一種針對開源3D打印機的故障檢測系統

蔣經緯，龍俊琪，梅 文，羅嘉良，龔子怡

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一種針對開源3D打印機的故障檢測系統

蔣經緯1，龍俊琪1，梅 文1，羅嘉良1，龔子怡2

（1. 湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412008; 2. 湖南工業大學機械工程學院，湖南 株洲 412008）

針對高校創新實驗室常用的熔融沉積型（FDM）開源3D打印機容易出現的打印機斷絲、耗盡和堵頭等故障，本文設計一種基于光電傳感器的故障檢測系統。當信號檢測裝置檢測到故障信號時，利用信號處理電路中的51單片機處理光電傳感器檢測到的信號并做出反應。通過系統的實驗測試表明，該檢測系統運行穩定，能有效檢測出上述故障，從而使用戶能夠及時發現故障，避免時間和材料的浪費。

FDM型開源3D打印機；故障檢測系統；光電傳感器

0 引言

21世紀以來，3D打印技術通過電子技術和自動化控制的手段得到了迅速的發展。3D打印技術是一種快速成型技術，也被稱為增材制造，其中最具代表性和廣泛性的就是熔融層積技術（FDM），由美國的ScottCrump于1988年率先發明，并成立了Stratasys公司[1]。目前，絕大多數開源3D打印機采用的是FDM技術，因其組裝成本低、可創新性高等特性廣泛被應用于各大高校創新實驗室。

目前國內對于3D打印機故障檢測尚處于萌芽階段。學術界上，國內浙江大學用聲發射采集系統檢測3D打印機故障情況[2]。同時各個研究機構也在加緊研發3D打印機故障檢測的解決方案，目前市面上已經出現基于溫度檢測的3D打印機故障檢測方法[3]和利用按壓感應器的故障檢測方法[4]。

然而，以上解決方案因成本過高等原因，僅應用于學術研究以及高端產業。我們就開源3D打印機常出現的故障進行研究。發現在3D打印的過程中，會因為原材料絲受熱不均、進絲不暢，出現斷絲、耗盡和堵頭等故障。本文針對這幾種常見故障設計一種更為簡單經濟的故障監測系統，適用于一些高校創新實驗室以及DIY愛好者的使用。本系統以51單片機作為控制器、光電傳感器為檢測器，包括故障檢測機械裝置和信號處理電路兩個部分。當3D打印機在出現以上類型故障時，系統會自動做出反應——立即暫停打印工作并發出警報。

1 系統整體設計

本文主要研究的是針對熔融沉積型開源3D打印機的故障檢測系統，對于開源3D打印機來說，它會出現的故障主要分為兩種，一種稱為軟件故障，主要由軟件上的建模問題以及參數問題所導致，第二種為硬件故障，主要包括斷絲、堵頭、耗盡、傳動帶斷裂、擠絲機構異常等[5]。而本文主要的研究對象就是硬件故障中的打印機斷絲、堵頭、耗盡的故障類型。因此類故障均會導致停止進絲，我們利用此共性設計故障檢測系統。本系統分為信號檢測裝置和信號處理電路兩個部分。

其中，信號檢測裝置采用槽型光耦傳感器檢測信號，并由自主設計的機械結構輔助完成信號檢測。槽型光耦傳感器存在一個光發射器和接收器，在無阻情況下光接收器可以接收到發射器發出的光，輸出一個電平信號，反之，若光被遮擋，輸出一個相反的電平信號。因其響應時間能夠滿足3D打印機要求，同時它對于外界有一定的抗干擾能力。其中響應時間是指光信號轉換成電信號的時間，即光由暗變亮轉換成電信號所需要的時間，一般分成兩個部分：上升時間和下降時間。在遠小于1 ms的光源下，實驗測得上升時間、下降時間、負脈沖寬度分別為20.14 us、4.413 us、43.31 us[6]。這樣所測得電信號響應時間極短，對于3D打印機故障的測量完全能勝任。其次，槽型光電傳感器以光為媒介，所以不需要與被測對象直接接觸，間接完成對被測對象的檢測。這一特點使得檢測過程中，不會對傳感器以及被測對象帶來影響，更適用于高精度、抗干擾能力弱的系統。同時，光電傳感器已經能夠保證投射的光束一直穩定集中在一個極小的光點上，即光電傳感器已經具有了性能特殊的受光系統，確保其識別率和分辨率精確又強大。因此有一定的穩定性和抗干擾能力，能完成對于精確掌控檢測和對微小物體的細微檢測[7]。

圖1 系統整體設計框架

信號處理電路利用A/D模數轉換器將模擬信號轉換成數字信號，采用STC公司生產的89c52單片機作為控制器處理數字信號，并完成與3D打印機的通信以及報警等功能。

2 系統硬件設計

本文重點針對信號檢測裝置和信號處理電路進行設計。

2.1 信號檢測裝置

我們設計了一種用于采集進絲信號的檢測裝置。如圖2所示，其機械結構主要包括底座、固線器、傳動桿、光柵傳動輪、槽型光電傳感器、進絲口和出絲口。固線器主要是以調節進絲口的松緊，以保證3D打印機正常進絲過程的進行；傳動桿 用于帶動光柵傳動輪；槽型光電傳感器作為檢測元件。

圖2 信號檢測裝置圖

槽型光電傳感器通過與此機械結構的結合，利用其檢測來反映3D打印機工作狀態[8]。同時因其工作具有非接觸性的特點，避免了與加熱頭的直接接觸，保證在正常工作過程中檢測裝置不對其正常抽絲、進絲有影響[9]。

