一种用于3D打印的智能防卡料料盘的制作方法

本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种用于3d打印的智能防卡料料盘。

背景技术：

当前市面上的fdm3d打印机，由于厂家品控瑕疵、用户操作不当等问题，易导致打印过程中出现卡料问题，线材打结，在日常的3d打印工作中，不可能24小时人为监管，卡料现象可能使得十几甚至数十个小时的打印工作功亏一篑，轻则浪费耗材，重则延误计划工期。经过总结经验与研讨，料盘卡料问题的主要原因有：1、厂家品控问题，出厂时即有缠丝问题存在；2、用户操作不当，线材在闲置时松散开来，线材缠绕错乱，再次使用时重新卷紧，即有可能导致线材卡死。因此，为了解决由于卡料、打印失败而导致的耗材、时间、电力、机器磨损白白浪费的问题，需要对打印机料盘进行改进，避免耗材、时间等的浪费，改进打印体验。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种用于3d打印的智能防卡料料盘。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于3d打印的智能防卡料料盘，包括控制模块和料盘支架，所述料盘支架上设置有单向挤出机构、耗材驱动机构和激光测距装置；所述单向挤出机构包括出料盒、棘轮、送料机构和码盘计数器，所述送料机构通过水平设置的弹簧设置在出料盒上，所述棘轮通过转轴转动设置在出料盒上，所述送料机构与棘轮之间留有用于使料丝通过的间隙，所述棘轮外侧设置有棘爪，所述码盘计数器设置在棘轮上方，用于测量棘轮转速；所述耗材驱动机构包括驱动电机、连接轴和中轴，所述中轴通过连接轴与驱动电机的输出轴连接，耗材固定设置在所述中轴外周，所述驱动电机用于驱动所述中轴转动，进而带动耗材转动；所述激光测距装置用于测量耗材半径；所述控制模块用于根据码盘计数器的测量值得到打印机的抽拉速度，并根据打印机的抽拉速度和料盘半径，控制所述驱动电机的转速。

所述料盘支架上还设置有陀螺仪、称重装置和显示屏，所述陀螺仪用于实时测量料盘支架的姿态信息；所述称重装置安装在料盘支架的四个角上，用于测量料盘支架的重量信息；所述控制模块用于根据料盘支架的姿态信息和实时重量信息，计算出实时的装置重量信息以及料丝重量信息，并显示在显示屏上。

所述码盘计数器包括码盘和计数传感器，所述码盘与所述棘轮同轴转动，其上沿圆周方向均匀设置有多个通光孔，所述计数传感器包括分别设置在码盘上、下方的激光发射器和激光接收器。

所述连接轴外周对称设置有个沿径向延伸的插孔，所述中轴包括耗材固定部、分别固定设置在耗材固定部两端的第一连接部和第二连接部、对称设置在所述耗材固定部外周上的个卡爪、以及手动转盘，耗材固定部两端面均设置有螺旋槽，所述卡爪两端设置分别设置有与所述耗材固定部两端面的螺旋槽配合的卡齿，所述卡爪的一端还设置有与所述插孔配合的插销；所述耗材固定部的一端通过第一连接部与所述连接轴固定连接，所述耗材固定部的另一端通过第二连接部与设置在料盘支架外侧的手动转盘固定连接。

所述料盘支架包括两个平行设置的侧板以及连接在两个侧板之间的连接杆，所述两个侧板上均设置有弧形凹槽，其中一个凹槽用于放置连接轴，另一个凹槽用于放置第二连接部。

所述控制模块还用于在称重装置测量得到的料丝重量信息达到临界值时，发出警报信号并通过保险装置给打印机断电；以及用于在码盘计数器测量得到的转速信号发生异常时，发出警报信号并通过保险装置给打印机断电。

