行打印精度優(yōu)化[1];上海大學(xué)的Wang M等人設(shè)計(jì)了一種具有五自由度無(wú)支撐的3D打印機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)支撐材料打印（NSMP），通過(guò)模型骨架提取，由5軸動(dòng)態(tài)切片的控制參數(shù)確定實(shí)現(xiàn)五軸動(dòng)態(tài)制造過(guò)程中，印刷材料的堆放方向總是沿著模型骨架的切線方向[2];華中科技大學(xué)吳田俊等人利用雙向滾珠絲桿切換裝置和外循環(huán)超低溫沉積工作臺(tái)結(jié)構(gòu)，研制了一種基于擠出沉積技術(shù)的多噴頭生物3D打印機(jī)[3]。浙江大學(xué)的干勝對(duì)3D打印云工廠的設(shè)計(jì)與任務(wù)調(diào)度做了研究，提出了網(wǎng)絡(luò)制造平臺(tái)和分布式三維打印無(wú)人車(chē)間的云工廠總體架構(gòu)[4];華中科技大學(xué)的葉文丹對(duì)3D打印中三維模型可視化、工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)處理等做了研究，并開(kāi)發(fā)了3D打印控制系統(tǒng)軟件[5]。這些研究成果為增材制造技術(shù)的推廣奠定了基礎(chǔ)，已逐步應(yīng)用于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和定制生產(chǎn)中。目前，3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用正在普及階段，但存在客戶分散，打印設(shè)備單一，利用率不高等問(wèn)題，因此如何增加客戶資源，完善打印設(shè)備品種，更好地發(fā)揮3D打印的優(yōu)勢(shì)是迫切需要解決的問(wèn)題，建設(shè)一個(gè)綜合性的3D打印制造中心，提供遠(yuǎn)程服務(wù)是一個(gè)有效解決途徑。

2 3D打印技術(shù)

3D打印主要用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)研制階段，以小批量定制產(chǎn)品為主，由于產(chǎn)品零件材質(zhì)不同，所需的打印設(shè)備也不同。目前常用的3D打印主要有：熔融沉積成形（FDM）、液態(tài)樹(shù)脂光固化立體成形（SLA）、激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束選區(qū)熔化（EBM）、金屬激光熔融沉積（LDMD）、薄材疊層制造（LOM）、電子束熔絲沉積成形（EBF）等等。3D打印制作的產(chǎn)品不需要經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)、使用傳統(tǒng)的刀具、夾具以及多道加工工序，設(shè)計(jì)人員采用三維設(shè)計(jì)軟件（UG、Pro/E、Solidwork等）設(shè)計(jì)三維模型，將文件轉(zhuǎn)換成STL格式，在3D打印軟件上進(jìn)行分層切片，輸出打印，可以快速精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件。

3D打印往往涉及3D掃描、3D打印、后處理等設(shè)備，其優(yōu)勢(shì)在于制造周期短，適合單件定制化產(chǎn)品制造。因此與傳統(tǒng)大規(guī)模制造相比，由于3D打印對(duì)于不同材質(zhì)需要采用不同的打印設(shè)備，對(duì)于企業(yè)、科研院所或高校等投資這些設(shè)備由于受到資金限制，打印設(shè)備很難做到品種齊全，從而導(dǎo)致設(shè)備的利用率相對(duì)較低。相同材質(zhì)采用不同的工藝參數(shù)和不同的打印設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生不同的產(chǎn)品質(zhì)量和精度。同時(shí)，打印精度和時(shí)間是相互矛盾的，如何在滿足客戶需求的情況下，提高生產(chǎn)效率是3D打印必須解決的問(wèn)題。目前3D打印還存在一個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺乏的問(wèn)題，以金屬打印為例，粉末標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)范、化學(xué)成分、缺陷控制標(biāo)準(zhǔn)、過(guò)程質(zhì)量控制以及加工成型后的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等都需要一套完整規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)體系，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。因此，建設(shè)一個(gè)專(zhuān)業(yè)的3D打印制造中心，建設(shè)可打印各種材質(zhì)的打印設(shè)備，集材料、設(shè)備、工藝參數(shù)、模型、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為一體，建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一個(gè)3D打印遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)，為社會(huì)提供遠(yuǎn)程服務(wù)的思路，可有效解決設(shè)備單一、利用率低下的問(wèn)題。

3 服務(wù)平臺(tái)的功能

3D打印服務(wù)平臺(tái)是致力于為客戶提供3D掃描、3D設(shè)計(jì)建模、模型打印制作到后處理等一條龍服務(wù)，平臺(tái)以網(wǎng)頁(yè)的形式呈現(xiàn)給客戶，客戶可以在線申請(qǐng)下單，提供遠(yuǎn)程打印，在線結(jié)算。

打印服務(wù)平臺(tái)可處理客戶訂單，管理制造車(chē)間所有的打印設(shè)備。每臺(tái)打印機(jī)配置一臺(tái)獨(dú)立計(jì)算機(jī)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)分配一個(gè)獨(dú)立的IP地址，通過(guò)配套的上位機(jī)控制軟件，接收平臺(tái)發(fā)送的G代碼文件和配置文件。

