3D复刻打印机最终版Word文档格式.docx

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3.1.1基本功能4

3.1.2拓展功能4

3.2作品特色5

第4章作品结构5

4.1硬件部分5

4.2软件部分5

4.3实物图5

附录6

摘要

本作品具有扫描实物，并将其“复制”的能力。

利用FPGA为核心控制器，控制电机旋转实物，并利用核心控制器控制3个摄像头对物体进行无死角扫描。

得到图像信息后将数据传送到PC机，利用我们自行编写的配套软件处理后再将数据传送给同样由HT66F70A驱动的3D打印机，利用PLA塑料打印出实物，实现一体化的3D打印功能

关键字：

三维打印一体化配套软件

Abstract

Thisworkhasscannedobjects,andtheabilityto"

copy"

of.HT66F70Auseasthecorecontrollertocontrolthemotorrotationinkind,andtheuseofcoremachinecontrolthecamera360degreestoscantheobject.ImageinformationobtainedafterthedatatransfertoaPCtotransferthedataweusetowritetheirownsupportingsoftwareprocessingandthentothesameHT66F70Adrivenby3Dprinters,printouttheuseofPLAplastickind.Integrationof3Dprintingcapabilities

Keywords:

3DprintingIntegrationSupportingsoftware

作品介绍

创作背景

3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。

中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。

三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。

这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。

此外，3D打印也是目前世界的热门技术之一，近年来，更是由许多机械与电子爱好者掀起了一股3D打印机DIY制作的热潮，大大促进3D打印技术的普及与发展。

创作动机

3D打印机虽然在不断普及，但产品有同质化的现象存在，缺乏创新，并且对于面向普通消费者的桌面级产品来说，它要求使用者要能够使用3D建模软件进行3D绘图，其使用门槛还是比较高的。

针对这些问题，部分开发人员或机构采用了为3D打印机添加3D扫描机能的创新方案，获得了一定的反响，但大都价格比较昂贵，对于普通家庭用户来说难以接受。

为了使这种产品的使用得到推广，本小组决定对产品进行改进，在减少工本的同时尽量维持功能的完整性，加入了自动扫描的功能，并开发了配套的易于操作的数据处理软件方便人们的使用。

工作原理

主要原理

概述

本作品使用HT66F70A作为3D打印机的核心机，并协同驱动3个摄像头全方位摄取图像信息。

待摄像头摄取图像信息完毕后，利用上位机进行图像处理，形成三维图像，最后将信息反馈给打印机，打印出实物，实现一体化的操作。

3D打印机部分

基本架构的选取

3D打印机的基本架构有很多种，在这里主要介绍目前在桌面级领域比较常见的两种模型架构——Delta型（三角洲型）和XYZ直角坐标型（矩形盒型）。

XYZ直角坐标型相对于Delta来说是一种比较传统的方案，代表三维空间的XYZ轴互成直角，组成传统的笛卡尔机械系统，在各类数控机床上均有广泛应用。

采用这种架构的打印机比较契合人们传统观念里的“三维”概念，而这也是第一台3D打印机的风格。

这类机器发展较为完整，商业化程度最高，目前在市面上有较高的占有率。

优点：

（1）打印精度较高

（2）由于机械轴采用激光切割技术，高加工精度带来较高的安装精度

（3）机体设计外观较为整洁，节省空间

缺点：

（1）安装过程较为复杂，维修也较为复杂

（2）丝杆与光轴要求加工精度高

（3）整机成本较高

（4）打印速度一般

代表机型：

makebot的Replicator系列Ultimaker系列Mbot系列

Delta架构是开源3D打印机的一个重要分支，其数学原理本质上还是笛卡尔机械坐标系，只是通过三角函数将XYZ坐标投射到三台垂直的轴上去。

这种结构对喷头的重量有较高的要求，但机械复杂程度要比传统的直角坐标系结构简单得多，对机件加工精度要求不高，能以较低的成本组成稳定的机械运动系统，而与之相应的则是固件算法要复杂得多。