本发明还提供了一种用于3d打印的防卡料方法，包括以下步骤：

s1、实时测量打印机的抽拉速度v和耗材半径r；

s2、将耗材固定在转轴上，通过驱动电机驱动转轴转动，进而带动耗材转动；

s3、控制驱动电机的转速，使耗材转动速度与打印机的抽拉速度匹配。

所述步骤s3中，耗材的转动速度w=v/r。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提出了一种用于3d打印的智能防卡料料盘，打破了原有的从安装料盘到打印完成都需要人去监管的模式，通过在料盘前端上方中央处添加单向挤出结构6，可减缓由于线材缠绕位置不同、输出方向不同而可能导致的缠丝卡料问题；其次，单向棘轮可避免线材回抽，限制线材松紧程度。再者，单向挤出结构6上设置有码盘计数器，可以检测线材运动速度，反馈给控制模块，并且在打印过程中实时监测耗材挤出速度，若出现异常反馈给控制模块。此外，中轴处采用类似车床上三爪卡盘的结构，以达到灵活调整中轴直径，为确保耗材平稳地跟随中轴电机转动，并适应市面上不同内径的耗材，带动耗材同步转动的目的。同时，考虑到日常工作中料盘的搬动、移动等各种场景，为保证线材处于合适的松紧程度，并引导线材处于合理的输出方位，在打印机运作时，一开始激光测距装置测定的料盘初始半径推算出合理的中轴驱动电机9转动速度，通过中轴驱动电机转动耗材，使得耗材转动速度能等于打印机的抽拉速度，从而使耗材出料速度与挤出机的挤出线速度相同，从而使耗材始终处于松散状态，为卡料提供挽回空间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种的用于3d打印的智能防卡料料盘的结构示意图；

图2为本发明实施例中单向挤出机构的结构示意图；

图3为本发明实施例中耗材驱动机构的结构示意图；

图4为本发明实施例中耗材驱动机构的爆炸示意图；

图5为本发明实施例中送料机构的结构示意图；

图6为本发明实施例中电路模块的连接示意图；

图7为耗材固定部两端面均设置的螺旋槽的示意图。

图中：1为料盘支架，2为单向挤出机构，3为耗材驱动机构，4为激光测距装置，5为出料盒，6为棘轮，7为送料机构，8为码盘计数器，9为驱动电机，10为连接轴，11为中轴，12为陀螺仪，13为称重装置，14为码盘，15为计数传感器，16为插孔，17为耗材固定部，18为卡爪，19为手动转盘，20为卡齿，21为插销，22为侧板，23为连接杆，24为料丝进出孔，25为料丝，26为u形槽，27为轴承，28为扳手，29为挡板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于3d打印的智能防卡料料盘，包括控制模块和料盘支架1，所述料盘支架1上设置有单向挤出机构2、耗材驱动机构3和激光测距装置4。

如图2所示，所述单向挤出机构2包括出料盒5、棘轮6、送料机构7和码盘计数器8，所述送料机构7通过水平设置的弹簧设置在出料盒5上，所述棘轮6通过转轴转动设置在出料盒5上，所述送料机构7与棘轮6之间留有用于使料丝通过的间隙，所述棘轮6外侧设置有棘爪，所述码盘计数器8设置在棘轮6上方，用于测量棘轮转速；具体地，所述码盘计数器包括码盘14和计数传感器15，所述码盘14与所述棘轮6同轴转动，其上沿圆周方向均匀设置有多个通光孔，所述计数传感器15包括分别设置在码盘14上、下方的激光发射器和激光接收器。码盘转动时，其上的通光孔可以使激光发射器发出的光被激光接收器接收，因此，激光接收器可以输出一系列脉冲信号，计数传感器通过码盘转动时的脉冲信号，可以得到码盘的转速，进而得到棘轮的转速。

具体地，如图1所示，所述耗材驱动机构3包括驱动电机9、连接轴10和中轴11，所述中轴11通过连接轴10与驱动电机9的输出轴连接，耗材固定设置在所述中轴11外周，所述驱动电机9用于驱动所述中轴11转动，进而带动耗材转动。

