基于滑移率反馈的FDM快速成型机压紧装置及控制方法与流程
本发明属于fdm快速成型机领域，涉及一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置及控制方法。
背景技术：
fdm(fuseddepositionmodeling)快速成型方式是一种常用的快速成型方式，该方式具有硬件成本较小、耗材成本低廉和对耗材要求较低等优点，挤出装置是fdm打印机最为核心的部件，其结构、控制原理、制造工艺与加工精度将直接影响到打印的效果。
常见的fdm快速成型机挤出装置通常使用步进电机直接驱动主动滚辊，从而卷入丝状耗材并将其挤入热熔喷头，同时，挤出装置中主动滚辊与压紧滚辊的中心距为固定值，无法进行调整，因此通常情况下fdm快速成型机挤出装置只能使用规定线径的丝状耗材，且对耗材的要求，特别是线径的要求较高，例如若耗材的线径过大，容易造成主动滚辊的运动阻力增加，从而导致电机阻力加大，甚至造成卡死滚辊或者步进电机失步等现象，耗材的线径过小，容易导致主动滚辊无法咬住丝状耗材造成送丝打滑。
针对以上问题，国内研究设计人员也进行了大量的针对性工作，如申请号为201420261626.3的专利所述的熔融沉积型3d打印机送料装置，涉及一种可调节送丝轮间距的设计，该设计能够手动对送丝轮间隙进行调节从而使打印机适用于具有不同线径的耗材，并可以手动调节送丝轮挤压丝状耗材的摩擦力，但是该方式不具备对送丝轮间隙进行自动调整的能力，且丝状耗材在送料过程中存在一定的线径误差，调节过程中也可能会存在较大的人为误差，其无法对送丝轮的间隙进行较为可靠与连续性的调整，因此也就无法对送丝过程中的压紧力连续可靠地进行调整。
申请号为201610313681.6的专利所述的是一种新型fdm打印机出料控制系统，该系统通过在主动与从动挤出齿轮中安装连杆、弹簧与拉压传感器对丝状耗材的直径进行测定，并配合一定的算法将丝状耗材的直径反馈至快速成型机控制单元，使快速成型机控制单元能够根据耗材直径自动调节挤出速度，但是该发明仅能对丝状耗材直径进行测定，而无法对送丝过程中的滑移率等其他重要物理量进行判定，并且该发明缺少较为可靠的反馈控制机制，无法自动调整送丝过程的压紧力。
因此，研究一种能够持续自动的调整丝状耗材送丝过程中的压紧力的fdm快速成型机压紧装置及控制方法具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述现有技术无法持续自动的调整耗材送丝过程中的压紧力的问题，提供一种能够持续自动的调整耗材送丝过程中的压紧力的基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置及控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置，主要由机械装置与控制系统组成；
所述机械装置包括送丝导孔、热熔喷头导管、热熔喷头模块、挤出装置底板、驱动电机、传动齿轮箱、主动滚辊、压紧伺服电机、压紧凸轮、压紧臂和压紧滚辊；
所述挤出装置底板上固定有传动齿轮箱，所述驱动电机、传动齿轮箱和主动滚辊顺序连接；所述压紧伺服电机固定于挤出装置底板上，压紧伺服电机头端上安装有压紧凸轮，压紧凸轮与压紧臂肘端接触，压紧臂和挤出装置底板活动连接，压紧臂头端安装有压紧滚辊；工作时，丝状耗材通过送丝导孔进入主要由主动滚辊与压紧滚辊形成的挤压工作容腔内，然后通过压紧或松开压紧臂调节了主动滚辊与压紧滚辊之间的间隙从而调整了丝状耗材间的压紧力；
所述控制系统主要由成型机控制单元、驱动电机编码器、压紧滚辊编码器、压紧伺服电机编码器和压紧伺服电机控制器组成；
所述驱动电机的尾端安装有驱动电机编码器，压紧滚辊上固定有压紧滚辊编码器；压紧伺服电机内安装有压紧伺服电机编码器，压紧伺服电机控制器与压紧伺服电机编码器和压紧伺服电机连接，从而通过压紧伺服电机编码器采集压紧伺服电机的转角信号并将其传递给压紧伺服电机控制器从而完成对压紧伺服电机的转角闭环反馈控制；