这种架构比较明显的不足就是Z轴方向的占用体积较大（因为要容纳三角爪的长度），构建20cm的打印高度需要整体高度达到40-50cm，空间利用率较低。

这种架构的3D打印机目前在个人DIY领域开始大规模流行，以此带动整个3D打印市场的活跃，特别是在桌面级领域，大有取代XYZ直角坐标型打印机成为主流的趋势。

（1）打印精度较高，打印速度较快

（2）安装过程较为简单，维修也较为简单

（1）固件调试复杂，要求调试者具有一定的机械与电子设计基础

（2）空间利用率不高，整机体积较大

Rostock/KosselRostock/Kosselmini

权衡了两种机型的利弊之后，我们决定采用Delta架构。

因为我们小组的成员具有一定的机械与电子设计基础，固件的调试不会是一个特别困难的环节，而且虽说Delta架构垂直空间的利用率不高，但毕竟对于普通用户来说最为吃紧的空间是水平方向，而非垂直方向，也就是说，这些缺点都是我们可以规避的。

并且，采用Delta架构能够契合我们面向桌面级市场，从设计方案的创新方面入手，在实现产品功能的同时，降低产品价格，提高产品性价比，使3D打印技术得以普及的设计理念。

参数计算

要做原理上的介绍，首先得扫清制作过程中的一些术语障碍。

horizontalextrusion水平型材（即组成三角形底座和架顶的短型材）

verticalextrusion垂直型材（即支撑打印机结构的三根垂直长型材，在Rostock中用导轨作为支柱，也称为column〈立柱〉）

Extrusionwidth型材宽度（即正方形截面的边长，2020就是20mmx20mm，1515就是15mmx15mm）

Effector效应器（这个指的是六根斜杆的交汇处承载打印头的那个部件。

这个词直译比较难理解，据查“effector效应器”原是生物学术语，“传出神经纤维末梢或运动神经末梢及其所支配的肌肉或腺体一起称为效应器（effector）”，这样一来还是比较形象贴切的）

BuildPlate打印床（即作为打印平台的玻璃板或热床）

具体三维打印的原理在此不多做介绍，但由于本次作品制作的是非标尺的打印机（加大了打印面积与高度），所以有必要说明一下制作过程中一些参数的选取。

Kossel打印机的打印投影面的形状是这样的（下图是Kossel原型机的打印范围示意图）：

类似一个不规则的六边形的形状，这是ArmLength（斜杆臂长）=250mm时理论上的打印范围，途中R250所表示的线段即一根斜杆处于水平状态时所能达到的圆弧半径。

Horizontallengthofhomeposition指的是打印头处于初始位置（打印床的中心）时斜杆的水平投影长度，为124mm。

从图中可知斜杆长度和初始位置投影长度的比近似2：

1，也就是说初始位置斜杆与打印床夹角约等于60度，这个角度就是计算结构件尺寸的关键所在，是由原型机的设计者们根据一套严密的计算得出的最优解。

在这里，对于这个角度的选取，我们可以简单的定性理解一下。

先从水平打印面积说起，打印面积的边缘轮廓由斜杆的两个极限位置决定，一个是斜杆与垂直型材的夹角达到最小值时（假设是0，即斜杆垂直于平面），此时打印头位于距离三角形的一个定点最近处。

另一个是斜杆达到水平，与垂直型材夹角90度时，此时打印头位于距离相对的三角形定点最远处。

由于三个垂直立柱的限制，使得打印面积的半径不能超过三角形的外接圆（理想状态下，实际还要考虑结构件占用的空间而“浪费”的部分）下图是理想状态的示意图：

在简化的模型中，可以直观的看出斜杆臂长的最优解的条件：

打印范围恰好覆盖半径为R的圆（尽管实际中不可能达到），此时不会造成打印高度的浪费。

要达到这个面积斜杆长度的最小值为2倍的外接圆半径，即2R，此时AL：

R=2：

1，初始位置夹角60度。

尽管以上计算不够严谨，没有考虑实际中要减去的“死角”，但我们可以大体理解设计结构时要遵循的原理。

实际上斜杆的臂长并没有一个特别精确的要求，因为固件中的参数都是可以根据实际设计尺寸调整的，把臂长设计的或长或短，只要测量出准确值通过正确计算修改固件参数都可以让打印机正常工作。

但仍然有两点需要注意：

斜杆处于水平位置打印时，会产生较大的误差，所以设计时要考虑到打印范围的边缘仍要留有一定的冗余；

同时斜杆也不是越长越好，斜杆长度越大，和垂直型材夹角越小，使用相同步进电机和齿轮的情况下，打印精度会降低，所以也有牺牲打印范围，增大斜杆和垂直型材夹角以提高精度的做法。

