3D打印照相機設計

袁健 葛昊 徐濤

摘?要：本文提出一種3D打印照相機，通過掃描儀、色感應機構模塊、打印機控制系統模塊、電機驅動模塊、同步信息交換模塊完成對人像的3D打印照相。以UG作為設計平臺，對運動機構、執行機構、升降機構及外殼進行設計與建模并進行優化設計。

關鍵詞：3D打印;照相;優化;設計

3D打印目前處于一個快速發展的階段，但存在直接開模制作生產，一旦產品有設計問題將全部報廢，大大浪費人力和物力，同時存在打印的人物死板、色彩單調等問題。我們設計了一款3D打印照相機，在打印時給人物上色，人物顯得生動形象，穩定性好。

1?機械部分設計

整體結構主要包括掃描機構（圖1）、執行機構（圖2）、升降運動機構。

1投影儀?2雙目相機?3三角支架?4站臺

圖1?掃描機構

1曝光屏?2打印機外殼?3機架?4X導軌?5封桿6噴頭裝?7水箱?8工作臺?9Y導軌?10開關

圖2?執行機構

1.1?掃描機構設計

掃描機構主要包括由Basler?Aea130030gm型組成雙目相機、PDC03型光柵投影儀、同步輸出/CCD外觸發接口、電源接口等。選用兩臺Basler?Aea130030gm工業相機作為同步光柵。

數據采集，共有三種工作模式：外觸發、內觸發和軟觸發。先連接并固定兩臺相機構成雙目相機，保持相機間約10cm距離。分別用t=1，t=8和t=64，按照LIU算法進行雙像相位特征匹配，實現四步相移法求得包裹相位并展開、時間相位展開算法解包裹相位。按照PDC03型光柵投影儀特有特點，根據光柵圖片制作的灰度圖像，其分辨率為1280*800，正弦光柵按照橫向和縱向排列。

1.2?執行機構設計

執行機構主要包括入料機構、噴頭機構、輪盤機構、色感應機構。

入料機構由機器后側的進料管、料盤盒和送料電機組成，在打印前提前將耗材頭剪成塔尖形狀，以便穿入導絲管及進料電機孔。先將耗材穿過導絲管，然后從電機小孔出穿入，一直送到噴頭電機進料口。3D打印機噴頭加熱到200度以上，將耗材穿入進料口，然后擰緊調節螺釘旋鈕[1]。

噴頭機構主要由噴嘴、加熱塊和散熱扇組成，利用加熱塊進行噴頭加熱，將材料加熱融化。

通過噴頭內部流道。FDM熔融沉積[2]對材料加熱至熔融狀態，然后從3D打印頭中噴出。為防止溫度過高對噴頭及管道造成損壞，采用傳統散熱扇進行降溫，便捷有效，也更加經濟實惠。

輪盤機構主要由一個分為六個獨立倉的輪盤組成，分為六個微細噴嘴，不同倉可存儲不同色彩的顏料，用于給人物上色，且每個倉都是獨立存在的，不會產生干擾，即使有一個倉出現故障，也不會影響其他倉的工作，可以在打印完成后在進行替換和維修，大大節省了時間，優化了打印機的容錯率，加大了工作效率。

色感應機構由曝光屏和感光乳劑噴頭組成，X方向導向軸上設置有感光乳劑噴頭，3D打印機正上方設有曝光屏，根據指令配合輪盤機構轉換不同顏色噴頭，打印相對應的顏色，及時為人物上色，減少了后期加工，優化了3D打印工序[3]。

1.3?升降運動機構設計

升降運動機構主要由Y0728D15010D型步進電機、XYZ三系運動導向軸和打印工作平臺組成，3D打印機內部橫向兩側各設置X方向導向軸，X方向導向軸的兩端在Y方向導向軸上滑動連接，打印機噴頭在X方向導向軸上滑動連接，工作平臺設置在3D打印機內部中央，上述感光乳劑噴頭在X方向導向軸上滑動連接。直線導軌用螺栓固定在鋁型材上，然后一起固定在底座上。三個步進電機分別和相應的同步帶輪用聯軸器連接，同步帶上裝有直線軸承，步進電機轉動，同步帶運動，帶動直線軸承運動，實現X軸、Y軸、Z軸三個方向的移動。

2?控制部分設計

3D打印機由控制計算機、參數檢測和輸出驅動、輸入輸出通道、人機聯系設備構成。控制流程圖如圖3所示，預先設定好控制規律，控制計算機對輸入的信息處理分析，檢測參數并輸出驅動：當需要被檢測的對象參數是模擬量時，可通過傳感器將參數轉換，當需要被檢測的對象參數是模開關量時，直接用開關型元件檢測。輸出驅動時，根據模擬量輸出指令，驅動元件控制被控對象啟動、停止、速度、加速度、位置等參數;開關量主要控制驅動元件的運行工作狀態。通過人機交互設備（鍵盤和顯示器），輸入控制命令和數據，實時顯示運行狀態并進行查找及故障診斷，檢查運行中數據是否有誤等[4]。

3?創新點

功能全面。本產品能實現掃描打印上色一體化的功能。

結構簡單，工作部分采用簡約的設計使本產品能短時間內快速生產增加數量。

模塊化設計，便于替換維修，降低成本。

智能化，只需在打印前設置好參數，本產品就能自行完成打印工作。

4?結語

通過對3D打印照相機系統化數字化的研究設計，可實現3D打印照相自主打印上色一體化操作。產品主要定位在新婚、旅游等具有紀念意義的場合，該3D打印照相機能實現掃描、建模打印、上色等功能，相比于傳統打印機裝置，具有打印效率高、智能化高、成品質量更好等優點。

參考文獻：

[1]吳超，段倩倩，等.基于變論域模糊PID的3D打印機噴頭運動控制[J].信息技術，2020，44（09）：2126+32.

[2]朱博文，趙永強.不同材料3D打印擠出頭的熱力耦合分析[J].汽車實用技術，2020，45（17）：160163.

[3]李子秋，甘新基，等.基于FDM彩色3D打印自適應控制系統的設計[J].組合機床與自動化加工技術，2020（05）：109112.

[4]劉長華，張衛華，等.基于3D打印設備的機械與控制系統設計研究[J].機械研究與應用，2020，33（06）：123128.

作者簡介：袁健（1968—?），男，漢族，碩士，鹽城工學院副教授，從事機械設計及理論;葛昊，鹽城工學院機械工程專業學生;徐濤，鹽城工學院機械工程專業學生。