桌面3D 打印机载物平板自动装卸系统的设计与实现

杜小雷，王红超，卓 勇

（1.厦门海洋职业技术学院 海洋机电学院，福建 厦门 361012；2.厦门大学 航空航天学院，福建 厦门 361005）

3D 打印技术又称为增材制造，作为一种新兴的制造技术突破了传统制造方式的局限，对于推进我国制造业转型升级具有重要意义[1]。在工业产品设计开发、创新创意产品生产、模具设计等行业中，熔融沉积成形（FDM）打印技术以其原理简单、成本低、无污染且对打印环境没有特殊要求[2]而广受青睐，其中最为典型的设备是以FDM技术为基础的桌面3D 打印机。随着3D 打印技术的广泛应用，一些问题也不断凸显，主要包括：打印成本、专业人才培训、产品质量的稳定性、打印速度等[3]，这些问题限制了3D 打印市场快速发展。

通过分析桌面3D 打印机工作流程中影响打印工作效率的因素进行分析，发现用于承载产品的打印平板（又称载物平板）在打印开始之前和结束之后都需要人工进行装卸，极大地影响打印的速度和成本。针对该问题，本文提出一种基于机械手的自动化完成载物平板装卸任务的系统方案，该系统对载物平板及底座进行改进，设计了符合搬运需求的专用夹具并设置了对应的系统控制程序。

1 桌面3D 打印机效率问题

1.1 影响打印操作效率的主要问题

如图1 所示，桌面3D 打印机工作流程中步骤2 至步骤5 是影响打印速度的四个主要环节[4]，其中步骤3 和步骤4 的时间T3 和T4 主要受系统的数据处理软件和打印机硬件的影响。数据处理软件虽然可以不断地更新版本，但处理速度仍会受限于计算机的处理能力[5]。打印机的硬件一般是固定的，所以如果计算机和打印机的软硬件没有升级，那么对于相同的打印模型，T3 和T4 这两个环节的工作时间是不会有太大改进[6]；步骤2 和步骤5 中在打印开始之前和完成之后用于承载打印模型的载物平板都需要人工在现场进行手动装卸操作，T2 和T5 的一般操作时间为2 至5 min，而对于多个打印任务，载物平板的手工装卸次数也随之增多，特别是如果任务结束时没有操作人员进行处理，打印机会停止工作，在下次任务开始之前还需较长时间的预热，预热时间T1 约为10 min。

图1 桌面3D 打印机操作流程

综合以上情况，在单台3D 打印机的条件下，对于同一个模型，单个任务打印完成所需时间为：T1+T2+T3+T4+T5，而对应N 个任务，则打印完成所需时间为T1+N*（T2+T3+T4+T5）。如果中间有M 次因为任务结束而没拆装载物平板而暂停，那么总打印完成所需时间为 T1*(1+M)+N*（T2+T3+T4+T5）。由于T3 和T4 是由打印机的系统所限定，所以要提升打印效率就必须减少载物平板手动装卸的时间T2 和T5，同时减少任务切换的暂停次数M。

1.2 提升打印效率的方案分析

根据上文的分析结果，在多任务的条件下，提升打印效率的方式只能通过减少载物平板手动装卸的时间以及任务切换的暂停次数来实现，那么解决的方案有如下两种：一是增加3D 打印机数量以匹配任务数；二是保证操作人员熟练装卸操作技术，并实时在岗。

由于桌面3D 打印机的使用群体有很大一部分是小企业或个人，对于第一种方案无疑增加了大量的固定成本；对于第二种方案，如果打印任务较多，实时在岗的要求也将增加人力成本，在实际操作中也无法充分发挥人力效率。

以上两种方案均不符合实际，需要其他更加合理的解决方案。本文提出一种基于桌面机械手的3D 载物平板自动化装卸系统方案，根据障碍空间及载物平板的结构和负载设计了符合搬运需求的专用夹具，并对载物平板及其底座进行改进。该系统不大幅增加成本和改变原有部件，使得自动化的功能容易实现。

2 载物平板自动装卸系统方案设计

2.1 系统设计

工位一：当前的打印任务结束，机械手从初始工位移到此位置，利用夹具将载有模型的载物平板从打印底座上拆卸移除。

工位二：将工位一拆卸的载物平板搬运到此处放置，然后再回到初始工位。

工位三：机械手装夹并搬运新载物平板，然后将其装载到工位一的平板底座上，之后再回到初始工位。

由于桌面机械手的运动范围有限，为充分利用其最佳工作半径，将工位一和工位二设置在机械手的左右两侧，工位三则设置在机械手工作范围的中间位置，并保证三个工位与机械手底座在X、Y 两个方向平行，具体位置和距离可根据所选机械手的运动范围进行确定，其系统原理如图2 所示。

图2 系统原理示意图

2.2 载物平板夹具设计

由于机械手需要通过末端执行器（又称为夹具）来实现具体的工作任务[9]，按握持工件的原理的不同可分为夹持和吸附两类。末端执行器作为机械手的关键部件之一，对系统的工作效率有重要影响，因此其设计过程中要综合考虑操纵对象的形状、负载、机械手的运动范围及障碍空间[10]等因素。

