FDM三維打印送絲異常檢測裝置研制

林志偉， 商 策， 吳森洋

(1.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310027； 2.浙江大學(xué) 工程訓(xùn)練(金工)中心，杭州 310058)

0 引 言

三維打印是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的集計(jì)算機(jī)、材料、數(shù)控、CAD/CAM等關(guān)鍵技術(shù)于一體增材制造技術(shù)。經(jīng)過多年發(fā)展，三維打印技術(shù)已在教育、藝術(shù)、機(jī)械、建筑、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用[1-4]。三維打印采用離散堆積的工藝原理，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計(jì)不受傳統(tǒng)制造工藝的限制，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形[5-6]，也為一些小批量復(fù)雜零件提供了新的制造方法。

FDM是三維打印眾多工藝形式中最為流行的一種，又叫熔融沉積[7-9]。其工作原理為：噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，沿模型CAD信息確定的二維路徑運(yùn)動，同時(shí)加熱裝置將絲狀的熱熔性材料(如ABS、PLA、尼龍等)加熱融化，送絲機(jī)構(gòu)在后端擠壓絲材，將半流體狀態(tài)的材料從噴頭擠出，冷卻凝固形成實(shí)體[10]。FDM三維打印機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、操作方便、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，尤其適合向教育培訓(xùn)行業(yè)推廣。目前國內(nèi)已有不少高校建立了FDM三維打印開放實(shí)驗(yàn)室，用于學(xué)生實(shí)踐及創(chuàng)新能力培養(yǎng)[11-15]。但是，F(xiàn)DM三維打印過程中難以避免地會出現(xiàn)熔融材料堵塞噴頭的情況。從外界條件分析，當(dāng)材料加熱融化后質(zhì)地不均勻、黏稠度方面達(dá)不到合格要求時(shí), 就容易導(dǎo)致打印機(jī)噴頭堵塞[16]。一旦堵塞，如果不能及時(shí)停止打印，則可能導(dǎo)致打印機(jī)數(shù)小時(shí)的工作付諸一炬。

此外，F(xiàn)DM三維打印過程中還可能會出現(xiàn)斷絲或絲材耗盡的情況[17]。打印過程中絲料卷在擠出機(jī)的牽引下旋轉(zhuǎn)，逐漸的釋放絲材。絲材釋放一般不會產(chǎn)生故障，但也有可能出現(xiàn)意外：① 絲材意外纏繞在其他結(jié)構(gòu)上，使絲材折斷；② 絲材在打印過程中耗盡。顯然，這兩種情況都會導(dǎo)致打印失敗，而且即便用戶在打印前已小心排查絲料余量以及纏繞情況，也無法徹底避免。FDM三維打印過程中出現(xiàn)的噴頭堵塞、斷絲或絲材耗盡等意外現(xiàn)象統(tǒng)稱為送絲異常。如果打印機(jī)具備送絲異常自檢測功能，那么在發(fā)生異常時(shí)，打印機(jī)便能自動感知并停止打印，等待人為排除故障后繼續(xù)打印。這樣不僅可以提高打印機(jī)的工作效率，也增加了大型零件的制造成功率。但目前尚無針對FDM三維打印送絲異常檢測或處理的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文研制了一種針對FDM三維打印的送絲異常自動檢測裝置，該裝置安裝于送絲機(jī)構(gòu)前端，通過采集打印過程中絲材運(yùn)動信號，結(jié)合開發(fā)的相應(yīng)算法，分析、識別送絲異常信號，配合上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)送絲異常發(fā)生時(shí)自動停止打印功能。該裝置結(jié)構(gòu)及原理簡單，可靠性高，核心零部件采用三維打印方式制造，成本低，易于推廣。

1 送絲異常檢測原理

在正常FDM三維打印過程中，一方面，送絲機(jī)構(gòu)會源源不斷地向打印機(jī)噴頭輸送絲材；另一方面，在一些打印關(guān)鍵點(diǎn)，送絲機(jī)構(gòu)又會對絲材進(jìn)行回抽。無論是送絲還是回抽，絲材本身都在運(yùn)動，即絲材沿自身軸向具有一定的線速度。而在發(fā)生送絲異常時(shí)，如噴頭堵塞、斷絲甚至絲材用完等情況下，絲材沿軸向線速度降為零。因此，只要每時(shí)每刻對絲材線速度進(jìn)行采集，并分析絲材運(yùn)動時(shí)的信號特性，理論上就能對打印過程中的送絲異常檢測。