控制系统的联接方式如下：成型机控制单元由信号采集与信号下行两部分组成；其中，信号采集部分分别与驱动电机编码器和压紧滚辊编码器联接并实时采集其输出信号，从而用以计算得到滑移率；信号下行部分与压紧伺服电机控制器联接，并对其完成指令传输控制，从而实时控制压紧臂的位置与压紧力；
驱动电机编码器和压紧滚辊编码器分别采集主动滚辊和压紧滚辊的转速计算得到两者的实际滑移率并将其反馈至滑移率负反馈环节构成滑移率闭环反馈控制。
工作时丝状耗材的送丝过程如下：
丝状耗材通过送丝导孔进入主要由主动滚辊与压紧滚辊形成的挤压工作容腔内，驱动电机根据成型机控制单元的指令按一定的转速旋转，通过传动齿轮箱将动力分别传递至两套主动滚辊上，使两套滚辊同向同转速旋转带动丝状耗材使其通过热熔喷头导管进入热熔喷头模块内，从而完成丝状耗材的送丝工作。丝状耗材在送丝过程中会产生压紧力，主要是由于：材料具有弹性，如果主动滚辊与压紧滚辊间的压紧间隙减小了，材料发生了形变，自然会由形变产生弹力，其反作用力即为压紧力。本发明通过实时控制压紧臂的位置，自动调节了压紧滚辊与主动滚辊之间的间隙，从而达到了持续自动地调节丝状耗材送丝过程中的压紧力的目的。本发明对滑移率可连续进行监控与调整，可自适应不同直径的耗材，当同一卷耗材由于质量问题导致直径粗细变化时，系统也可自动适应。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置，所述压紧伺服电机头端还安装有伺服电机减速器，所述伺服电机减速器为具有大减速比的谐波式减速器或行星齿轮减速器，具有较高的反向传动自锁能力，从而保证压紧凸轮在完成调节后不会因为压紧臂的反作用力而发生松动等压紧失效现象。
如上所述的一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置，所述压紧臂与挤出装置底板活动连接是指压紧臂与挤出装置底板通过销轴铰接；所述销轴铰接的铰接处安装有压紧弹簧，使压紧臂能够紧贴主动滚辊。
如上所述的一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置，所述驱动电机、传动齿轮箱和主动滚辊顺序连接是指所述传动齿轮箱的输入轴与驱动电机的输出轴连接，传动齿轮箱的两根输出轴同轴联接两套主动滚辊；所述主动滚辊有两套，呈上下垂直布置。
如上所述的一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置，传动齿轮箱采用三轴两级式布局，两套主动滚辊的旋转方向与转速相同。
如上所述的一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置，所述主动滚辊或压紧滚辊的外表面为齿面或光滑摩擦面。所述主动滚辊或压紧滚辊的外表面进一步优选为光滑摩擦面，这样子可以避免由于齿面(现有市面上的打印机较多采用齿形轮滚辊)挤压丝状耗材导致的丝状耗材塑性变形引起的送丝故障，而光滑面可以加大受力面积在保持足够压紧力的情况下使材料表面所受压强较小，仅发生弹性形变，有利于成型的控制精度与送丝时的送丝精度。
本发明还提供了如上所述的一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置的控制方法，具体步骤如下：
(1)成型机控制单元根据丝状耗材的线径和材质查找预设列表得到与之匹配的丝状耗材理想滑移率，通过滑移率负反馈环节与pid环节计算出压紧臂压紧力，然后将压紧臂压紧力传递至压紧伺服电机控制器，预设列表为fdm快速成型机出厂前的设置，线径影响单位时间丝状耗材的送丝速率与送丝质量，材质影响丝状耗材的送丝理想滑移率数值；
所述pid环节是指比例、微分和积分环节；
所述滑移率负反馈环节是指负反馈闭环环节；
(2)压紧伺服电机控制器根据得到的压紧力控制压紧伺服电动机带动压紧凸轮压紧或松开压紧臂从而起到调节压紧力的作用，同时压紧伺服电机编码器测定压紧伺服电机转角并将其反馈至压紧伺服电机控制器，实现压紧伺服电机的转角闭环控制；
(3)驱动电机编码器与压紧滚辊编码器分别测定主动滚辊与压紧滚辊的转速计算得出实际滑移率，并将该滑移率数值传递至丝状耗材理想滑移率负反馈环节构成滑移率闭环反馈控制；
其中，实际滑移率＝压紧滚辊转速/主动滚辊转速。
