来到“高训智造”原创专业课堂第468期，本期由钟观友老师带来3D打印小课堂。

一种转盘式自动投食器设计与其光固化制作（上）

钟观友

据不完全统计，2021年中国宠物市场规模达到1310亿元，与我们人民生活密不可分的水产养殖业与畜牧业规模合计更是高达2.8万亿元。动物饲养的智能设备市场规模也是不可估量，市场上的自动投食器各式各样，多应用于鱼塘虾塘、深海网箱、畜牧场、家庭宠物饲养等不同动物饲养场景，投食基本实现“定时”“定量”“全自动”。此文所阐述的转盘式自动投食器，设计用于家庭水宠饲养的短期（3~7天）的投食工作，如金鱼、草龟、小丑鱼、黑壳虾等水生动物的投食工作。亦可在此投食器的设计基础上，更改此款投食器的固定方式，加大饲料装载量，用于家庭宠物的短期的投食工作，如小猫、小狗、小兔子等投食工作。

1 转盘式自动投食器的设计与建模

 此次转盘式自动投食器设计建模使用的软件是SOLIDWORDS 2018。转盘式自动投食器主体设计有三个部件，分别是底座、转轮与盖板，此三个部件由光固化3D打印制作；外加数个电控部件，分别是步进电机、驱动器、控制器与电源等，电控部件为自购件和实训室耗材。主体部件与电控部件组装调试编程后，挂靠养殖缸壁沿连接电源使用。自动投食器主要零件图如图1所示。

图1  转盘式自动投食器主要构件图

1.1 自动投食器的工作原理与设计目标

此款转盘式自动投食器为水宠养殖所用，完成主要部件和电控部件组装后，工作时控制器按照既定程序对驱动器发送若干个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动若干个固定的角度，此次用的步进电机接收一个脉冲行进步距角为1.8°，所以程序上设置每次投食时驱动器接收25个脉冲信号，实现步进电动机带动转轮完成45°转动，从而拨动该储存位的饲料从底座扇形孔位投出，完成投食工作。

要求实现3~7天水宠的定时、定量和全自动投食操作。定时：实现一天内固定时间点投食操作；定量：一次投食实现一份或多份量投食；全自动：实现3~7天无人干预下自动投食操作。投食器工作时投食器的部件构造与安装样式如图2所示。

图2 投食器的部件构造与安装样式

1.2 自动投食器主体部件设计建模

此次投食器主体部件制作加工选用的制造方式非CNC加工和注塑成型，而是光固化3D打印。所以在设计投食器部件时，应结合3D打印“一体成型”的制造特性，尽量使各功能部位连接一体，使投食器的结构更加简洁实用。3D打印领域通用STL格式的三维数字模型，这是一种用无数三角面片逼近三维曲面的实体模型，造成曲面的近似误差；加上光固化打印时光敏树脂固化时会有细微收缩，因此在设计自动投食器主体部件时，需配合用的凹槽卡槽位留有0.5~1.5mm的余量。

图3 用三角面片近似曲面

（1）底座的设计建模：底座的主要功能是配合转轮装载与投卸饲料，需装3~7天饲料量；其次是固定相关电控部件；还有投食器组装后与养殖箱或鱼缸的固定。因此款投食器为转盘式投泄，所以底座装载饲料的内腔设计为圆柱形，直径为102mm，高为20mm；中间留有φ7mm的电机通孔装配转盘；底座顶部位置设计扇形投卸饲料孔位，扇形顶圆半径为φ100mm，宽为17.5mm，圆心夹角为40°；底部设置43*43mm的槽位装配步进电机，并延长作φ6mm通孔，配合插销固定步进电机；旁边设置宽18mm的卡槽用于与养殖箱的固定；整体壁厚设置为2.5~3mm，细节处倒角更美观。尺寸如图4所示。

图4 底盘主要尺寸图

（2）转轮的设计建模：转轮的主要功能是配合电机完成设定角度的转动，完成既定量饲料的投卸。自动投食器的设计装料量为3~7天，因此转轮片设计为8片，轮片与轮片之间夹角设置为45°；转轮最大直径设置为100mm，高为17mm；于直径62mm处设置壁厚为2.5mm的圆环用作饲料分割；与转轮中心处设置φ5.5mm的通孔，用于装配步进电机；细节处倒角使其更美观，打印成品无倒刺不扎手便于安装。尺寸如图5所示。

图5 转轮主要尺寸图

（3）盖板的设计建模：盖板主要功能是盖于底座上封装饲料，防止杂质落入；盖板打印制作时选择透明光敏树脂，便于观察投食器工作情况与观察剩余饲料量。盖板直径设置为113mm，整体厚度设置为2.5mm；盖板边设置高7.5mm宽2.5mm右边开口72mm的边沿，边沿内设置宽3.5mm的卡槽。盖板与底座配合使用，上述细节尺寸均为与底座合理配合后所得尺寸。尺寸图如图6所示。

图6 盖板主要尺寸图