為此，本文擬在送絲機(jī)構(gòu)前端串聯(lián)安裝一絲材線速度檢測裝置，用于檢測打印過程中絲材運(yùn)動特性。該裝置基本結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。其中,輪軸通過軸承支撐，位置固定，一端安裝編碼盤；壓輪實(shí)際上為一U型槽軸承，通過桿件安裝在鉸鏈上，桿件可繞鉸接點(diǎn)在紙面內(nèi)轉(zhuǎn)動。絲材穿過輪軸和壓輪輪緣，嵌入壓輪U型槽，壓輪由彈簧提供壓緊力，防止絲材脫軌，并提供絲材和輪軸的接觸摩擦力。

主視圖

側(cè)視圖

打印時(shí)，絲材在送絲機(jī)構(gòu)的拖拽下沿輪軸切向運(yùn)動，在壓輪壓緊力的作用下，帶動輪軸及光電編碼盤轉(zhuǎn)動。光電開關(guān)拾取編碼盤的轉(zhuǎn)動信號，間接將絲材運(yùn)動的線速度轉(zhuǎn)化為通斷交替的電信號，并將該信號傳遞給打印機(jī)主控板。主控板通過分析信號通斷特性即可判斷打印過程送絲過程是否正常。

2 檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

考慮到本文研制的送絲異常檢測裝置僅用于本實(shí)驗(yàn)室FDM三維打印機(jī)，裝置數(shù)量少，個(gè)性化程度高，對零件加工及裝配精度要求不高，因此，除輪軸和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件外，其他核心零件采用三維打印方式制造。

為搭建FDM送絲異常檢測裝置，擬采購的標(biāo)準(zhǔn)件包括小型U型槽軸承、小型深溝球軸承、彈簧、光電開關(guān)、螺絲、螺母、墊片等，如圖2所示。在送絲過程中，考慮到輪軸和絲材需要長時(shí)間直接接觸，且需承受壓輪給予的較大正壓力，容易磨損，因此輪軸選用金屬鋁材機(jī)加工成形，但成形工藝相對簡單，僅需車削和鉆孔，制作時(shí)間和成本較低。最終設(shè)計(jì)的送絲異常檢測裝置裝配體及核心打印件三維模型如圖3所示。需要說明的是，在設(shè)計(jì)打印件模型時(shí)可以充分利用三維打印的靈活性，比如在螺栓連接時(shí)為螺母設(shè)計(jì)六邊沉孔以便裝配，為彈簧、軸承設(shè)計(jì)固定孔，在打印件與打印件的接觸面的邊上設(shè)計(jì)圓角，使接觸面能更好地貼合。

U型槽軸承

光電開關(guān)

深溝球軸承

圖3 檢測裝置裝配體效果及核心打印件三維模型

為了確保其他零件都能與打印件正常裝配，避免由于打印件因誤差和變形導(dǎo)致無法裝配，打印件上孔的內(nèi)徑一般要比與之配合的零件外形尺寸大0.2 mm左右。

確認(rèn)設(shè)計(jì)無誤后，將打印件模型保存為STL格式，然后導(dǎo)入三維打印上位機(jī)軟件，并在軟件上設(shè)置合理打印參數(shù)，開始切片、打印。本文選用打印材料為白色PLA，設(shè)置噴頭溫度200 ℃，熱床溫度50 ℃。為保證打印精度，設(shè)置層高值為0.1 mm；為保證打印強(qiáng)度，設(shè)置填充率為50%；如圖3所示，由于部分結(jié)構(gòu)需要支撐，設(shè)置支撐類型為只接觸底面。打印完成后，利用起子、尖嘴鉗等工具，除去零件上的支撐材料以及邊角多余材料，得到打印零件實(shí)物如圖4(a)所示。

在得到打印件后，便可對所有零件進(jìn)行裝配。對某些由于打印精度導(dǎo)致過緊的配合位置，使用銼刀進(jìn)行調(diào)整，或直接利用虎鉗壓入。對于螺栓檸入打印件的場合，如果基孔太小無法直接檸入，可使用螺絲刀對孔口進(jìn)行擴(kuò)孔形成倒角后加力檸入。完成各個(gè)零件裝配后，得到檢測裝置裝配體實(shí)物如圖4(b)所示。

(a) 打印零件實(shí)物

3 檢測信號獲取與分析

3.1 送絲信號獲取

對如圖4所示的檢測裝置，在三維打印過程中，編碼盤隨著絲材的進(jìn)給而轉(zhuǎn)動，從而引發(fā)光電開關(guān)通斷的變化。為了檢測光電開關(guān)的信號，需要進(jìn)行電路連接以及引腳定義。本文使用的打印機(jī)主控板為MKS Gen V1.3，如圖5所示，上面運(yùn)行開源Marlin固件[18-20]，在不用于商業(yè)用途的情況下，任何人都可以使用和修改Marlin固件。

