具有状态监测与故障诊断的熔融沉积式3D打印机及方法与流程

本发明属于3d打印设备领域，具体涉及具有状态监测与故障诊断的熔融沉积式3d打印机及方法。

背景技术：

3d打印机是实现3d打印技术的装备统称，可实现不同材料的增材制造。在设备运行过程中，通过逐层的堆积或烧结等技术，逐渐累加材料从而得到预期的不同产品。3d打印技术不需要传统的刀具、夹具及其相关设备，与一般的切削加工不同，采取的是增材制造方法，因此极大地降低了材料浪费，且在理论上可以实现复杂形状产品加工，在曲面结构、不对称结构、中空结构等产品的加工过程中，具有明显优势。3d打印适用范围极广，可生产出各类合金、塑料、陶瓷和生物材料等，其应用前景极为广阔，在精密机械、零件加工、生物医疗、艺术创意、文化娱乐等多个领域取得了应用成果。

3d打印技术的实现，需要依托于基本的3d打印设备，当前随着计算机技术、精密机械加工技术的发展，其设备日趋成熟。常见3d打印设备工作的基本工作原理如下：首先，利用计算机软件提前制作预打印零件的三维模型；其次，逐层对三维模型进行切片分析，生成3d打印设备的工作文件，其中包含了材料的比例、速度、运动坐标等信息；最后，将工作文件加载至3d打印机中，待设备完成预热工作后，按照工作文件中的信息进行打印工作，最终获取相应的产品。

当前对3d打印的研究多集中在材料、工艺的研发中，围绕3d打印设备状态监测与故障诊断的研究较少。3d打印技术的成功实施包含了多重要素，主要有精确控制设备的加热温度，掌握材料的热变形规律，合理规划并控制喷头的运动轨迹，材料质量合格等，一旦其中某个要素控制不当，就会立即导致打印工作失败，使得整个工作归零；但是，由于3d打印过程往往耗时较长且材料成本较高，如果不能及时发现，往往给生产带来巨大时间和经济损失，这一情况在高精尖加工工况中更甚，例如医疗、航空、军工、精密制造等领域。3d打印过程中，材料的弯曲变形、填充不足或者过度填充、喷头拉丝、喷头机械故障、传动机构故障、系统电路异常等均会导致产品加工失败，因此如何及时的排查上述故障并减少损失，是当前3d打印设备发展的迫切需要。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供具有状态监测与故障诊断的熔融沉积式3d打印机及方法，该设备具有振动信号采集系统，可通过加速度信号的获取，及时地实现设备状态监测与故障诊断功能，一旦设备出现故障，将会立即停止设备打印工作，将物料和时间损失降到最低，最大限度避免损失，具有重要的工程应用价值，本发明主要用于热塑性塑料、共晶系统金属、可食用材料等材料的打印工作。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：具有状态监测与故障诊断的熔融沉积式3d打印机，包括有机架，机架的打印机底座上设有打印底座；底板前侧设有状态监测屏、操作面板和操作显示屏；机架的四个侧板上侧的两端都分别设有两个同步带轮，两个同步带轮之间设有一同步带；同步带上均设有一同步带滑块，两个相对的同步带滑块之间设有一导向轨道，两组相对的同步带滑块共组建了2个导向轨道，两个导向轨道垂直交叉，并共同穿过喷头移动滑块；在机架内部设有升降丝杠，升降丝杠与打印底座的后侧中心部位连接；喷头移动滑块底部设有打印喷头，上部设有加速度传感器安装仓；加速度传感器安装仓上设有加速度传感器；加速度传感器通过集成化线束与信号采集卡18相连；设备主板17、信号采集卡18、数据处理模块19；设备主板、信号采集卡、数据处理模块安装在打印机底座的内部；同步带轮由步进电机驱动，实现同步带运动，进而带动打印喷头运动。

所述的加速度传感器包括了三个方向的加速度传感器。

所述的加速度传感器安装仓的底部设有穿进料管和喷头线路的孔，进料管和喷头线路和加速度传感器的信号传输线捆绑到一起形成集成化线束。

所述的状态监测屏和操作显示屏为相互独立的两个显示屏，状态监测屏显示振动信号以用于监测诊断，操作显示屏用于调节参数和工作状态的显示；状态监测屏、操作显示屏、操作面板分别与设备主板连接，设备主板和信号采集卡通过数据传输线路连接，信号采集卡与集成化线束连接并接受来自加速度传感器的振动信号，将其传输给设备主板，主板上集成了数据处理模块，完成相关计算；通过操作面板实现设备操作调节，设备的控制由设备主板控制完成。