作为优选的技术方案：
如上所述的控制方法，步骤(2)中，压紧伺服电机控制器根据得到的压紧力控制压紧伺服电动机驱动伺服电机减速器旋转，其扭矩放大后带动压紧凸轮压紧或松开压紧臂从而起到调节压紧力的作用。
如上所述的控制方法，在驱动电机编码器或压紧滚辊编码器出现故障而无法对丝状耗材的滑移率进行计算时，通过直接测定丝状耗材理想压紧力对冗余定压紧力进行控制；具体流程为：
(1)快速成型机控制系统根据丝状耗材的线径和材质查找预设列表得到与之匹配的丝状耗材理想压紧力，并将其转换为扭矩值传至压紧伺服电机控制器；
所述丝状耗材理想压紧力转换为扭矩值的转换公式如下所示：
式中，t电机为压紧伺服电机扭矩值，f压紧为丝状耗材理想压紧力，η传动表示传动系统效率(通过实验测定)，i传动表示伺服电机减速器减速比，
(2)压紧伺服电机控制器根据计算得到的扭矩值通过扭矩控制模式驱动伺服电机减速器旋转，其扭矩放大后带动压紧凸轮压紧或松开压紧臂，从而完成冗余定压紧力开环控制流程。
本发明压紧装置判断报警的逻辑过程如下：
1)系统进行工作时，信号采集部分采集驱动电机编码器输出信号，判断驱动电机编码器信号是否为零(数字信号类编码器)、长高电平或者低电平信号(模拟信号类编码器)，是则进入步骤2)，否则进入步骤3)；
2)驱动电机编码器出现故障，系统进行报警并进入冗余定压紧力开环控制环节；
3)信号采集部分采集压紧滚辊编码器输出信号，判断压紧滚辊编码器信号是否为零、长高电平或者低电平信号，是则进入步骤4)，否则进入步骤5)；
4)压紧滚辊编码器发生故障，系统进行报警并进入冗余定压紧力开环控制控制环节；
5)系统一切正常。
有益效果：
(1)本发明的一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置的控制方法，可根据送丝滑移率自动调节主动滚辊与压紧滚辊之间的间隙与压紧力，从而使送丝过程能够较好地匹配不同线径与材质的丝状耗材，避免了由于压紧力过大造成主动滚辊卡死或压紧力过小造成送丝滑移率过大等问题；
(2)本发明的一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置的控制方法，通过对主动滚辊和压紧滚辊的瞬态转速进行监测计算得到送丝滑移率，并将滑移率传递至滑移率负反馈环节构成滑移率闭环反馈控制，从而实现了压紧臂的位置与压紧力的持续自动地调节；
(3)本发明的一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置，能够持续自动地调整丝状耗材送丝过程中的压紧力且加工精度高，适用范围广，有极好的推广价值。
附图说明
图1为本发明的基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置的主视示意图；
图2为本发明的基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置的右视示意图；
图3为本发明的基于滑移率反馈的fdm快速成型机的控制系统的硬件构成图；
图4为本发明的丝状耗材压紧力控制流程图；
图5为本发明的冗余定压紧力开环控制方法的工作流程图；
图6为本发明的压紧装置的故障判断逻辑图；
其中，1为驱动电机编码器，2为驱动电机，3为传动齿轮箱，4为压紧滚辊编码器，5为主动滚辊，6为送丝导孔，7为压紧臂，8为模组，9为压紧凸轮，10为热熔喷头导管，11为挤出装置底板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置，主要由机械装置与控制系统组成；
如图1和图2所示，机械装置包括送丝导孔6、热熔喷头导管10、热熔喷头模块、挤出装置底板11、驱动电机2、传动齿轮箱3、主动滚辊5、压紧伺服电机、压紧凸轮9、压紧臂7和压紧滚辊；
