3D打印技術(shù)在競(jìng)賽機(jī)器人制作中的應(yīng)用

劉城市 樸鋒愛

(1.延邊大學(xué)工學(xué)院機(jī)械工程系，吉林 延吉 133002；2.延邊大學(xué)，吉林 延吉 133002)

0 引言

目前，仿生機(jī)器人比賽非常熱門。賽事富有挑戰(zhàn)性，鍛煉大學(xué)生的腦力和動(dòng)手能力。其包含復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，涉及機(jī)械、電子、仿生、材料，智能等領(lǐng)域，是一門綜合性極強(qiáng)的前沿交叉學(xué)科，所以，機(jī)器人研究是科研的熱點(diǎn)方向。在3D打印技術(shù)日趨先進(jìn)的今天，其應(yīng)用已經(jīng)遍布工業(yè)設(shè)計(jì)、智能制造、建筑、醫(yī)學(xué)、汽車、教育、文化等領(lǐng)域。本文介紹了使用ABS的3D打印技術(shù)在一種四足機(jī)器人制作中的應(yīng)用。使讀者了解到機(jī)器人部分結(jié)構(gòu)的三維建模、3D打印、裝配等過(guò)程，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

1 3D打印技術(shù)

3D打印使用的原料是金屬粉末、砂、塑料、陶瓷等，將電腦建立的三維模型輸入到3D打印機(jī)里后，打印機(jī)會(huì)對(duì)模型進(jìn)行切片分層，在一定溫度下，設(shè)置好打印機(jī)的各種參數(shù)后，打印機(jī)把打印材料層層堆疊起來(lái)，冷卻后最終將三維模型變成實(shí)物。簡(jiǎn)而言之，3D打印機(jī)就是可以打印出實(shí)物的設(shè)備。這里我所使用的是一種擠壓熔融沉積式(FDM)3D打印機(jī)。考慮到機(jī)器人的受力情況，在打印耗材上選擇低密度、高強(qiáng)度、韌性高的ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)進(jìn)行打印。

2 設(shè)計(jì)步驟

2.1 建立三維模型

圖1 建立CATIA三維模型

機(jī)器人設(shè)計(jì)的初衷是使其具有自主越過(guò)一定障礙的能力，所以對(duì)機(jī)器人各受力部件的剛性、尺寸、運(yùn)動(dòng)幅度等進(jìn)行了一定計(jì)算，在滿足其成功裝配、靈活性和通過(guò)性的條件下，我使用達(dá)索公司的三維建模軟件CATIA V5R20進(jìn)行了模型的三維設(shè)計(jì)。

2.2 3D打印過(guò)程

第一，將在CATIA軟件中建立的零件模型另存為stl文件保存，使用3D打印機(jī)配套的切片打印軟件打開stl文件。

第二，因?yàn)樵诳臻g允許的情況下，3D打印機(jī)一次可打印多個(gè)實(shí)體，所以這里我們將小尺寸的零件全部載入到打印界面，載入后可按數(shù)量要求進(jìn)行復(fù)制。

第三，在模擬打印平臺(tái)上調(diào)整好各個(gè)零件的位置與角度，使打印塑料纖維方向與零件受力方向一致，以保證零件的使用效果，且盡量使預(yù)設(shè)支持最小化，以保證打印質(zhì)量與節(jié)省耗材。

第四，使用軟件自動(dòng)檢驗(yàn)并修復(fù)模型。

第五，對(duì)零件模型進(jìn)行切片分層處理。

第六，將電腦連接到打印機(jī)。

第七，初始化打印機(jī)，使打印平臺(tái)在Z軸上移動(dòng)到初始位置。

第八，當(dāng)打印機(jī)噴嘴和熱床預(yù)熱到設(shè)定溫度后，開始打印。

圖2 零件模型保存為stl文件

2.3 進(jìn)行裝配

把打印完成的零件進(jìn)行后期處理，包括修平、磨光等。然后按照步驟進(jìn)行機(jī)器人所需部位的裝配即可。

圖3 機(jī)器人裝配圖

3 結(jié)束語(yǔ)

在這些零部件的制作中利用了3D打印技術(shù)的設(shè)計(jì)即實(shí)現(xiàn)的模塊化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了一些機(jī)器人尺寸及受力計(jì)算，通過(guò)自己動(dòng)手，自己設(shè)計(jì)建立模型，實(shí)際操作打印的過(guò)程，最終制作出符合的零件進(jìn)行裝配。我了解了3D打印的原理，訓(xùn)練了自己動(dòng)手裝配的能力，為以后解決更高難度工程問題奠定了一定基礎(chǔ)。