如图3和图4所示，所述连接轴10外周对称设置有3个沿径向延伸的插孔16，所述中轴11包括耗材固定部17、分别固定设置在耗材固定部17两端的第一连接部和第二连接部、对称设置在所述耗材固定部17外周上的3个卡爪18、以及手动转盘19，耗材固定部17两端面均设置有螺旋槽，所述卡爪18两端设置分别设置有与所述耗材固定部17两端面的螺旋槽配合的卡齿20，所述卡爪18的一端还设置有与所述插孔16配合的插销21；所述耗材固定部17的一端通过第一连接部与所述连接轴10固定连接，所述耗材固定部17的另一端通过第二连接部与设置在料盘支架1外侧的手动转盘19固定连接。

具体地，如图5所示，所述送料机构7包括水平放置的u形槽26、轴承27和扳手28，其中，u形槽26的一端通过弹簧与设置在出料盒5上的挡板29连接，轴承27设置在u形槽26的上下两板之间，打印时料丝从轴承27与棘轮28之间通过。

此外，所述控制模块用于根据码盘计数器8的测量值得到打印机的抽拉速度，并根据打印机的抽拉速度和料盘半径，控制所述驱动电机9的转速。此外，若出现突发情况如：料盘工作时料丝不足、料丝断了等情况，料盘计数器也会得到相应的非正常转速，控制模块还可以根据码盘计数器的非正常转速信号，判定故障，然后通过保险装置给打印机断电，防止安全事故的发生。

具体地，如图1所示，所述料盘支架上还设置有陀螺仪15和显示屏，其底部设置有称重装置13，激光测距装置4设置在正对中轴10的位置，激光测距装置4用于测量耗材半径；所述陀螺仪12用于实时测量料盘支架的姿态信息；所述称重装置13安装在料盘支架的四个角上，用于测量料盘支架的重量信息；所述控制模块用于根据料盘支架的姿态信息和实时重量信息，计算出实时的装置重量信息以及料丝重量信息，并显示在显示屏上，此外，控制模块还用于在称重装置13测量得到的料丝重量信息达到临界值时，通过报警模块，例如risym有源蜂鸣器模块发出警报信号，并通过保险装置给打印机断电。

如图6所示，码盘计数器、激光测距装置4、陀螺仪15、称重装置3和显示屏均与所述控制模块电连接，所述控制模块用于根据料盘支架的姿态信息和实时重量信息，计算出实时的装置重量信息以及料丝重量信息，并显示在显示屏上。其中，控制模块以stm32f103rct6单片机为主体芯片，通过称重装置检测实际料盘质量，并根据mpu6050陀螺仪15反馈的水平面偏移信息，结合pid算法和卡尔曼滤波算法，消除临时抖动的误差，得到较为准确的实时姿态信息，并与四个安放在四处的称重模块反馈的数据相结合，将四处测得的数值相加，除以姿态角测得的角度的cos值，调整计算出实际重量，显示在显示屏上，用户可与打印物品相对比，当满足时即可打印。此外，本实施例的电路还可以包括蓝牙通信模块和wifi无线模块，通信模块可以使料盘可以与打印机或者其他智能设备进行通信，以便于掌握料盘的实时状况。

进而，在运行过程中，控制模块可以通过实时监测棘轮转动速度来监测3d打印机进料情况是否正常，在出现以下两种情况时，控制模块会通过保险装置将3d打印机断电：（1）耗材发生断料的情况。（2）发生卡料的情况。

接下来分别说明这种情况的检测方法：（1）耗材发生断料时，断掉的耗材从单向挤出机构送出后就没有后续耗材通过单向挤出机构，这时棘轮不转动，码盘计数器读取不到数据。（2）耗材发生卡料时，由于卡料导致3d打印机进料阻力变大，使进料速度发生异常。因此，控制模块可以根据码盘计数器测量的异常信号，对打印机进行断电，避免打印事故的发生。

在运行时，激光检测装置通过与它相接的电机的旋转，向左、向右旋转读取两侧不同角度处距离测距装置的距离值，当左右旋转扫描的数值相同时，确定料盘的宽度范围。其中，激光检测装置的型号具体可以为vl53l0x。

具体地，如图1所示，所述料盘支架1包括两个平行设置的侧板22以及连接在两个侧板22之间的连接杆23，所述两个侧板22上均设置有弧形凹槽，其中一个凹槽用于放置连接轴10，另一个凹槽用于放置第二连接部。