设备主板所述的加速度传感器安装仓的底部由不锈钢构成，可通过磁铁吸附3个加速度传感器，安装仓的底部有孔，进料管和喷头线路穿过孔。

利用所述的具有状态监测与故障诊断的熔融沉积式3d打印机的打印方法，包括以下步骤：

步骤1，在通电状态下，所打印材料将会在打印喷头内部加热并挤压出来，在竖直方向中逐层堆积成需要的形状，打印喷头上端有冷却风扇，以防止温度过高；驱动电机、同步带、导向轨道等共同驱动打印喷头在某个平面内做平面运动，其运动的位置和路径由设备主板驱动；操作面板实现对各个参数的调节和数据的导入工作，操作显示屏显示设备工作状态和调节参数信息；

步骤2，打印喷头上集成了三个方向的加速度传感器，包括水平面内相互垂直的两个方向和一个与水平面垂直的方向，在打印机工作过程中，加速度传感器采集打印喷头的振动信号，通过集成化线束传输到信号采集卡，通过数据处理模块对信号进行分析，识别设备工作状态是否正常，如果异常则报警停机；

步骤3，采集的信号在数据处理模块内进行滤波降噪处理，随后统计其常用统计参数，监测过程采取分段采集计算的方式进行，包括的参数有均值、标准差、最大值、最小值、极差、变异系数、偏度、峰度共8个参数；如果上述参数超出正常范围，则报警停机，否则3d打印机继续工作；需要提前在设备正常工作条件下对其进行标定，以获取8个参数的正常范围阈值。

所述的识别设备工作状态是否正常，其具体包括以下步骤：

通过集成安装在打印喷头上的三个加速度传感器采集喷头在水平和竖直方向的振动信号，计算一段时间内信号的统计特征值，依靠特征值的波动变化进行状态监测，一旦波动超出预定范围则诊断为设备出现故障，立即停止打印，避免工时和物料的浪费。

所述的状态监测，在状态监测之前，在设备正常运行状态下对其进行正常状态阈值标定，标定的方法是连续测量20至30秒钟的振动信号，计算其统计特征值并以此为判断设备正常与否的依据，称之为诊断阈值，后续工作中分段采集并计算振动信号特征值并与诊断阈值比较，如果二者差异较大则认为发生了异常或故障，反之则认为正常，分段检测的时间为10秒以上，但不应超过标定时间，分段时间越长则检测结果越准确，若任意特征值超过诊断阈值的10％或低于10％，则进行报警，如果超过20％或者低于20％，则直接停机，上述所有标定、监测、诊断的过程中，打印底座必须保持相对机架静止状态，诊断结果才有效。

本发明的有益效果为：

1)由于本发明集成了加速度传感器、加速度传感器安装仓、集成化线束、信号采集卡、数据处理模块、状态监测屏等部件，具备完整的信号采集、处理、计算、监测和存储硬件系统，无需接触其它设备或仪器即可实现监测与诊断功能；本发明除了可以实现一般熔融沉积类3d打印机的功能外，还具有自我状态监测与故障诊断功能，可以在打印设备或材料出现异常时及时报警停机，减少物料和工时的损失；

2)采取分段计算信号的方式，利用时域特征集进行诊断，计算效率高且可靠性强；

3)根据其它3d打印设备的结构对本发明进行改进即可推广应用，因为具有广泛的应用领域和实际工程价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的图1的仰视图。

图3是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

具有自我状态监测与故障诊断功能的熔融沉积式3d打印机，包括有机架1，机架1的打印机底座6上设有打印底座2；底板前侧设有状态监测屏3、操作面板4和操作显示屏5；机架1的四个侧板上侧的两端都分别设有两个同步带轮8，两个同步带轮8之间设有一同步带9；同步带9上均设有一同步带滑块10，两个相对的同步带滑块10之间设有一导向轨道11，两组相对的同步带滑块10共组建了2个导向轨道11，两个导向轨道11垂直交叉，并共同穿过喷头移动滑块15；在机架1内部设有升降丝杠7，升降丝杠7与打印底座2的后侧中心部位连接；喷头移动滑块15底部设有打印喷头16，上部设有加速度传感器安装仓14；加速度传感器安装仓14上设有加速度传感器13；加速度传感器13通过集成化线束12与信号采集卡18相连；设备主板17、信号采集卡18、数据处理模块19；设备主板17、信号采集卡18、数据处理模块19安装在打印机底座6的内部；同步带轮8由步进电机驱动，从而实现同步带运动，进而带动打印喷头运动，步进电机的位置没有明确标注，只要电机驱动同步带轮即可。

所述的加速度传感器13包括了三个方向的加速度传感器。

所述的加速度传感器安装仓14的底部设有穿进料管和喷头线路的孔，进料管和喷头线路和加速度传感器的信号传输线捆绑到一起形成集成化线束，集成化线束优化了设备空间结构，避免了线路杂乱且易于检修。

