林志偉， 商 策， 吳森洋

(1.浙江大學(xué) 機械工程學(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80年代后期發(fā)展起來的集計算機、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)計不受傳統(tǒng)制造工藝的限制，可以實現(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：噴頭在計算機控制下，沿模型CAD信息確定的二維路徑運動，同時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，冷卻凝固形成實體[10]。FDM三維打印機具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、操作方便、維護成本低等特點，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三維打印開放實驗室，用于學(xué)生實踐及創(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，當材料加熱融化后質(zhì)地不均勻、黏稠度方面達不到合格要求時, 就容易導(dǎo)致打印機噴頭堵塞[16]。一旦堵塞，如果不能及時停止打印，則可能導(dǎo)致打印機數(shù)小時的工作付諸一炬。

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。如果打印機具備送絲異常自檢測功能，那么在發(fā)生異常時，打印機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)文獻報道。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構(gòu)前端，通過采集打印過程中絲材運動信號，結(jié)合開發(fā)的相應(yīng)算法，分析、識別送絲異常信號，配合上位機程序，實現(xiàn)送絲異常發(fā)生時自動停止打印功能。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，送絲機構(gòu)會源源不斷地向打印機噴頭輸送絲材；另一方面，在一些打印關(guān)鍵點，送絲機構(gòu)又會對絲材進行回抽。無論是送絲還是回抽，絲材本身都在運動，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，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，只要每時每刻對絲材線速度進行采集，并分析絲材運動時的信號特性，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，絲材在送絲機構(gòu)的拖拽下沿輪軸切向運動，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)計與制造

考慮到本文研制的送絲異常檢測裝置僅用于本實驗室FDM三維打印機，裝置數(shù)量少，個性化程度高，對零件加工及裝配精度要求不高，因此，除輪軸和相關(guān)標準件外，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，擬采購的標準件包括小型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加工成形，但成形工藝相對簡單，僅需車削和鉆孔，制作時間和成本較低。最終設(shè)計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)計打印件模型時可以充分利用三維打印的靈活性，比如在螺栓連接時為螺母設(shè)計六邊沉孔以便裝配，為彈簧、軸承設(shè)計固定孔，在打印件與打印件的接觸面的邊上設(shè)計圓角，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。

確認設(shè)計無誤后，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，得到打印零件實物如圖4(a)所示。

在得到打印件后，便可對所有零件進行裝配。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行擴孔形成倒角后加力檸入。完成各個零件裝配后，得到檢測裝置裝配體實物如圖4(b)所示。

(a) 打印零件實物

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，需要進行電路連接以及引腳定義。本文使用的打印機主控板為MKS Gen V1.3，如圖5所示，上面運行開源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，而且打印機僅僅使用了主控板上6個接近開關(guān)接口中的4個，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)的當前電位狀態(tài)。考慮到只有在進料時才有必要對絲材運動狀態(tài)進行檢測，因此在改寫固件程序時，選擇只當主控板向送絲步進電機發(fā)送脈沖信號時讀取光電開關(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步進脈沖，而且期間還可能存在擠出機回抽換向的情況，為了減小主控板單片機的處理負擔，每當單片機發(fā)送脈沖數(shù)累計達到±10時讀取一次光電開關(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)計有效的算法對送絲異常進行識別。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打滑)；② 檢測到電位變化，但該變化出現(xiàn)的時間不正常(如噴頭堵塞后導(dǎo)致絲材回退、電動機反轉(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)生變化時的擠出電動機的運轉(zhuǎn)方向，可以將電位發(fā)生變化的狀況分為四種類型：① 電動機正轉(zhuǎn)時發(fā)生電位變化，上次電位變化時電動機也為正轉(zhuǎn)(正常擠出)；② 電動機正轉(zhuǎn)時發(fā)生電位變化，上次電位變化時電動機為反轉(zhuǎn)(回抽后擠出)；③ 電動機反轉(zhuǎn)時發(fā)生電位變化，上次電位變化時電動機為正轉(zhuǎn)(回抽)；④ 電動機反轉(zhuǎn)時發(fā)生電位變化，上次電位變化時電動機也為反轉(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)過了一個柵格，因此理論脈沖累積量應(yīng)為編碼盤轉(zhuǎn)動一個柵格所對應(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)過了一個柵格-n，因此理論脈沖累積量應(yīng)為編碼盤轉(zhuǎn)動一個柵格所對應(yīng)的脈沖數(shù)量的負值。對于類型②和③，兩次電位變化是在編碼盤的同一個邊沿觸發(fā)，因此理論的脈沖變化量為0，但由于擠出電機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)過一齒時步進電動機所運動的步數(shù)；n值可由編碼盤齒數(shù)N、輪軸直徑R，擠出輪直徑r以及步進電動機每圈脈沖數(shù)M計算，

而δ值由于涉及因素較為復(fù)雜，無法直接通過計算確定，需要通過實驗進行估計。

圖6 4種類型電位變化的預(yù)期脈沖累積量

實際工況下，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錯，需要為送絲異常檢測算法設(shè)定一個允差，當脈沖累積量在允許范圍之內(nèi)時，均認為是正常狀態(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)，而每當光電開關(guān)發(fā)生電位變化時，固件根據(jù)電位變化的類型，判斷實際脈沖累積量和期望值的差值是否在允差之內(nèi)。當脈沖累積量超過容許最大值或是電位變化時的脈沖累積量不在正常區(qū)間內(nèi)時，即可認為送絲過程出現(xiàn)異常。

4 檢測裝置測試實驗

為驗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打印機送絲機構(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控制軟件連接，接收上位機指令。本文采用自主開發(fā)的Joy上位機軟件，該軟件包含模型處理、切片、本地打印控制、遠程打印等功能。為實現(xiàn)送絲異常接受和響應(yīng)功能，對Joy軟件進行了相應(yīng)修改。當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，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行了測試，絲材用完的情況等價于斷絲。在實際打印過程中，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層層高以及打印機零點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三維打印機的送絲異常檢測裝置，實時采集打印過程中的絲材運動信號；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)合上位機程序，實現(xiàn)送絲異常發(fā)生時自動停止打印，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械制造或機電系統(tǒng)探究性實驗項目。