此外，本发明实施例中，如图7所示，为耗材固定部17两端面设置的螺旋槽的示意图，图中阴影部分表示槽。由于螺旋槽关于中轴中心轴不是中心对称结构，因此，为了使耗材中心与中轴同轴，则需要使三个卡爪上的卡齿位置略为有差异，也就是说，三个卡爪的卡齿相对于其外侧的距离略有差异，差异大小和螺旋槽的螺距有关，一般为三分之一个螺距。

本发明中耗材的安装过程如下：向右移动中轴，使驱动电机的转轴从连接轴一端的d形孔中取出，然后将耗材从连接轴的一端套设在中轴外侧，再向左移动中轴，使动电机的转轴插入连接轴一端的d形孔中，转动手动转盘使中轴旋转，卡爪一端的插销设置在连接轴上的插孔内，因此卡爪不随着中轴转动，这时，卡爪上的卡齿相对于耗材固定部端部的螺旋槽转动，由于螺旋槽向外发散，因此卡爪相对于中轴的中心轴向外运动扩张，直至三个卡爪形成的结构卡住中轴外侧的耗材内部，则驱动电机带动中轴转动时，耗材在其带动下随着一起转动。然后拉动扳手，使送料机构压缩弹簧进而使送料机构上的轴承远离棘轮，为料丝的通过留出足够的空间，将缠绕在耗材上的料丝25通过料丝进出孔24送入单向挤出机构，这时松开送料机构，弹簧的压力可以将料丝牢牢夹在轴承与棘轮之间，然后将料丝从单向挤出机构的另一侧的料丝进出孔送出后安装在3d打印机的挤出机上面，完成安装任务。

本发明的工作过程如下：在开始打印工作前，耗材先行转动两圈，使耗材处于松散状态；当余料满足打印要求时，打开打印机开始打印，料丝带动棘轮19转动，通过单向挤出棘轮19的转动检测到打印机开始工作，并用码盘计数器9检测连接在棘轮上的码盘6转动速度，可以得到挤出机的挤出速度v，然后激光检测装置可以对耗材的半径r进行实时测量，通过公式w=v/r得出中轴驱动电机1应该转动的角速度，进而控制中轴驱动电机1以相应的角速度转动。

本发明中，用户放置耗材后，组合中轴，转动手动旋转结构2，调整中轴直径，当中轴与耗材契合时，耗材即可跟随中轴同步运动，保证线材松散，避免卡料问题。为确保耗材平稳地跟随中轴电机转动，并适应市面上不同内径的耗材，在中轴处采用类似车床上三爪卡盘的结构，以达到灵活调整中轴直径，带动耗材同步转动的目的考虑到日常工作中料盘的搬动、移动等各种场景，为保证线材处于合适的松紧程度，并引导线材处于合理的输出方位，在料盘前端上方中央处添加单向挤出结构6。首先，单向挤出结构6可减缓由于线材缠绕位置不同、输出方向不同而可能导致的缠丝卡料问题；其次，单向棘轮可避免线材回抽，限制线材松紧程度。再者，单向挤出结构6上设置有码盘计数器，可以检测线材运动速度，反馈给控制模块，并且在打印过程中实时监测耗材挤出速度，若出现异常反馈给控制模块。在打印机运作时，一开始激光测距装置测定的料盘初始半径推算出合理的中轴驱动电机9转动速度，通过中轴驱动电机转动料盘，使得料盘转动速度能等于打印机的抽拉速度，从而使料盘出料速度与挤出机的挤出线速度相同，从而使耗材始终处于松散状态，为卡料提供挽回空间。

此外，本发明实施例还提供了一种用于3d打印的防卡料方法，包括以下步骤：

s1、实时测量打印机的抽拉速度v和耗材半径r；

s2、将耗材固定在转轴上，通过驱动电机驱动转轴转动，进而带动耗材转动；

s3、控制驱动电机的转速，使耗材转动速度与打印机的抽拉速度匹配。

所述步骤s3中，耗材的转动速度w=v/r。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。