所述的状态监测屏3和操作显示屏5为相互独立的两个显示屏，状态监测屏显示振动信号以用于监测诊断，操作显示屏用于调节参数和工作状态的显示。状态监测屏3、操作显示屏5、操作面板4分别与设备主板17连接，设备主板和信号采集卡通过数据传输线路连接，信号采集卡与集成化线束12连接并接受来自加速度传感器的振动信号，将其传输给设备主板，主板上集成了数据处理模块19，完成相关计算；通过操作面板4实现设备操作调节，设备的控制由设备主板17控制完成。

所述的加速度传感器安装仓14的底部由不锈钢构成，可通过磁铁吸附3个加速度传感器，安装仓的底部有孔，进料管和喷头线路穿过孔。

利用所述的具有自我状态监测与故障诊断功能的熔融沉积式3d打印机的打印方法，包括以下步骤：

步骤1，在通电状态下，所打印材料将会在打印喷头内部加热并挤压出来，在竖直方向中逐层堆积成需要的形状，打印喷头上端有冷却风扇，以防止温度过高；驱动电机、同步带、导向轨道等共同驱动打印喷头在某个平面内做平面运动，其运动的位置和路径由设备主板驱动；操作面板实现对各个参数的调节和数据的导入工作，操作显示屏显示设备工作状态和调节参数信息；

步骤2，打印喷头上集成了3个方向的加速度传感器，在打印机工作过程中，加速度传感器采集打印喷头的振动信号，通过集成化线束传输到信号采集卡，通过数据处理模块对信号进行分析，识别设备工作状态是否正常，如果异常则报警停机；

步骤3，采集的信号在数据处理模块内进行滤波降噪处理，随后统计其常用统计参数，监测过程采取分段采集计算的方式进行，包括的参数有均值、标准差、最大值、最小值、极差、变异系数、偏度、峰度共8个参数；如果上述参数超出正常范围，则报警停机，否则3d打印机继续工作；需要提前在设备正常工作条件下对其进行标定，以获取8个参数的正常范围阈值。

所述的识别设备工作状态是否正常，其具体包括以下步骤：

通过集成安装在打印喷头上的三个加速度传感器采集喷头在水平和竖直方向的振动信号，计算一段时间内信号的统计特征值，依靠特征值的波动变化进行状态监测，一旦波动超出预定范围则诊断为设备出现故障，立即停止打印，避免工时和物料的浪费。

所述的状态监测，在状态监测之前，在设备正常运行状态下对其进行正常状态阈值标定，标定的方法是连续测量20至30秒钟的振动信号，计算其统计特征值并以此为判断设备正常与否的依据，称之为诊断阈值，后续工作中分段采集并计算振动信号特征值并与诊断阈值比较，如果二者差异较大则认为发生了异常或故障，反之则认为正常，分段检测的时间为10秒以上，但不应超过标定时间，分段时间越长则检测结果越准确，若任意特征值超过诊断阈值的10％或低于10％，则进行报警，如果超过20％或者低于20％，则直接停机，上述所有标定、监测、诊断的过程中，打印底座必须保持相对机架静止状态，诊断结果才有效。

本发明的工作原理是：

1)在通电状态下，所打印材料将会在打印喷头内部加热并挤压出来，在竖直方向中逐层堆积成需要的形状，打印喷头上端有冷却风扇，以防止温度过高；驱动电机、同步带、导向轨道等共同驱动打印喷头在某个平面内做平面运动，其运动的位置和路径由设备主板驱动；操作面板实现对各个参数的调节和数据的导入工作，操作显示屏显示设备工作状态和调节参数信息；

2)打印喷头上集成了3个方向的加速度传感器，在打印机工作过程中，加速度传感器采集打印喷头的振动信号，通过集成化线束传输到信号采集卡，通过数据处理模块对信号进行分析，识别设备工作状态是否正常，如果异常则报警停机；

3)采集的信号在数据处理模块内进行滤波降噪处理，随后统计其常用统计参数，监测过程采取分段采集计算的方式进行，包括的参数有均值、标准差、最大值、最小值、极差、变异系数、偏度、峰度共8个参数；如果上述参数超出正常范围，则报警停机，否则3d打印机继续工作；需要提前在设备正常工作条件下对其进行标定，以获取8个参数的正常范围阈值。

参照图1，在进行3d打印前，将需要打印的产品制作为三维模型，例如stl和stp格式，并将其转换为打印机文件，文件包含的信息有填充率、打印速度、喷头运动轨迹等，此文件输入打印机后，打印机就可以实现3d打印工作；机架上一共固定了3个步进电机，分别控制喷头在竖直方向和水平两个方向的运动，竖直方向的电机连接了丝杠，丝杠连接了打印底座，丝杠旋转控制打印底座升降，喷头无需上下移动；喷头下端连接了导向块，导向块将喷头与导向轨道连接在一起，导向块可以在导向轨道上进行直线运动，导向导轨两端与同步带固定在一起；

