3D打印照相机设计

袁健 葛昊 徐涛

摘 要：本文提出一种3D打印照相机，通过扫描仪、色感应机构模块、打印机控制系统模块、电机驱动模块、同步信息交换模块完成对人像的3D打印照相。以UG作为设计平台，对运动机构、执行机构、升降机构及外壳进行设计与建模并进行优化设计。

关键词：3D打印;照相;优化;设计

3D打印目前处于一个快速发展的阶段，但存在直接开模制作生产，一旦产品有设计问题将全部报废，大大浪费人力和物力，同时存在打印的人物死板、色彩单调等问题。我们设计了一款3D打印照相机，在打印时给人物上色，人物显得生动形象，稳定性好。

1 机械部分设计

整体结构主要包括扫描机构（图1）、执行机构（图2）、升降运动机构。

1投影仪 2双目相机 3三角支架 4站台

图1 扫描机构

1曝光屏 2打印机外壳 3机架 4X导轨 5封杆6喷头装 7水箱 8工作台 9Y导轨 10开关

图2 执行机构

1.1 扫描机构设计

扫描机构主要包括由Basler Aea130030gm型组成双目相机、PDC03型光栅投影仪、同步输出/CCD外触发接口、电源接口等。选用两台Basler Aea130030gm工业相机作为同步光栅。

数据采集，共有三种工作模式：外触发、内触发和软触发。先连接并固定两台相机构成双目相机，保持相机间约10cm距离。分别用t=1，t=8和t=64，按照LIU算法进行双像相位特征匹配，实现四步相移法求得包裹相位并展开、时间相位展开算法解包裹相位。按照PDC03型光栅投影仪特有特点，根据光栅图片制作的灰度图像，其分辨率为1280*800，正弦光栅按照横向和纵向排列。

1.2 执行机构设计

执行机构主要包括入料机构、喷头机构、轮盘机构、色感应机构。

入料机构由机器后侧的进料管、料盘盒和送料电机组成，在打印前提前将耗材头剪成塔尖形状，以便穿入导丝管及进料电机孔。先将耗材穿过导丝管，然后从电机小孔出穿入，一直送到喷头电机进料口。3D打印机喷头加热到200度以上，将耗材穿入进料口，然后拧紧调节螺钉旋钮[1]。

喷头机构主要由喷嘴、加热块和散热扇组成，利用加热块进行喷头加热，将材料加热融化。

通过喷头内部流道。FDM熔融沉积[2]对材料加热至熔融状态，然后从3D打印头中喷出。为防止温度过高对喷头及管道造成损坏，采用传统散热扇进行降温，便捷有效，也更加经济实惠。

轮盘机构主要由一个分为六个独立仓的轮盘组成，分为六个微细喷嘴，不同仓可存储不同色彩的颜料，用于给人物上色，且每个仓都是独立存在的，不会产生干扰，即使有一个仓出现故障，也不会影响其他仓的工作，可以在打印完成后在进行替换和维修，大大节省了时间，优化了打印机的容错率，加大了工作效率。

色感应机构由曝光屏和感光乳剂喷头组成，X方向导向轴上设置有感光乳剂喷头，3D打印机正上方设有曝光屏，根据指令配合轮盘机构转换不同颜色喷头，打印相对应的颜色，及时为人物上色，减少了后期加工，优化了3D打印工序[3]。

1.3 升降运动机构设计

升降运动机构主要由Y0728D15010D型步进电机、XYZ三系运动导向轴和打印工作平台组成，3D打印机内部横向兩侧各设置X方向导向轴，X方向导向轴的两端在Y方向导向轴上滑动连接，打印机喷头在X方向导向轴上滑动连接，工作平台设置在3D打印机内部中央，上述感光乳剂喷头在X方向导向轴上滑动连接。直线导轨用螺栓固定在铝型材上，然后一起固定在底座上。三个步进电机分别和相应的同步带轮用联轴器连接，同步带上装有直线轴承，步进电机转动，同步带运动，带动直线轴承运动，实现X轴、Y轴、Z轴三个方向的移动。

2 控制部分设计

3D打印机由控制计算机、参数检测和输出驱动、输入输出通道、人机联系设备构成。控制流程图如图3所示，预先设定好控制规律，控制计算机对输入的信息处理分析，检测参数并输出驱动：当需要被检测的对象参数是模拟量时，可通过传感器将参数转换，当需要被检测的对象参数是模开关量时，直接用开关型元件检测。输出驱动时，根据模拟量输出指令，驱动元件控制被控对象启动、停止、速度、加速度、位置等参数;开关量主要控制驱动元件的运行工作状态。通过人机交互设备（键盘和显示器），输入控制命令和数据，实时显示运行状态并进行查找及故障诊断，检查运行中数据是否有误等[4]。

3 创新点

功能全面。本产品能实现扫描打印上色一体化的功能。

结构简单，工作部分采用简约的设计使本产品能短时间内快速生产增加数量。

模块化设计，便于替换维修，降低成本。

智能化，只需在打印前设置好参数，本产品就能自行完成打印工作。

4 结语

通过对3D打印照相机系统化数字化的研究设计，可实现3D打印照相自主打印上色一体化操作。产品主要定位在新婚、旅游等具有纪念意义的场合，该3D打印照相机能实现扫描、建模打印、上色等功能，相比于传统打印机装置，具有打印效率高、智能化高、成品质量更好等优点。

参考文献：

[1]吴超，段倩倩，等.基于变论域模糊PID的3D打印机喷头运动控制[J].信息技术，2020，44（09）：2126+32.

[2]朱博文，赵永强.不同材料3D打印挤出头的热力耦合分析[J].汽车实用技术，2020，45（17）：160163.

[3]李子秋，甘新基，等.基于FDM彩色3D打印自适应控制系统的设计[J].组合机床与自动化加工技术，2020（05）：109112.

[4]刘长华，张卫华，等.基于3D打印设备的机械与控制系统设计研究[J].机械研究与应用，2020，33（06）：123128.

作者简介：袁健（1968— ），男，汉族，硕士，盐城工学院副教授，从事机械设计及理论;葛昊，盐城工学院机械工程专业学生;徐涛，盐城工学院机械工程专业学生。