论文指导

基于云计算和边缘计算的糖画3D打印机设计

摘    要:为将传统的糖画手工艺术结合现代科技如云计算、互联网和3D打印机技术,以提高糖画的艺术形式和工作效率,采用云计算中心协同边缘计算器控制3D打印机,提出一种云计算架构的糖画打印控制专家库系统设计方案,实现糖画打印控制策略和任务完成效率的最优化。
 
关键词:云计算;边缘计算;糖画; 3D打印机;
 
糖画作为我国非物质文化遗产的一部分,是我国历史文化传承的精华,但是传统糖画制作工艺操作难度较大,前辈艺人难以找到新一代传承人,因此糖画制作也已频临失传。本文设计的糖画3D打印机,是一种运用糖作为可粘合材料的3D打印机,归属于快速成型技术类设备,它以数字模型文件为基础,通过逐层打印的方式来构造物体[1]。本文设计的打印机融合了先进的云计算技术[2]、边缘计算技术[3][4]和3D打印技术[5],由自主设计研发的糖稀挤出头按照云服务器下发的图案程序运行,同时糖稀挤出头根据程序文件所设定温度将预放入挤出头的糖块融化为糖稀,再由边缘计算器内的三轴机械控制系统将从云服务器接收到、计算并编码好的任意或指定图案文件,绘制出人物、动物、风景等造型,待糖稀冷却凝固即成为可观可食用的糖画。云服务器下发的程序或指令文件都从糖画打印控制专家库中调用并通过边缘计算器实现控制,使得该打印机能高效完成那些原由传统糖画工艺才能制作的图案,且糖画3D打印机能完成的图案形状更多、图形更美观、口味更佳,可以在实际应用中进行推广,相比传统糖画方式来说极大降低了劳动强度和人力成本。
 
1 糖画3D打印机控制系统的总体架构设计
糖画3D打印机控制系统由3D打印机机械平台,无线WIF网络、云终端(边缘计算器)和云计算中心相关设备组成。首先是用于进行糖画的3D打印机机械硬件平台,通过无线WIFI模块,与路由器结点和网络协调器组建成为无线WIFI网络,每个3D打印机的运动状态信息能够通过无线WIFI网络进行相互传输。同时,无线WIFI网络能够直接连接云终端计算机即边缘计算器,云终端计算机能够进行边缘计算,且云终端计算机通过移动互联网(包括校园局域网和校外广域网)连接至云计算中心,如图1所示。
 
云计算中心由防火墙、核心交换机、GPU服务器、虚拟化刀片服务区、普通服务器、光纤交换机和存储阵列组成,其中3D打印机在云计算中心的控制软件平台安装在虚拟化刀片服务器、普通服务器和存储阵列中,它架构有糖画3D打印机相关的数据库和控制专家库,实现3D打印机相关的最优化算法和控制策略的大数据分析,专家库还存储有已经经过矢量化处理好的上百种卡通、人物、动物等各种图案,也可由用户自行上传自己喜欢的图案,经过云计算中心处理发送数据至3D打印机,打印出来即可完成糖画制作。
 
2 糖画3D打印机的硬件设计
糖画3D打印机的硬件主要组成部分有:控制系统电路核心控制板、WIFI无线网络模块、3.5寸液晶触摸显示屏模块、步进电机、丝杆步进电机、推拉式电磁铁、限位开关、联轴器、丝杆、同步带、同步轮、304不锈钢画板、纯铝托板、丝杆轴承等部件。糖画3D打印机硬件平台架构示意图如图2所示。
 
2.1 糖稀挤出头设计优化设计
糖稀挤出头在糖画3D打印机中是一个十分重要的机械部件,它的设计决定了糖稀流出和糖画的质量。本文的挤出头采用304不锈钢材质加工而成,304不锈钢是一种稳定安全的金属材料,通常用于餐具等产品的制造。挤出头内部采用漏斗形状,内壁镜面抛光工艺,更方便糖稀流动已经方便清洗,漏斗底部两个圆孔可以安装两支加热棒,加热棒可以直接安装到挤出头内部,使得加热棒与挤出头完全接触,增加了温度传导效率。挤出头背部设计了12个安装孔位,可以将光轴轴承滑块以及丝杆轴承等部件固定在上面,使步进电机通过丝杆可以稳定灵活的控制挤出头运动,示意图如图3所示。
 
2.2 糖画3D打印机的电路系统设计
本文设计的打印机电路系统的核心控制板主控芯片采用ATmega2560,它多达54路的IO接口特别适用于控制糖画打印的电机驱动和各种传感器连接;电机驱动采用A4988设计,可在全、半、1/4、1/8、及1/16步进模式时操作双极性电动机,输出性能可达到35V及±2A;步进电机采用两相四线42步进电机,有0.28Nm的输出力矩;温度传感器采用NTC单端玻封热敏电阻,使用温度范围为-40℃~+300℃。核心控制板主控芯片电路原理图如图4所示。
 
