劉 麗，王 堯，馬虎兵

（中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院 寧夏 銀川 750000）

1 引言

隨著科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)引起了公眾的關(guān)注，且發(fā)展迅速，并成為了人們研究與開發(fā)的熱門領(lǐng)域[1]。而智能化的到來，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更是畫龍點(diǎn)睛，使其功能達(dá)到多元化、智能化[2]。本文主要對(duì)基于3D打印的智能控制臺(tái)燈的前期設(shè)計(jì)建模、3D打印實(shí)體模型、ESP8266搭載物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及溫濕度傳感器的智能控制程序做了基本的介紹。

2 產(chǎn)品的主體設(shè)計(jì)

2.1 主體構(gòu)思

將我校標(biāo)志性建筑——圖書館，作為本設(shè)計(jì)的主體，用以紀(jì)念學(xué)子們的大學(xué)時(shí)光。在此基礎(chǔ)上，外加兩側(cè)鑲嵌式筆筒的設(shè)計(jì)，使本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了使用的多元化及個(gè)性化。通過帶有?；盏拈_關(guān)設(shè)計(jì)以及包覆的文字性校訓(xùn)，將本校的辦學(xué)理念及文化特色彰顯得淋漓盡致。

2.2 主體的建模

采用SolidWorks繪圖軟件，對(duì)其主體進(jìn)行建模。

2.2.1 燈座的設(shè)計(jì)

利用凸臺(tái)拉伸、切除拉伸、鏡像、圓角、線性陣列、放樣、包覆以及基準(zhǔn)面建立等指令完成以礦院圖書館為本體的燈座。

2.2.2 筆筒的設(shè)計(jì)

筆筒通過拉伸、切除、放樣、抽殼以及基準(zhǔn)面建立等命令，設(shè)計(jì)為可拆卸式，可以根據(jù)需求者不同的審美，設(shè)計(jì)不同的款式，完美鑲嵌在圖書館型燈座的兩側(cè)，用來收納。

2.2.3 拉伸LED燈架的設(shè)計(jì)

作為一款折疊類型的臺(tái)燈，采用目前市場上已有折疊臺(tái)燈的折疊原理，通過拉伸、切除、凸臺(tái)、線性陣列、圓周整列、圓角、倒角、鏡像、放樣以及基準(zhǔn)面建立等指令設(shè)計(jì)出燈架部件，可調(diào)節(jié)燈光角度及高低。在此燈架旁設(shè)置內(nèi)槽作為布線槽，連至LED燈使其工作，燈臂內(nèi)槽外有擋板使其整體效果更美。

2.2.4 手動(dòng)開關(guān)的設(shè)計(jì)

通過拉伸、切除、圓角等指令將開關(guān)設(shè)計(jì)成校徽樣式嵌入圖書館頂端，通過預(yù)留的線孔與控制主板連接，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制臺(tái)燈的開關(guān)。

2.2.5 校訓(xùn)的引用

為了使作品外觀更為精美，在燈座的背部選用學(xué)校校訓(xùn)以及勵(lì)志性句子，利用包覆命令將其設(shè)計(jì)在圖書館燈座的背面，同時(shí)更能彰顯本校辦學(xué)理念及治校精神，集中體現(xiàn)本校的教風(fēng)、校風(fēng)、學(xué)風(fēng)。

2.2.6 零件裝配

將繪制好的燈座、筆筒、燈架等所有零件圖插入到裝配圖里面，在裝配圖里進(jìn)行簡單的裝配，運(yùn)用平行、重合、垂直、相切、同軸心等關(guān)系進(jìn)行裝配，完成該智能臺(tái)燈的裝配體。

2.2.7 建模實(shí)體的渲染

運(yùn)用SOLIDWORKS中的渲染功能進(jìn)行建模實(shí)體的渲染操作，渲染出外觀精美的作品。

2.3 3D打印實(shí)體的制作

3D打印技術(shù)是綜合利用CAD技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)以及機(jī)械工程電子技術(shù)的技術(shù)集成，以實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到三維實(shí)體原型制造一體化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它是一種基于離散堆積成型思想的新型成型技術(shù)，是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速完成任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體零件制造的技術(shù)的總稱。

本設(shè)計(jì)采用的是熔融沉積式（FDM）又稱為熔化堆積法、熔融擠出成模(Melted Extrusion Manufacturing，MEM)等。其具體工藝過程為：絲材在供絲機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下到達(dá)熱熔噴頭，并被加熱至熔融狀態(tài)，經(jīng)噴頭擠出，到打印平臺(tái)上；在控制系統(tǒng)的控制下，沿著設(shè)計(jì)模型輪廓線的規(guī)劃途徑在平面內(nèi)移動(dòng)，在平臺(tái)打印一層所有結(jié)構(gòu)后，打印平臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)控制下，下降一個(gè)分層厚度的高度再進(jìn)行第2層的打印，直至打印完成[3]。

將所繪制好的臺(tái)燈主體部分以及折疊部分，建模下載到3D打印機(jī)上進(jìn)行打印，所選原材料為絲狀，利用熔融沉積的原理將原材料熔融逐層堆積，最終完成實(shí)體的打印制作，打印出來的顏色為乳白色，經(jīng)過噴漆以及組裝，完成該臺(tái)燈的主體制作。見圖1。