用戶上傳模型文件后，后臺(tái)對(duì)模型文件進(jìn)行分層切片計(jì)算，得到各層截面的二維輪廓，生成STL文件，系統(tǒng)導(dǎo)入STL切片文件和配置文件，并生成相應(yīng)的G代碼，發(fā)送打印機(jī)打印產(chǎn)品。若用戶提供實(shí)物，則需要通過(guò)三維掃描進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，由三維造型設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理和造型設(shè)計(jì)生成三維模型，然后進(jìn)行切片處理并打印成品。3D打印服務(wù)平臺(tái)可接受實(shí)物訂單、模型文件訂單，并可選擇不同的零件材料提供打印服務(wù)。

4 3D打印服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)

3D打印服務(wù)平臺(tái)是為客戶提供在線服務(wù)的專(zhuān)業(yè)軟件系統(tǒng)平臺(tái)，平臺(tái)功能包括：客戶管理、模型文件管理、工藝參數(shù)設(shè)置、設(shè)備管理、材料庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等，通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)可系統(tǒng)科學(xué)地管理3D打印的各項(xiàng)業(yè)務(wù)，能儲(chǔ)存檢索客戶、產(chǎn)品、設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)等各類(lèi)信息。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）作為一種強(qiáng)大的圖形化建模語(yǔ)言，通過(guò)視圖的形式將各功能模塊之間的聯(lián)系進(jìn)行描述，尤其在軟件開(kāi)發(fā)初期的架構(gòu)設(shè)計(jì)，需要明確規(guī)范各模塊間的接口、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及后續(xù)的系統(tǒng)維護(hù)等，在有完善的軟件總體架構(gòu)基礎(chǔ)上，程序員將各模塊編寫(xiě)代碼生成可執(zhí)行的軟件系統(tǒng)，避免規(guī)劃不周而造成的重復(fù)勞動(dòng)。

UML是基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，提供了多種不同的視圖，包括用例圖、類(lèi)圖、對(duì)象圖、狀態(tài)圖、順序圖等，使用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言如java、C++、C#等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

4.1 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊反映了系統(tǒng)的功能及各功能之間的關(guān)系，3D打印服務(wù)平臺(tái)主要涉及客戶提交訂單后的相關(guān)資料及加工費(fèi)管理，各類(lèi)訂單的分類(lèi)管理，以及為完成訂單所涉及的建模、加工、后處理等設(shè)備管理，其主要功能模塊如圖1所示。

UML用例模型用來(lái)描述系統(tǒng)所具備的功能，其基本組成部分有用例、角色和系統(tǒng)。3D打印平臺(tái)根據(jù)系統(tǒng)功能，主要角色為客戶和系統(tǒng)管理人員，因此主要包括客戶用例圖、管理人員用例圖等，用例圖中涉及客戶信息、訂單信息、設(shè)備信息等，對(duì)不同角色進(jìn)行這些信息的操作擁有不同的權(quán)限，以完成各自需要的工作。以客戶角色為例，其用例圖如圖2所示。

4.3 類(lèi)圖

類(lèi)圖是描述系統(tǒng)中各對(duì)象之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系，各對(duì)象所具有的屬性和這些屬性的當(dāng)前值，以及對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行操作的方法和事件。類(lèi)圖分為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)層等，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層描述了數(shù)據(jù)庫(kù)中各類(lèi)之間的關(guān)系，對(duì)于3D打印平臺(tái)中的主要對(duì)象涉及客戶信息、訂單信息、模型文件、打印參數(shù)、設(shè)備信息等。業(yè)務(wù)層類(lèi)圖涉及業(yè)務(wù)層各類(lèi)之間的關(guān)系，主要有登錄系統(tǒng)實(shí)體、注冊(cè)實(shí)體、客戶管理、打印申請(qǐng)實(shí)體、查詢訂單信息實(shí)體類(lèi)等，3D打印系統(tǒng)主要類(lèi)圖結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.4 順序圖

用例圖和類(lèi)圖描述的是系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)象之間如何交互來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)行為可用順序圖來(lái)表達(dá)，順序圖按時(shí)間順序表示用例中行為的順序，表達(dá)的是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。

3D打印系統(tǒng)平臺(tái)中與訂單相關(guān)的事件流和順序圖主要反映從客戶下訂單，管理人員接到訂單后完成訂單要求的打印任務(wù)并最終交付客戶的整個(gè)流程，具體如圖4所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

用UML進(jìn)行3D打印平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，可清楚表達(dá)對(duì)象之間的相互關(guān)系，使得軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，可避免系統(tǒng)局部功能變更而重復(fù)編寫(xiě)代碼帶來(lái)的不穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行可視化的建模，為后續(xù)編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)平臺(tái)提供依據(jù)，確保更快更好地創(chuàng)建滿足需求的、可擴(kuò)展的應(yīng)用系統(tǒng)。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】