现有的打印机为门架结构，其载物平板的水平运动方向仅为X 轴向，以打印机的部件空间位置及可打印模型的最大尺寸范围作为限制条件，其障碍空间范围如图3 虚线所示。

图3 障碍空间

由于载物平板为表面平整、面积较大的板状物体，其握持方式适合采用吸附方式[11]，为方便搬运操作，初步设定平板的夹具形状为框型结构，内框尺寸和载物平板的外型尺寸一致，在接近载物平板时水平运动方向为沿着平板边缘Y 方向进行直到可吸附平板的位置，装卸工作可简化为吸附→抬起→搬运→放置的流程。

由于3D 打印模型一般均布在载物平板上，因此载物平板的负载可作为均布载荷，而对应的平板夹具与机械臂的连接位在搬运时相对平板是固定的，此时平板夹具的受力可简化为受均布载荷的矩形截面薄板悬臂梁，其固定端（连接位）所受的弯矩最大，如图4 所示。

图4 载物平板夹具受力

为避免机械手在搬运时因夹具变形而抖动，根据平板夹具的受力情况和弯矩图，对其结构进行改进，将初始的长薄板，改为截面为三角形的桁架结构，如图5 所示。

图5 载物平板夹具结构

2.3 载物平板及底座改进设计

载物平板的安装是通过平板底座的8 个弹簧夹进行固定的，而拆卸过程则需对这8 个弹簧夹进行拆除才能取下载物平板，操作耗时耗力，这也是影响打印机使用效率的主要原因。为方便装卸自动化操作，在载物平板的底部沿着X 方向的4个角的位置粘贴条状铁片；平板夹具也有4 个电磁铁的安装位置，与载物平板的铁片一一对应，在工作的时候可以吸住铁片从而对载物平板进行搬运；底座与载物平板底部条状铁片接触的位置也安装4 个电磁铁，通过控制电磁铁的通断电即可吸附或松开载物平板，取代了原有弹簧夹的功能。载物平板、平板底座及平板夹具的结构如图6所示。

图6 载物平板及平板底座的改进设计

2.4 机械手选型

现有的一台桌面3D 打印机，打印材料为ABS或PLA；成型尺寸为140*140*135 mm；打印机尺寸为245*260*350 mm，单个载物平板承载最大打印重量为1 kg。

由于搬运载物平板的过程中不需要进行翻转，因此机械手的自由度为3 即可满足需求，根据负载及系统的使用工况需求，机械手的基本参数如表1 所示，其转动范围θ为0～260°，臂展L最大值为450 mm，端部高度H范围为-150～300 mm。外型如图7 所示。

表1 机械手选型主要参数表

图7 机械臂外型

3 系统程序设计

3.1 系统控制I/O 口设计

根据系统的控制原理，机械手在3 个工位进行切换时需要给机械手对应的指令以进行装卸动作，因此在3 个工位分别设置了3 个光电位置开关，用以判断机械手所在位置以确定是否进行下个动作，具体的输入与输出的元器件及控制功能如表2 所示。

表2 机械手I/O 功能表

3.2 程序设计

机械手在没有动作指令时均处于初始工位，当系统检测到打印任务完成的信号之后，机械手运动到工位一开始拆卸动作，然后将载有打印模型的平板搬运到工位二进行放置，完成之后再运动到工位三装夹新的载物平板，接着将其搬运到工位一将载物平板装载到打印底座上，最后回到初始工位，一个装卸过程结束。具体程序流程如图8所示。

图8 系统控制程序流程图

3.3 搬运路径示教编程

搬运机械手在工作中需要按指定路径来完成工作，因此其路径规划对搬运效率有重要影响[12]。利用示教器，以载物平板夹具的中点为工具坐标系原点[13]，选取5 个点作为轨迹线上的点，其中P0 为初始位置点（安全点），则载物平板拆卸运动路径为P0→P1→P2→P1→P3→P4→P0，如图9 所示；载物平板安装运动路径为P0→T1→T2→T1→T3→T4→P0，如图10 所示。

图9 载物平板拆卸运动路径

图10 载物平板安装运动路径

4 实验及结果分析

由于机械手是通过步进电机驱动，移动的速度受负载影响，负载越大则冲击负荷越大，在实验中，为保证机械手动作平稳，无较大冲击，在程序中设定机械手的最大移动速度不超过600 mm/min，以载有不同重量打印模型的平板为实验对象，实验结果如图11 所示。

图11 装夹与拆卸时间

在图11 中，随着模型重量的增加，拆卸并放置载物平板的时间也逐渐增加，这是由于要保证动作的平稳性，模型增加重量则需降低机械手的移动速度，但即使在载物平板承载的最大重量下，动作完成时间只有43 s，低于平均手动拆卸时间2 min；而对应装夹的动作，由于载物平板没有载物，所以动作时间均为5 s。综合本系统整个装卸过程，所用总时间也远低于手动拆装的时间。由此可见，方法整体性能稳定，能够准确且快速地完成载物平板自动装卸的工作，具有较高的实用性。