桌面3D 打印機載物平板自動裝卸系統的設計與實現

杜小雷，王紅超，卓 勇

（1.廈門海洋職業技術學院 海洋機電學院，福建 廈門 361012；2.廈門大學 航空航天學院，福建 廈門 361005）

3D 打印技術又稱為增材制造，作為一種新興的制造技術突破了傳統制造方式的局限，對于推進我國制造業轉型升級具有重要意義[1]。在工業產品設計開發、創新創意產品生產、模具設計等行業中，熔融沉積成形（FDM）打印技術以其原理簡單、成本低、無污染且對打印環境沒有特殊要求[2]而廣受青睞，其中最為典型的設備是以FDM技術為基礎的桌面3D 打印機。隨著3D 打印技術的廣泛應用，一些問題也不斷凸顯，主要包括：打印成本、專業人才培訓、產品質量的穩定性、打印速度等[3]，這些問題限制了3D 打印市場快速發展。

通過分析桌面3D 打印機工作流程中影響打印工作效率的因素進行分析，發現用于承載產品的打印平板（又稱載物平板）在打印開始之前和結束之后都需要人工進行裝卸，極大地影響打印的速度和成本。針對該問題，本文提出一種基于機械手的自動化完成載物平板裝卸任務的系統方案，該系統對載物平板及底座進行改進，設計了符合搬運需求的專用夾具并設置了對應的系統控制程序。

1 桌面3D 打印機效率問題

1.1 影響打印操作效率的主要問題

如圖1 所示，桌面3D 打印機工作流程中步驟2 至步驟5 是影響打印速度的四個主要環節[4]，其中步驟3 和步驟4 的時間T3 和T4 主要受系統的數據處理軟件和打印機硬件的影響。數據處理軟件雖然可以不斷地更新版本，但處理速度仍會受限于計算機的處理能力[5]。打印機的硬件一般是固定的，所以如果計算機和打印機的軟硬件沒有升級，那么對于相同的打印模型，T3 和T4 這兩個環節的工作時間是不會有太大改進[6]；步驟2 和步驟5 中在打印開始之前和完成之后用于承載打印模型的載物平板都需要人工在現場進行手動裝卸操作，T2 和T5 的一般操作時間為2 至5 min，而對于多個打印任務，載物平板的手工裝卸次數也隨之增多，特別是如果任務結束時沒有操作人員進行處理，打印機會停止工作，在下次任務開始之前還需較長時間的預熱，預熱時間T1 約為10 min。

圖1 桌面3D 打印機操作流程

綜合以上情況，在單臺3D 打印機的條件下，對于同一個模型，單個任務打印完成所需時間為：T1+T2+T3+T4+T5，而對應N 個任務，則打印完成所需時間為T1+N*（T2+T3+T4+T5）。如果中間有M 次因為任務結束而沒拆裝載物平板而暫停，那么總打印完成所需時間為 T1*(1+M)+N*（T2+T3+T4+T5）。由于T3 和T4 是由打印機的系統所限定，所以要提升打印效率就必須減少載物平板手動裝卸的時間T2 和T5，同時減少任務切換的暫停次數M。

1.2 提升打印效率的方案分析

根據上文的分析結果，在多任務的條件下，提升打印效率的方式只能通過減少載物平板手動裝卸的時間以及任務切換的暫停次數來實現，那么解決的方案有如下兩種：一是增加3D 打印機數量以匹配任務數；二是保證操作人員熟練裝卸操作技術，并實時在崗。

由于桌面3D 打印機的使用群體有很大一部分是小企業或個人，對于第一種方案無疑增加了大量的固定成本；對于第二種方案，如果打印任務較多，實時在崗的要求也將增加人力成本，在實際操作中也無法充分發揮人力效率。

以上兩種方案均不符合實際，需要其他更加合理的解決方案。本文提出一種基于桌面機械手的3D 載物平板自動化裝卸系統方案，根據障礙空間及載物平板的結構和負載設計了符合搬運需求的專用夾具，并對載物平板及其底座進行改進。該系統不大幅增加成本和改變原有部件，使得自動化的功能容易實現。

2 載物平板自動裝卸系統方案設計

2.1 系統設計

工位一：當前的打印任務結束，機械手從初始工位移到此位置，利用夾具將載有模型的載物平板從打印底座上拆卸移除。

工位二：將工位一拆卸的載物平板搬運到此處放置，然后再回到初始工位。

工位三：機械手裝夾并搬運新載物平板，然后將其裝載到工位一的平板底座上，之后再回到初始工位。

由于桌面機械手的運動范圍有限，為充分利用其最佳工作半徑，將工位一和工位二設置在機械手的左右兩側，工位三則設置在機械手工作范圍的中間位置，并保證三個工位與機械手底座在X、Y 兩個方向平行，具體位置和距離可根據所選機械手的運動范圍進行確定，其系統原理如圖2 所示。

圖2 系統原理示意圖

2.2 載物平板夾具設計

由于機械手需要通過末端執行器（又稱為夾具）來實現具體的工作任務[9]，按握持工件的原理的不同可分為夾持和吸附兩類。末端執行器作為機械手的關鍵部件之一，對系統的工作效率有重要影響，因此其設計過程中要綜合考慮操縱對象的形狀、負載、機械手的運動范圍及障礙空間[10]等因素。