圖5 打印機(jī)主控板及接近開關(guān)接口位置

考慮到光電開關(guān)和接近開關(guān)原理相似，而且打印機(jī)僅僅使用了主控板上6個(gè)接近開關(guān)接口中的4個(gè)，因此可以將剩余的Y_MIN接近開關(guān)接口作為檢測裝置的接口，接口位置如圖5所示。將光電開關(guān)的接線端制作成與主控板接近開關(guān)相同的3Pin接口，即能方便的連接檢測裝置與打印機(jī)主控板。

為使主控板能夠正確地獲取和識別檢測裝置給出的送絲信號，需要對Marlin固件進(jìn)行修改，定義相應(yīng)引腳。Marlin固件中包含名為pins.h的頭文件，其中以宏的形式對主控板引腳功能進(jìn)行了定義。在該頭文件中找到定義Y_MIN限位開關(guān)引腳的語句，“#define Y_MIN_PIN 14”，將該語句注釋，隨后添加引腳定義語句“#define E0_ENCODER_PIN 14”，將14號引腳定義為光電開關(guān)信號引腳。

在Marlin固件中，通過調(diào)用READ(E0_ENCODER_PIN)函數(shù)可讀取光電開關(guān)的當(dāng)前電位狀態(tài)?？紤]到只有在進(jìn)料時(shí)才有必要對絲材運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行檢測，因此在改寫固件程序時(shí)，選擇只當(dāng)主控板向送絲步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖信號時(shí)讀取光電開關(guān)狀態(tài)，檢測代碼添加在Marlin固件的stepper.cpp源文件中。由于在光電開關(guān)的兩次電位變化之間可能包含了上百個(gè)步進(jìn)脈沖，而且期間還可能存在擠出機(jī)回抽換向的情況，為了減小主控板單片機(jī)的處理負(fù)擔(dān)，每當(dāng)單片機(jī)發(fā)送脈沖數(shù)累計(jì)達(dá)到±10時(shí)讀取一次光電開關(guān)狀態(tài)。

3.2 異常信號識別

在獲取光電開關(guān)的信號后，需要設(shè)計(jì)有效的算法對送絲異常進(jìn)行識別。由于光電開關(guān)的輸出信號為電位狀態(tài)，本文以電位高低變化作為送絲異常的識別依據(jù)。從固件控制程序的角度看，送絲異?？梢源笾路譃閮深悾孩?發(fā)送足量的脈沖后，依然沒有發(fā)生電位變化(如絲材用完或噴頭堵塞后擠出機(jī)打滑)；② 檢測到電位變化，但該變化出現(xiàn)的時(shí)間不正常(如噴頭堵塞后導(dǎo)致絲材回退、電動機(jī)反轉(zhuǎn)等)。

理論上，只需記錄自上一次電位變化后發(fā)送的脈沖總量，即能方便實(shí)現(xiàn)對上述第1種異常的診斷；但對于第②種異常，由于電位變化可能由進(jìn)絲導(dǎo)致，也有可能由回退導(dǎo)致，因此不能輕易判斷一次電位變化是否正常。

根據(jù)光電開關(guān)電位發(fā)生變化時(shí)的擠出電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，可以將電位發(fā)生變化的狀況分為四種類型：① 電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生電位變化，上次電位變化時(shí)電動機(jī)也為正轉(zhuǎn)(正常擠出)；② 電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生電位變化，上次電位變化時(shí)電動機(jī)為反轉(zhuǎn)(回抽后擠出)；③ 電動機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生電位變化，上次電位變化時(shí)電動機(jī)為正轉(zhuǎn)(回抽)；④ 電動機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生電位變化，上次電位變化時(shí)電動機(jī)也為反轉(zhuǎn)(長距離回抽)。

4種類型電位變化的理論脈沖累積量是不同的。對于類型①，兩次電位變化之間編碼盤正向轉(zhuǎn)過了一個(gè)柵格，因此理論脈沖累積量應(yīng)為編碼盤轉(zhuǎn)動一個(gè)柵格所對應(yīng)的脈沖數(shù)量n。對于類型④，兩次電位變化之間編碼盤反向轉(zhuǎn)過了一個(gè)柵格-n，因此理論脈沖累積量應(yīng)為編碼盤轉(zhuǎn)動一個(gè)柵格所對應(yīng)的脈沖數(shù)量的負(fù)值。對于類型②和③，兩次電位變化是在編碼盤的同一個(gè)邊沿觸發(fā)，因此理論的脈沖變化量為0，但由于擠出電機(jī)與檢測裝置之間有一定的距離，因此存在一定的反向間隙δ。以上4種類型電位變化的預(yù)期脈沖累積量如圖6所示。圖中：n為編碼盤轉(zhuǎn)過一齒時(shí)步進(jìn)電動機(jī)所運(yùn)動的步數(shù)；n值可由編碼盤齒數(shù)N、輪軸直徑R，擠出輪直徑r以及步進(jìn)電動機(jī)每圈脈沖數(shù)M計(jì)算，