信號檢測裝置安裝在進料裝置之前，3D打印機正常工作過程中，為保證正常供絲，其進料裝置本身設有電機、主動進絲輪、壓緊裝置。電機負責抽送絲線，主動進絲輪與壓緊裝置保證進絲不易滑脫，使得裝置整體運行流暢[10]。在正常工作時，電機正常帶動進絲輪，信號檢測裝置的機械結構也被正常帶動，傳動桿帶動光柵傳動輪，光電傳感器檢測到正常進絲的信號。當出現了如堵頭、斷絲等故障時，進絲過程無法正常進行，抽絲停止，信號檢測裝置的機械結構也停止轉動，光電傳感器檢測到異常進絲的信號。

信號檢測裝置檢測進絲狀況信號的同時將其傳輸給信號處理電路，從而判斷3D打印機是否出現了堵頭、斷絲等故障。

2.2 信號處理電路

信號處理電路主要完成的是對光電傳感器發出信號進行分析處理并做出反應，使得原本開環的系統變成閉環的系統從而實現控制。硬件電路主要包括5 V直流電路模塊、晶振電路、復位電路所構成的單片機最小系統以及故障信號接收模塊、報警電路模板、通信電路模塊。我們選用價格低廉、品種齊全、支持環境豐富的AT89S51作為控制芯片，滿足開源產品低成本、可開發性的特點。直流電路模塊以7805芯片為核心，通過將3D打印機自帶的12 V電壓變換成5 V電壓，給單片機以及光電傳感器提供電壓。故障信號接收模塊由A/D轉換芯片構成，將光電傳感器接收的模擬信號變成數字信號傳給單片機。正常進絲時，信號是呈高低電平近似周期性變化的，即正常進絲信號；當出現故障時，信號將一直保持在高電平或者低電平不會改變，即出現故障信號。利用C語言編寫程序實現對于這兩類信號的識別，并且驅動通信電路和報警電路。當3D打印機出現斷絲、堵頭、耗盡等故障時，報警電路LED閃爍、蜂鳴器報警，并且將故障信號發給3D打印機主板，中斷打印進程。

3 系統軟件設計

本系統以單片機為控制核心，利用編寫好的程序來處理光電傳感器發出的信號，并使系統做出相應的反應。單片機有兩個數據端口做收發數據， 將其與3D打印機主板通信端口相連，然后配合 硬件電路，當檢測到故障，利用上述通信端口實現中斷。

在程序算法上有兩種策略，第一種測量相鄰脈沖時間間隔的區間，并且設計延時函數，這種手段針對于運動速度相對較慢的情況精確度更高；第二種便是在單位時間內測量脈沖個數，并且通過大量原始實驗數據總結積累得出較為合適的預設值，利用與預設值的比較得出3D打印機的運行狀況，這類方法對于運動速度更快的時候更為適用。

4 系統測試

我們以一臺基于arduino的熔融沉積型開源3D打印機作為實驗對象。如圖模擬了3D打印機由啟動到正常運行再到發生故障停止的過程。在3D打印機正常工作過程中，運動速度并不是勻速，因此光電傳感器所測得的每個電信號的周期也有所不同。

圖3 狀態波形

在實驗過程中，在不同的初始預設值下，每一個預設值重復做30次實驗，用秒表記錄故障發生到打印機停止打印的時間，并得出平均反應時間，以及記錄誤判次數，得出誤判率，如表1所示。其中反應時間表示了實驗浪費材料的多少。實驗結果表明預設值越低，反應時間越短，浪費材料越少，但誤判率越高；反之，預設值越高，反應時間越長，浪費材料越多，但誤判率越低，因此在一定預設值下本系統檢測效果較好，誤判率低，有效節省材料并且長時間穩定運行，能夠滿足高校創新實驗室的要求。

表1 不同的預設值下的實驗結果

Tab.1 Experimental results under different preset values

5 結語

本文針對開源3D打印機常會發生的一些故障進行研究，通過分析3D打印機故障的共性，即導致進絲問題，設計了故障檢測系統，選擇以光電傳感器對信號檢測裝置機械結構的檢測反映3D打印機的工作狀態，以單片機作為控制器，實現實時控制，同時設計報警電路和通信電路，使得在發生故障時能中止打印并且發出報警信號[11]。以簡單、經濟的方式實現對故障的檢測，并且具有很強的可改裝性，更適用于高校創新實驗室以及開源硬件愛好者來使用和改進。

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[11] 吳海曦, 余忠華, 張浩, 楊振生, WANG Yan. 面向熔融沉積成型的3D打印機故障聲發射監控方法[J]. 浙江大學學報(工學版), 2016, 50(1): 78-84.

A Fault Detection System of Open Source 3D Printer

JIANG Jing-wei1, LONG Jun-qi1, MEI Wen1, LUO Jia-liang1, GONG Zi-yi2

(1. Electrical and Information Engineering School, Hunan University of Technology, Zhuzhou, Hunan 412008; 2. Mechanical Engineering School, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412008)

Abstract: the article discusses design of fault detection system based on photoelectric sensor for problems of breaking, drainage and plugging of FDM open source 3D printer commonly used in university innovative laboratories. When signal detection device detects fault signal, 51 Singlechip in signal processing circuit may process and respond signal detected by photoelectric sensor. Experimental test shows the system runs stably and can detect above fault effectively, help users find fault in time and avoid waste of time and materials.

FDM type open source 3D printer; Fault detection system; Photoelectric sensor

TP211+.6

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.033

蔣經緯(1997-)，男，本科，研究方向：電氣工程及自動化。

本文著錄格式：蔣經緯，龍俊琪，梅文. 一種針對開源3D打印機的故障檢測系統[J]. 軟件，2018，39（7）：157-160