[发明专利]具有状态监测与故障诊断的熔融沉积式3D打印机及方法

说明书

具有状态监测与故障诊断的熔融沉积式3D打印机及方法，包括机架、打印底座、状态监测屏、操作面板、操作显示屏、打印机底座、升降丝杠、同步带轮、同步带、同步带滑块、导向轨道、集成化线束、加速度传感器、加速度传感器安装仓、喷头移动滑块、打印喷头、设备主板、信号采集卡、数据处理模块；通过加速度传感器采集三个方向的振动信号，并根据振动信号统计特征值的变化判断设备状态；可在设备正常工作下对其进行标定获取诊断阈值作为诊断依据，随后采集工作中的信号进行监测，一旦出问题立即报警或停机；本发明具有实用性强、算法简单、易于操作等优点，可以极大减少打印机故障造成的时间和物料损失，具有广泛应用价值。

技术领域

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。

发明内容

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。