互聯(lián)網(wǎng)+3D打印服務(wù)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用*

毛衛(wèi)東 ，朱秀娟

（1.佛山市南海中南機(jī)械有限公司，廣東佛山 528247；2.中峪智能增材制造加速器有限公司，廣東佛山 528248；3.廣東佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528137）

0 引言

3D打印技術(shù)是集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)、3D打印于一體的先進(jìn)制造技術(shù)，利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在一臺(tái)SLM成型設(shè)備上可快速而精確地直接制造出任意復(fù)雜形狀的零件[1-2]。但是目前3D打印多以單件個(gè)性化生產(chǎn)為主，缺乏數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程控制、聯(lián)機(jī)操作的軟硬件基礎(chǔ)，在實(shí)現(xiàn)快速制造集成技術(shù)應(yīng)用上存在較多困難，難以實(shí)現(xiàn)協(xié)同開發(fā)、批量生產(chǎn)，同時(shí)缺乏3D打印適應(yīng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的技術(shù)服務(wù)及人才培養(yǎng)平臺(tái)[3-5]。本文基于此問題，將信息通信及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與3D打印技術(shù)深度融合，研發(fā)基于新型控制器及監(jiān)測(cè)手段的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備系統(tǒng)；開發(fā)云數(shù)據(jù)，資源共享、協(xié)同生產(chǎn)；同時(shí)打造在線服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)課程培訓(xùn)、學(xué)歷提升、技能鑒定一體化服務(wù)，以建立3D打印網(wǎng)絡(luò)化協(xié)作體系，形成可柔性的、滿足個(gè)性化需求的大批量生產(chǎn)模式，提升制造業(yè)的智能化水平。

1 研發(fā)互聯(lián)網(wǎng)+3D打印核心技術(shù)，基于云平臺(tái)協(xié)同創(chuàng)新

1.1 運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化3D打印設(shè)備系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是利用互聯(lián)網(wǎng)或局部網(wǎng)絡(luò)等通信技術(shù)把機(jī)器、控制器、傳感器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成物與物、人與物相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理控制、信息化和智能化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式[6]。3D打印企業(yè)將打印機(jī)直接植入互聯(lián)網(wǎng)，使各生產(chǎn)設(shè)備能夠在線觸發(fā)動(dòng)作或遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)采集等，形成3D打印物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的感知、傳送和分析，加快生產(chǎn)資源的優(yōu)化配置。

如某款自主研發(fā)的3D打印設(shè)備，自行開發(fā)基于DSP&FPGA的運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)架構(gòu)模式，具備了以下的性能特點(diǎn)：基于Windows CE.NET嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、集成顯示、USB、串行數(shù)據(jù)通信接口、工業(yè)以太網(wǎng)通信接口等，可有效交換設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸與操控，如圖1所示。

針對(duì)這種控制器，以傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以信息交互為核心，開發(fā)對(duì)應(yīng)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的焦平面矯正裝置，如圖2所示。其工作原理是：3D打印機(jī)鎖定激光振鏡1輸出的激光光束的焦點(diǎn)，此焦點(diǎn)即在斜面上形成的激光打印光斑的最亮點(diǎn)。底板2上設(shè)置承托部件5，矯正板6傾斜地設(shè)置在承托部件5上，形成此斜面。同時(shí)矯正板6的底端伸入通槽4內(nèi)部，并安裝支撐件7，二者成垂直關(guān)系，這樣可實(shí)現(xiàn)斜面與激光振鏡1正對(duì)。激光振鏡1上設(shè)滑塊，支架3設(shè)置豎直方向?qū)к墸ㄟ^滑塊與滑軌的連接，實(shí)現(xiàn)激光振鏡1在支架3上的升降，以調(diào)節(jié)激光振鏡1和底板2的距離。距離的大小由攝像頭10及位置測(cè)量傳感器精確測(cè)量，根據(jù)位置反饋信息，由上述自主研發(fā)的基于DSP&FPGA的可聯(lián)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)控制器，通過局部網(wǎng)絡(luò)，輸出測(cè)量信息，通過調(diào)節(jié)焦點(diǎn)的位置，再次調(diào)節(jié)激光振鏡1與底板2之間的距離，直至3D打印機(jī)焦平面與成型室的底板2共面，即可開始打印。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是一次打光可知焦點(diǎn)位置，同時(shí)可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)共享，聯(lián)機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)及多件批量加工，大大提高3D打印效率。