圖1 臺(tái)燈主體制作

3 智能控制設(shè)計(jì)編程

3.1 光源的選用

臺(tái)燈的使用，要滿足桌面照明要求、光線穩(wěn)定無頻閃、無眩光的國家標(biāo)準(zhǔn)，還要考慮節(jié)能、高效、環(huán)保等，而LED的發(fā)光效率超過白熾燈10倍左右，高于節(jié)能燈和熒光燈；光線中沒有紫外線和紅外線等輻射光線，光線質(zhì)量好，對(duì)于長時(shí)間的閱讀和工作不會(huì)給眼睛帶來負(fù)面影響；顯色性好，適于閱讀照明；體積小，設(shè)計(jì)靈活；壽命長，節(jié)能環(huán)保，成本低[4]。所以，本設(shè)計(jì)作為一款節(jié)能綠色環(huán)保的臺(tái)燈，LED則是最佳光源的選擇。

3.2 ESP8266與溫濕度傳感器控制

ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行。ESP8266在搭載應(yīng)用并作為設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器時(shí)，能夠直接從外接閃存中啟動(dòng)，且內(nèi)置的高速緩沖存儲(chǔ)器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。還有一種情況是，ESP8266負(fù)責(zé)無線上網(wǎng)接入承擔(dān)Wi-Fi適配器的任務(wù)，此時(shí)可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計(jì)中。ESP8266高度片內(nèi)集成，包括天線開關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模組在內(nèi)的整個(gè)解決方案在設(shè)計(jì)時(shí)將所占PCB空間降到最小[5]。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[6]，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。而傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。

3.3 控制方式

本設(shè)計(jì)通過智能音響、手動(dòng)開關(guān)、手機(jī)APP、手機(jī)語音助手等對(duì)其控制，見圖2。

圖2 控制設(shè)計(jì)

控制編程如下：

#define BLINKER_Wi-Fi

#define BLINKER_MIOT_LIGHT//引用小愛同學(xué)回調(diào)函數(shù)

#include ＜Blinker.h＞

char auth[] = "9b9916******";//點(diǎn)燈科技app中獲取到的Secret Key(密鑰)

char ssid[] = "LL";//無線Wi-Fi名稱

char pswd[] = "LL203772******";//無線Wi-Fi密碼

int GPIO = 0; //定義繼電器引腳

// 新建組件對(duì)象

BlinkerButton Button1("bt1");//注意：要和APP組件’數(shù)據(jù)鍵名’一致

// 按下BlinkerAPP按鍵即會(huì)執(zhí)行該函數(shù)

void button1_callback(const String & state) { BLINKER_LOG("get button state： "，state); digitalWrite(GPIO，!digitalRead(GPIO));

Blinker.vibrate();

}

//小愛電源類操作的回調(diào)函數(shù)：

//當(dāng)小愛同學(xué)向設(shè)備發(fā)起控制，設(shè)備端需要有對(duì)應(yīng)控制處理函數(shù)

void miotPowerState(const String & state)

{

BLINKER_LOG("need set power state： "，state);

if (state == BLINKER_CMD_ON) {

digitalWrite(GPIO，LOW);

BlinkerMIOT.powerState("on");

BlinkerMIOT.print();

}

4 產(chǎn)品優(yōu)勢

本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)的3D打印技術(shù)，從最初的建模到最后的產(chǎn)品成型，復(fù)雜的圖書館外形一次成型，大大降低了該產(chǎn)品制造的復(fù)雜程度及制造流程。其次，作為增材制造，提高了材料的利用率，大幅度降低了生產(chǎn)成本，加快了生產(chǎn)周期。學(xué)院圖書館的外形和背部的學(xué)校校訓(xùn)及勵(lì)志文字，再加上承載開關(guān)的學(xué)校校徽，這些最具有代表意義的設(shè)計(jì)，賦予了此產(chǎn)品獨(dú)一無二的靈魂。臺(tái)燈的主體加上鑲嵌式筆筒，節(jié)省空間，實(shí)用性強(qiáng)；手動(dòng)控制及智能控制，與傳統(tǒng)折疊臺(tái)燈及筆筒相比較更具個(gè)性化、智能化。這款臺(tái)燈的設(shè)計(jì)，操作和控制簡便，可實(shí)現(xiàn)多種形式控制，外觀精美，綠色環(huán)保，適用范圍廣泛，具有一定的藝術(shù)特色，加入人工智能控制，符合當(dāng)代智能化發(fā)展。隨著3D打印產(chǎn)品日趨增加，該設(shè)計(jì)90%以上都需采用3D打印來完成，這也決定了生產(chǎn)趨勢的主導(dǎo)權(quán)，能靈活改變?cè)O(shè)計(jì)，迅速生產(chǎn)。其不論是作為學(xué)校形象代言品、畢業(yè)生贈(zèng)品、學(xué)習(xí)型臺(tái)燈、辦公室用品、客廳擺飾，還是創(chuàng)意類商品，都有著廣泛的市場，發(fā)展前景非?？捎^。