糖画3D打印机加热棒的电热管控制以及电磁铁控制芯片采用意法半导体STP55NF06,配套对应的MOS场效应管,通过主控芯片发送PWM进行控制,电路设计了三路MOS场效应,分别可以用来控制电热管的温度、电磁铁的开关以及散热风扇的风速等。电热管控制及电磁铁控制电路示意图如图5所示。
 
3 糖画3D打印机控制系统软件设计
3.1 糖画打印图案的图像处理
糖画3D打印机在准备执行打印任务时,用户自主选择在线(联网状态)或离线(非联网状态)的图案,打印机获取用户需要打印的图形图案信息,需要绘制的图案必须经过云服务器后台进行处理,转化为糖画3D打印机可识别的数字坐标文件,该坐标文件称为Gcode文件,云服务器将该文件下发到糖画3D打印机进行打印。图6为处理前的图案和处理后的Gcode坐标文件示意图。
 
3.2 糖画3D打印机控制系统的软件设计
糖画3D打印机的三轴机械控制系统使用C/C++语言进行编程设计。首先糖画3D打印机进行初始化,首次开机需要设定网络,使机器通过WIFI连接到互联网,如果不设置网络或系统无法联网,则通过触控屏控制读取SD卡内的坐标文件进行打印。如果联网成功,则3D打印机工作在云计算模式,打印机通过WIFI无线网络从云计算中心的控制专家库中获取历史数据中最优化的状态数据作为本次打印机机械轴运行的初始控制参数数据。
 
打印机开始执行任务,从打印图案的图像处理获得图形图案信息,得到三维设计处理后的坐标文件中的设定值,自动设置的步进电机的运行速度,并复位机械XYZ三轴回到初始位,同时启动预热糖稀挤出头,当温度达到设定值后,糖稀呈均匀的流体状,则开始控制电磁铁(电磁阀)打开挤出头,令糖稀从挤出头中连续挤出,X轴和Y轴步进电机同时根据坐标进行运动绘制糖画。
 
在控制机械轴X\Y\Z轴进行运行绘制糖画时,具体的运动控制由3D打印机上的核心控制板负责,但是涉及较为复杂的实时性要求高的精确运动轨迹控制与优化,则通过本地计算机暨云终端完成,云终端利用边缘计算理论,实时收集3D打印机的运动轨迹数据和状态数据,采用基于模糊辨识和鲁棒自适应轨迹跟着控制算法,承担边缘计算的云终端完成参数优化后,及时把控制数据发给3D打印机进行机械轴的运动控制。
 
当整个图形图案的坐标代码执行结束,即已完成糖画打印机任务,结束前3D打印机把本次任务完成过程的所有数据上传至云计算中心,丰富云计算中心的控制专家库信息,为下次的3D打印机的糖画打印任务储备各种历史数据,并将结果反馈到显示屏,提示打印结束,即完成本次打印。整个程序设计流程图如图7所示。
 
4 系统测试
 
本测试是通过邀请传统手工糖画师傅(熟手)和传统手工糖画学徒(新手)完成同样3幅图案的绘画,并使用本文设计的糖画3D打印机也完成这些图案,对比他们的完成时间,以及通过询问传统手工糖画新手和熟手能绘画的图案数量情况,得出如表1所示的“糖画3D打印机”测试情况表,可以看出,本文设计的糖画3D打印机在糖画的效率方面全面优于传统手工糖画工艺人员的新手,与传统手工糖画工艺人员的熟手相当,并且在人力成本方面和能绘画的图案数量方面都是优于传统手工糖画工艺人员的。
 
5 结语
本文主要偏重于利用云计算和边缘计算技术的糖画3D打印机硬件设计和控制系统软件设计与实现,把云计算架构的糖画打印控制专家库系统融入到糖画3D打印机的程序设计中,实践表明,本文设计的糖画3D打印机糖画的效率高且节约人力成本,可在实际应用中推广。
 
参考文献
[1] 杨来侠,杨繁荣,桂玉莲,等.基于可食用材料的3D打印技术应用进展[J].食品与机械,2019,34(12):147-151.
[2] 周悦芝,张迪.近端云计算:后云计算时代的机遇与挑战[J].计算机学报,2019,42(4):677-700.
[3] 裴庆祺.以万物互联为核心的边缘计算时代正在开启[J].人民论坛·学术前沿,2020(9):26-32.
[4] 施巍松,孙辉,曹杰,等.边缘计算:万物互联时代新型计算模型[J].计算机研究与发展,2017,54(5):907-924.
[5]梁辉,孔祥旭,高云涛,等.-种H-bot极坐标3D打印机的结构设计[J]机械与电子,2019,37(11):15-20.