挤出装置底板上固定有传动齿轮箱，传动齿轮箱的输入轴与驱动电机的输出轴连接，传动齿轮箱的两根输出轴同轴联接两套主动滚辊，其中，主动滚辊有两套，呈上下垂直布置，传动齿轮箱采用三轴两级式布局，两套主动滚辊的旋转方向与转速相同，主动滚辊的外表面为光滑摩擦面；压紧伺服电机固定于挤出装置底板上，压紧伺服电机头端上安装有压紧凸轮和伺服电机减速器，伺服电机减速器为谐波式减速器，压紧伺服电机和伺服电机减速器安装于模组8中，压紧凸轮与压紧臂肘端接触，压紧臂与挤出装置底板通过销轴铰接，且销轴铰接的铰接处安装有压紧弹簧，使压紧臂能够紧贴主动滚辊，压紧臂头端安装有压紧滚辊，压紧滚辊的外表面为光滑摩擦面；工作时，丝状耗材通过送丝导孔进入主要由主动滚辊与压紧滚辊形成的挤压工作容腔内，通过压紧或松开压紧臂调节了主动滚辊与压紧滚辊之间的间隙从而调整了丝状耗材间的压紧力；
控制系统主要由成型机控制单元、驱动电机编码器1、压紧滚辊编码器4、压紧伺服电机编码器和压紧伺服电机控制器组成；
驱动电机的尾端安装有驱动电机编码器，压紧滚辊上固定有压紧滚辊编码器；压紧伺服电机内安装有压紧伺服电机编码器，压紧伺服电机控制器与压紧伺服电机编码器和压紧伺服电机连接，从而通过压紧伺服电机编码器采集压紧伺服电机的转角信号并将其传递给压紧伺服电机控制器从而完成对压紧伺服电机的转角闭环反馈控制；
控制系统的联接方式如图3所示：成型机控制单元由信号采集与信号下行两部分组成；其中，信号采集部分分别与驱动电机编码器和压紧滚辊编码器联接并实时采集其输出信号，从而用以计算得到滑移率；信号下行部分与压紧伺服电机控制器联接，并对其完成指令传输控制，从而实时控制压紧臂的位置与压紧力；
驱动电机编码器和压紧滚辊编码器分别采集主动滚辊和压紧滚辊的转速计算得到两者的实际滑移率并将其反馈至滑移率负反馈环节构成滑移率闭环反馈控制；
利用该压紧装置的控制方法，如图4所示，具体如下：
(1)成型机控制单元根据丝状耗材的线径和材质查找预设列表得到与之匹配的丝状耗材理想滑移率，通过滑移率负反馈环节与pid环节计算出压紧臂压紧力，然后将压紧臂压紧力传递至压紧伺服电机控制器；
所述pid环节是指比例、微分和积分环节；
所述滑移率负反馈环节是指负反馈闭环环节；
(2)压紧伺服电机控制器根据得到的压紧力控制压紧伺服电动机驱动伺服电机减速器旋转，其扭矩放大后带动压紧凸轮压紧或松开压紧臂从而起到调节压紧力的作用，同时压紧伺服电机编码器测定压紧伺服电机转角并将其反馈至压紧伺服电机控制器，实现压紧伺服电机的转角闭环控制；
(3)驱动电机编码器与压紧滚辊编码器分别测定主动滚辊与压紧滚辊的转速计算得出实际滑移率，并将该滑移率数值传递至丝状耗材理想滑移率负反馈环节构成滑移率闭环反馈控制；
其中，实际滑移率＝压紧滚辊转速/主动滚辊转速。
实施例2
一种基于滑移率反馈的fdm快速成型机压紧装置，其结构与实施例1基本相同，不同之处在于，主动滚辊的外表面为齿面，压紧滚辊的外表面为齿面，伺服电机减速器为行星齿轮减速器；
当驱动电机编码器或压紧滚辊编码器出现故障而无法对丝状耗材的滑移率进行计算时，压紧装置直接进入冗余定压紧力开环控制流程，如图5所示，具体为：
(1)快速成型机控制系统根据丝状耗材的线径和材质查找预设列表得到与之匹配的丝状耗材理想压紧力，并将其转换为扭矩值传至压紧伺服电机控制器；
所述丝状耗材理想压紧力转换为扭矩值的转换公式如下所示：
式中，t电机为压紧伺服电机扭矩值，f压紧为丝状耗材理想压紧力，η传动表示传动系统效率，i传动表示伺服电机减速器减速比，
(2)压紧伺服电机控制器根据计算得到的扭矩值通过扭矩控制模式驱动伺服电机减速器旋转，其扭矩放大后带动压紧凸轮压紧或松开压紧臂，从而完成冗余定压紧力开环控制流程；
其中，压紧装置判断报警的逻辑过程如图6所示，具体如下：
1)系统进行工作时，信号采集部分采集驱动电机编码器输出信号，判断驱动电机编码器信号是否为零(数字信号类编码器)、长高电平或者低电平信号(模拟信号类编码器)，是则进入步骤2)，否则进入步骤3)；
2)驱动电机编码器出现故障，系统进行报警并进入冗余定压紧力开环控制环节；
3)信号采集部分采集压紧滚辊编码器输出信号，判断压紧滚辊编码器信号是否为零、长高电平或者低电平信号，是则进入步骤4)，否则进入步骤5)；
4)压紧滚辊编码器发生故障，系统进行报警并进入冗余定压紧力开环控制控制环节；
5)系统一切正常。
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