参照图1，工作时同步带的运动会带动导向轨的运动，导向轨再通过导向块带动喷头运动；集成化线束是一个集成3个管子的线路，其中较粗的管子为进料管，材料在挤出机的作用下挤压至喷头处，喷头加热材料致使其融化后被挤出至打印底座中的半成品上，实现材料的堆积；集成化线束中另外两只管路分别是加速度信号传输线和控制电路线，分别进行加速信号的传输和喷头的电路控制；工作时喷头附带的冷却风扇会降低其温度，保证其工作温度处于相对稳定的状态；

参照图1、图2、图3，加速度传感器安装仓固定在打印喷头末端，其中安装了3个加速度传感器，分别测试三个相互垂直方向的振动信号，加速度传感器安装仓底部包含一块具有磁性的磁铁，故可以吸附三个传感器；加速度传感器的信号通过集成化线束中的加速度信号传输线到达数据采集卡，随后传入数据处理模块进行分析计算，根据计算结果判断设备所属的状态是否正常，如果正常则继续工作，不正常则立即报警停机；

参照图1、图2、图3，本发明的标定和监测诊断工作均需要在打印喷头处于正在出料中时进行，加速度传感器只在喷头打印过程中采集信号，当喷头升降和不工作的时候加速度传感器不工作；在设备正常运行时，需要对其进行标定，并将标定的数值作为判定设备是否存在故障的依据，检测信号包含三个方向，因此标定的数值也有三组；标定的参数包括加速度传感器在三个方向的最大值、最小值、极差、均值、方差、变异系数、偏度和峰度，共8个统计参数，三个检测方向共计24个标定参数，它们识别不同方向振动信号是否出现异常；当设备处于正常稳定打印工作时，设定标定时间长短，该时间为20至30秒钟，加速度传感器在标定时间内采集信号，数据处理模块计算上述24个特征的诊断阈值，作为后续状态监测和故障诊断的依据；可以多次标定，将平均值作为诊断阈值；不同的工作材料和打印速度会导致振动信号出现变化，因此当改变设备耗材和速度时，需要重新标定诊断阈值；所有标定和检测过程中，喷头只存在平面内运动，打印底座必须保持静止状态；

参照图1、图2，在监测过程中，加速度传感器和数据采集卡分段采集数据，数据处理模块分段计算特征值并与诊断阈值进行比对，二者差异较大则认为发生了异常或故障，反之则认为正常，分段检测的时间为10秒以上，但不应超过标定时间，分段时间越长则检测结果越准确；检测过程中，若任意特征值超过诊断阈值的10％或低于10％，则进行报警，如果超过20％或者低于20％，则直接停机；

参照图1，状态监测屏显示即时地显示加速度传感器采集到的振动信号，以便于使用者直接观察，当设备出现明显异常时可直接观察获得；在标定过程中，应当观测状态监测屏的数据，当出现明显异常时则说明标定工作失效，需要重新进行标定工作，这里的明显异常是指当喷头在某个平面内工作时，振动信号突然发生的剧烈变化；

参照图1，打印机喷头末端安装有加速度传感器安装仓，内布放置有加速度传感器，传感器线路与喷头电源线路、进料管集成在一起组成集成化线束；为不影响喷头工作，在喷头末端设计了加速度传感器安装仓，加速度传感器安装仓的底部由不锈钢构成，可通过磁铁吸附3个加速度传感器，安装仓的底部有孔，以便于进料管和喷头线路穿过。

该打印机除了可以实现一般熔融沉积式3d打印机的基本功能外，具备了自我状态监测与故障诊断功能，通过集成安装在打印喷头上的三个加速度传感器采集喷头在水平和竖直方向的振动信号，计算一段时间内信号的统计特征值，依靠特征值的波动变化进行状态监测，一旦波动超出预定范围则诊断为设备出现故障，立即停止打印从而避免工时和物料的浪费。

实现监测与诊断功能的基础是打印喷头的振动信号，分析以时域信号的常见统计特征值为主，主要包括最大值、最小值、极差、均值、方差、变异系数、偏度和峰度，每种参数都包含三个振动方向的数值，仅对特征值种类进行扩充的改进方案仍属于本发明范畴；

本发明可以实现监测诊断功能的前提是该异常现象对振动信号会产生明显影响，以机械故障和材料成型故障为主，主要包括传动部件损坏、机械零件松动、打印机放置位置不当、电机出现异常、传动部件配合不当、材料成型失败、材料过度堆积、材料挤出异常、机械零件松动、喷头自身损坏等故障现象，将本发明用于监测诊断其它与振动相关的3d打印机故障仍属于本发明范畴；对本发明外形和零件分布的修改仍属于本发明范畴。