圖1 自主研發(fā)的自動(dòng)控制器界面

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的3D打印機(jī)焦平面矯正裝置

1.2 借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，協(xié)同研發(fā)

圖3 開發(fā)移動(dòng)電話在線監(jiān)測(cè)功能

在汽車、家電或醫(yī)療器械等工業(yè)產(chǎn)品上增加網(wǎng)絡(luò)軟硬件模塊，異地用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程合作、在線聯(lián)合設(shè)計(jì)及制作手板，進(jìn)行3D打印技術(shù)應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合開發(fā)[7]。如通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)移動(dòng)電話在線監(jiān)測(cè)功能，與米家APP、小米移動(dòng)電話的攝像頭有效配對(duì)，通過移動(dòng)電話APP可以在線觀察協(xié)同創(chuàng)新手板制作情況，并及時(shí)調(diào)整打印信息，如圖3所示。

以汽車門把手創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例，通過產(chǎn)品的三維掃描硬件模塊異地植入，完成數(shù)據(jù)采集（圖4（a）），再通過技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，應(yīng)用Geomagic Wrap軟件、Geomagic Design X軟件等進(jìn)行異地云數(shù)據(jù)處理和逆向建模（圖4（b）、圖4（c）），完成數(shù)據(jù)傳輸后（圖4（d）），即可進(jìn)行3D打印手板制作，打印過程中手機(jī)可遠(yuǎn)程監(jiān)控打印狀態(tài)（圖4（e）），至成型取件（圖4（f）），完成線上協(xié)同開發(fā)、遠(yuǎn)程打印。

圖4 異地在線協(xié)同創(chuàng)新

1.3 基于云平臺(tái)，資源共享

圖5 微信公眾號(hào)技術(shù)推廣

圖6 云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫

為不同廠商生產(chǎn)的智能硬件設(shè)備、仿真及分析軟件提供統(tǒng)一的3D打印軟件服務(wù)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換支持，優(yōu)化用戶的使用體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)各產(chǎn)品及系統(tǒng)的互聯(lián)互通[8]。開發(fā)微信公眾號(hào)，通過網(wǎng)站、淘寶店鋪、阿里巴巴等進(jìn)行技術(shù)推廣，如圖5所示。同時(shí)發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)對(duì)海量工業(yè)數(shù)據(jù)等資源的集聚作用，提高制造企業(yè)用戶端設(shè)備、產(chǎn)品的運(yùn)營效率、智能決策和清潔制造水平，實(shí)現(xiàn)3D打印數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫建設(shè)。圖6所示為高校與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的3D打印云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫。

2 3D打印服務(wù)網(wǎng)開發(fā)

高校與企業(yè)共同建設(shè)“佛山裝備制造行業(yè)科技與社會(huì)服務(wù)平臺(tái)”，如圖7（a）所示，開設(shè)3D打印技術(shù)服務(wù)專欄。如圖7（b）所示，開發(fā)3D打印課程，開展3D打印技能考核，開展成人大專學(xué)歷教育。針對(duì)珠三角重點(diǎn)機(jī)械裝備制造業(yè)企業(yè)，尤其是小規(guī)模的3D打印設(shè)備研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)，聯(lián)合開展線上人才培養(yǎng)及培訓(xùn)服務(wù)，一站式培養(yǎng)、輸送3D打印專業(yè)人才。

圖7 3D打印服務(wù)平臺(tái)及核心知識(shí)培訓(xùn)課程

3 結(jié)束語

本文研發(fā)的基于互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)模塊的3D打印設(shè)備經(jīng)過投產(chǎn)驗(yàn)證，經(jīng)濟(jì)效益提升3%左右。基于3D打印服務(wù)平臺(tái)，3年內(nèi)共培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)畢業(yè)生500余人，培訓(xùn)1萬余人次，為50余家珠三角企業(yè)提供技能鑒定服務(wù)。研發(fā)互聯(lián)網(wǎng)+3D打印關(guān)鍵技術(shù)，攻克3D打印基于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)推廣應(yīng)用的瓶頸問題，讓生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)、信息共享，便于協(xié)同開發(fā)、遠(yuǎn)程控制，提升了制造業(yè)的智能化水平，在商業(yè)流程及價(jià)值流程中整合客戶及商業(yè)伙伴，形成一個(gè)可以柔性生產(chǎn)的、滿足個(gè)性化需求的大批量生產(chǎn)模式。