从各方面的资料来看，所公认的一个计算斜杆臂长的简便算法是取2倍的Delta_Radius（三角半径）,注意这个量并不是三角形外接圆的半径，而是在上上图中初始位置时斜杆的水平投影。

这是制作Delta型中比较重要的一些参数的选择。

本作品经讨论，决定采用30cm的水平型材和80cm的垂直型材，预计物件的最大打印范围表现为底面直径为22cm，高为50cm的圆柱体。

打印材料与成型方式

为了减少污染，打印材料决定采用PLA塑胶（聚乳酸）。

聚乳酸也称为聚丙交酯（polylactide），属于聚酯家族。

聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生,主要以玉米、木薯等为原料。

聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。

此外，聚乳酸的热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。

由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，是3D打印的绝佳材料。

至于材料成型方式采用的是目前最为普及的熔融沉积快速成型（FusedDepositionModeling，FDM）。

熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。

热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。

在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术。

3D扫描部分

基本原理：

首先，我们可以举一个比较典型的应用，从一个比较容易理解的方面来说明一下由二维图像获得三维空间的坐标与距离的其中一个途径。

这种应用有一个相当形象的称呼——双目测距

如上图所示，双目测距主要是利用了目标点在左右两幅视图上成像的横向坐标直接存在的差异（即

视差

）与目标点到成像平面的距离Z存在着反比例的关系：

Z=fT/d

一般情况下，没有可靠的方法可以做到不依赖多幅图像就可以进行标定或是提取3D信息。

利用多幅

图像重建三维场景的最常见情形就是立体视觉。

在立体视觉中，同时在不同位置上拍摄两幅图像（或者更多）中的特征，然后对图像中的相应特征进行匹配，分析其中的差异，从而获得深度信息。

另一种情形是从运动中得到结构。

这种情况下，我们可能只用一个摄像头。

但是要在不同的时间从不同的角度拍摄多幅图像。

对前者而言，我们主要对视差效应（三角部分）感兴趣，并作为计算距离的一种方法；

而后者，则是通过计算基础矩阵（将两个不同的场景联系到一起）来获得场景理解的数据源。

当然，整个立体视觉系统实际工作时所涉及到的原理以及程序算法还涉及到很多方面的知识，在这里就不进行过多描述了，只做以上的简单讲解。

具体操作：

利用HT66F70A驱动多个摄像头（最低3个）协同进行定时图像摄取，根据实际采集效果的优劣或许还需要载物台配备步进电机带动物件旋转进行全方位的图像延时摄取，以收集足够多，足够精确的图像信息，以供3D成像。

这种方案能以较少的摄像头实现较多摄像头所具有的摄取信息量与精度，降低成本。

我们可以对比一下目前市面上动辄数万元的3D扫描仪，本作品的成本优势极为突出，而这全依靠于该方案的创新性。

传统的3D扫描仪通常都采用了高成本的激光传感器方案，毕竟这类产品大多面向专业领域，工作环境又较为严苛，有极高的要求无可厚非。

然而，考虑到本作品是于打印机刚体机械内部进行实时扫描的，扫描对象亦为静止物件，环境较为宽松，并且用户群定位于桌面级领域而非专业级领域。

因此这类性价比极高的方案应是本项目的首选。

另外，由于3D成像部分的算法过于复杂，对于计算量的需求极大，本组经讨论决定将成像部分交由上位机处理，以求在一个可以接受的时间内尽快形成三维图像。

功能实现

作品功能

基本功能

不仅能够实现传统3D打印机的打印功能，并且能够扫描物件并用PLA塑料打印出与原物体形状一致，大小可调的实物，实现真正意义上的“三维复制”。

拓展功能

扫描与打印的功能不仅是统一的整体，也是相对独立的两个模块，用户可根据实际需求单独使用两者中的任意一种，降低了使用门槛，更加贴近人们的实际使用情况。

作品特色

本作品采用自动扫描的方法，对被复制实物进行360度全范围扫描来获取图像信息，实现智能化。

且使用者可根据实际需求在上位机操作软件上进行对“被复制物”按比例大小缩放的操作。

由于本作品定位于桌面级市场，所以价格较为便宜，性能也能够满足一般需求，且一体化的设备使用起来更加方便，并有配套的上位机操作软件，利于用户的使用。

作品结构

硬件部分

交由上位机处理成像

控制运转传递三维图像信息

延时摄取图像

控制运转

软件部分

部分程序截图：

实物图