現有的打印機為門架結構，其載物平板的水平運動方向僅為X 軸向，以打印機的部件空間位置及可打印模型的最大尺寸范圍作為限制條件，其障礙空間范圍如圖3 虛線所示。

圖3 障礙空間

由于載物平板為表面平整、面積較大的板狀物體，其握持方式適合采用吸附方式[11]，為方便搬運操作，初步設定平板的夾具形狀為框型結構，內框尺寸和載物平板的外型尺寸一致，在接近載物平板時水平運動方向為沿著平板邊緣Y 方向進行直到可吸附平板的位置，裝卸工作可簡化為吸附→抬起→搬運→放置的流程。

由于3D 打印模型一般均布在載物平板上，因此載物平板的負載可作為均布載荷，而對應的平板夾具與機械臂的連接位在搬運時相對平板是固定的，此時平板夾具的受力可簡化為受均布載荷的矩形截面薄板懸臂梁，其固定端（連接位）所受的彎矩最大，如圖4 所示。

圖4 載物平板夾具受力

為避免機械手在搬運時因夾具變形而抖動，根據平板夾具的受力情況和彎矩圖，對其結構進行改進，將初始的長薄板，改為截面為三角形的桁架結構，如圖5 所示。

圖5 載物平板夾具結構

2.3 載物平板及底座改進設計

載物平板的安裝是通過平板底座的8 個彈簧夾進行固定的，而拆卸過程則需對這8 個彈簧夾進行拆除才能取下載物平板，操作耗時耗力，這也是影響打印機使用效率的主要原因。為方便裝卸自動化操作，在載物平板的底部沿著X 方向的4個角的位置粘貼條狀鐵片；平板夾具也有4 個電磁鐵的安裝位置，與載物平板的鐵片一一對應，在工作的時候可以吸住鐵片從而對載物平板進行搬運；底座與載物平板底部條狀鐵片接觸的位置也安裝4 個電磁鐵，通過控制電磁鐵的通斷電即可吸附或松開載物平板，取代了原有彈簧夾的功能。載物平板、平板底座及平板夾具的結構如圖6所示。

圖6 載物平板及平板底座的改進設計

2.4 機械手選型

現有的一臺桌面3D 打印機，打印材料為ABS或PLA；成型尺寸為140*140*135 mm；打印機尺寸為245*260*350 mm，單個載物平板承載最大打印重量為1 kg。

由于搬運載物平板的過程中不需要進行翻轉，因此機械手的自由度為3 即可滿足需求，根據負載及系統的使用工況需求，機械手的基本參數如表1 所示，其轉動范圍θ為0～260°，臂展L最大值為450 mm，端部高度H范圍為-150～300 mm。外型如圖7 所示。

表1 機械手選型主要參數表

圖7 機械臂外型

3 系統程序設計

3.1 系統控制I/O 口設計

根據系統的控制原理，機械手在3 個工位進行切換時需要給機械手對應的指令以進行裝卸動作，因此在3 個工位分別設置了3 個光電位置開關，用以判斷機械手所在位置以確定是否進行下個動作，具體的輸入與輸出的元器件及控制功能如表2 所示。

表2 機械手I/O 功能表

3.2 程序設計

機械手在沒有動作指令時均處于初始工位，當系統檢測到打印任務完成的信號之后，機械手運動到工位一開始拆卸動作，然后將載有打印模型的平板搬運到工位二進行放置，完成之后再運動到工位三裝夾新的載物平板，接著將其搬運到工位一將載物平板裝載到打印底座上，最后回到初始工位，一個裝卸過程結束。具體程序流程如圖8所示。

圖8 系統控制程序流程圖

3.3 搬運路徑示教編程

搬運機械手在工作中需要按指定路徑來完成工作，因此其路徑規劃對搬運效率有重要影響[12]。利用示教器，以載物平板夾具的中點為工具坐標系原點[13]，選取5 個點作為軌跡線上的點，其中P0 為初始位置點（安全點），則載物平板拆卸運動路徑為P0→P1→P2→P1→P3→P4→P0，如圖9 所示；載物平板安裝運動路徑為P0→T1→T2→T1→T3→T4→P0，如圖10 所示。

圖9 載物平板拆卸運動路徑

圖10 載物平板安裝運動路徑

4 實驗及結果分析

由于機械手是通過步進電機驅動，移動的速度受負載影響，負載越大則沖擊負荷越大，在實驗中，為保證機械手動作平穩，無較大沖擊，在程序中設定機械手的最大移動速度不超過600 mm/min，以載有不同重量打印模型的平板為實驗對象，實驗結果如圖11 所示。

圖11 裝夾與拆卸時間

在圖11 中，隨著模型重量的增加，拆卸并放置載物平板的時間也逐漸增加，這是由于要保證動作的平穩性，模型增加重量則需降低機械手的移動速度，但即使在載物平板承載的最大重量下，動作完成時間只有43 s，低于平均手動拆卸時間2 min；而對應裝夾的動作，由于載物平板沒有載物，所以動作時間均為5 s。綜合本系統整個裝卸過程，所用總時間也遠低于手動拆裝的時間。由此可見，方法整體性能穩定，能夠準確且快速地完成載物平板自動裝卸的工作，具有較高的實用性。