5  直角坐标机器人扫描打印轨迹的路径规划 25

5.1  直角坐标机器人 25

5.2  截面数据分析与机器人打印轨迹规划 28

5.3  小结 31

结  论 32

致  谢 33

参考文献 34

1  引言

本节介绍3D打印技术的发展概况、几种常见3D打印技术的工作原理和基本特点以及它们的应用及发展趋势，分析3D打印机目前存在的不足，并在此基础上提出基于机器人有骨架的3D打印技术思想，进一步来推广和改进3D打印技术。

1.1  课题的研究背景

3D打印技术出现于上世纪90年代中期，是经过美国麻省理工学院[1]提出的。3D打印技术涉及了CAD/CAE技术、数据处理技术、材料技术和计算机软件技术等其他方面；是基于喷射技术，从喷嘴（打印头）喷射出液态微滴或者连续的熔融材料束，并按照一定的路径逐层堆积成形的一种快速成型技术[2-4]。目前，国内外已经开发出了多种新材料及新工艺的3D打印技术，并且已经生产出了相应的3D打印机。

根据上述3D打印技术的发展概况、发展阻碍等方面的分析，3D打印技术作为新兴的制造技术，存在着大量需要改进的地方。因此，为了进一步推广和改进3D打印技术，需要在如下几个方面加以改进：① 进一步降低3D打印机的价格，搭建更为经济可行的3D打印设备；② 进一步提高3D打印机的性能，包括打印精度和打印速度；③ 将3D打印技术向单元化、集成化的方向发展，将打印机的打印头安装在成熟的自动化装置，并考虑到特定的材料与工艺，添加相应的工艺装备，使3D技术成为其—个模块。文献综述

机器人技术在制造工程中广泛的应用使得自动化制造技术发展到了一个新的阶段，机器人作为成熟的自动化技术，在柔性、实现大范围复杂运动等方面具有技术性的优势，机器人的柔性主要体现在：① 能快速更换执行部件，满足工艺要求；② 提供机器人运行轨迹的点位数据文件便能编制程序完成预定的打印扫描轨迹；③ 机器人的起动时间、制动时间以及运动速度都可以通过程序来设定，可以保证机器人运行速度与扫描头的功率输出相匹配。由此，机器人是集成3D打印技术的一种理想的自动化装置，将3D打印技术融合入工业机器人[5]。

1.2  3D打印技术的研究现状

1.2.1  3D打印技术的发展概况

1.2.2  3D打印技术的种类

1.2.3  3D打印术的应用前景

1.2.4  3D打印技术的发展阻碍

1.3  课题主要研究内容

根据上述介绍，本课题以直角坐标工业机器人为对象构成一个集成的熔融式基于机器人的3D打印系统，并进行如下几个方面的研究：

（1）熔融式ABS线材3D打印头（扫描头）机理分析，进行机械结构设计和改进，并设计对应的控制系统。

（2）对STL数据模型进行读取、显示和分层的研究。

（3）单层截面图像数据点研究及打印扫描轨迹规划。

（4）基于直角坐标机器人完成扫描轨迹路径的规划，并集成打印头模块与机器人控制，实现基于机器人的3D打印机一体化控制。

 2  熔融式3D打印头研究

本章以熔融挤出ABS线性材料为背景研究基于机器人实现3D打印技术的打印头，主要包括打印喷头的机理分析、机械结构设计及其加热区域温度控制系统的设计，并基于挤出熔丝的冷却过程分析，探究熔融打印过程的误差来源。