而δ值由于涉及因素較為復(fù)雜，無法直接通過計(jì)算確定，需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)。

圖6 4種類型電位變化的預(yù)期脈沖累積量

實(shí)際工況下，眾多因素都可能導(dǎo)致脈沖累積量偏離預(yù)期值，如：編碼盤尺寸精度、編碼盤與輪軸的同軸度、輪軸與絲材間的輕微打滑等。為了避免不必要的報(bào)錯(cuò)，需要為送絲異常檢測算法設(shè)定一個(gè)允差，當(dāng)脈沖累積量在允許范圍之內(nèi)時(shí)，均認(rèn)為是正常狀態(tài)?？紤]到允差選擇的合理性，可以將其設(shè)置為±0.2n，如圖7所示。

圖7 4種類型電位變化的脈沖累積量容許范圍

在進(jìn)料檢測過程中，固件程序不斷檢查脈沖累積量是否超過容許最大值(±1.2n)，而每當(dāng)光電開關(guān)發(fā)生電位變化時(shí)，固件根據(jù)電位變化的類型，判斷實(shí)際脈沖累積量和期望值的差值是否在允差之內(nèi)。當(dāng)脈沖累積量超過容許最大值或是電位變化時(shí)的脈沖累積量不在正常區(qū)間內(nèi)時(shí)，即可認(rèn)為送絲過程出現(xiàn)異常。

4 檢測裝置測試實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文研制的送絲異常檢測裝置及相應(yīng)異常識別算法的有效性，將該裝置串聯(lián)安裝于FDM打印機(jī)送絲機(jī)構(gòu)前端，如圖8所示，并將修改后的Marlin固件燒錄到MKS Gen V1.3主控板中。主控板通過串口和上位機(jī)控制軟件連接，接收上位機(jī)指令。本文采用自主開發(fā)的Joy上位機(jī)軟件，該軟件包含模型處理、切片、本地打印控制、遠(yuǎn)程打印等功能。為實(shí)現(xiàn)送絲異常接受和響應(yīng)功能，對Joy軟件進(jìn)行了相應(yīng)修改。當(dāng)Joy軟件通過串口接收到主控板發(fā)送過來的“feeding exception”字符串時(shí)，立即暫停打印，并將噴頭抬高2 cm，避免打印件被高溫噴頭灼傷。待送絲異常排除后，可在Joy軟件界面點(diǎn)擊開始打印按鈕，繼續(xù)打印。

圖8 送絲異常檢測裝置測試平臺

本文對噴頭堵塞和斷絲兩種送絲異常情況進(jìn)行了測試，絲材用完的情況等價(jià)于斷絲。在實(shí)際打印過程中，發(fā)生噴頭堵塞的情況可遇不可求。本文通過降低打印件第1層層高以及打印機(jī)零點(diǎn)Z向偏置的方法來模擬噴頭堵塞，即將噴頭和工作臺(熱床)之間的間隙控制在極小范圍內(nèi)，熔融絲材無法從中擠出，造成噴頭堵塞的假象。斷絲比較容易模擬，用剪刀將檢測裝置外圍絲材剪斷即可。通過以上測試，結(jié)果表明本文

研制的檢測裝置能夠準(zhǔn)確的識別三維打印過程中出現(xiàn)的送絲異常情況，結(jié)合上位機(jī)軟件，可提高零件的打印成功率。

5 結(jié) 語

本文研制了一種針對FDM三維打印機(jī)的送絲異常檢測裝置，實(shí)時(shí)采集打印過程中的絲材運(yùn)動信號；在此基礎(chǔ)上，開發(fā)相應(yīng)的異常檢測算法，分析、識別送絲異常信號，結(jié)合上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)送絲異常發(fā)生時(shí)自動停止打印，并在人為排除異常后重新開始打印，從而大大提高打印成功率。

本文開發(fā)的送絲異常檢測裝置結(jié)構(gòu)、原理簡單，可靠性高，核心零部件采用三維打印方式自制，制作成本低、周期短，易于推廣。此外，本文基于三維打印的DIY裝置研制過程本身也可作為高校機(jī)械制造或機(jī)電系統(tǒng)探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。