基于3D 打印自動(dòng)測(cè)試紙傳送裝置的研究及應(yīng)用

馬永軍，高靈寶

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏銀川 750021）

1 背景

鑄造是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，也是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。從汽車、機(jī)床、軌道交通、建筑五金到航空、航天、國防以及人們的日常生活等，都需要鑄件產(chǎn)品。我國鑄件產(chǎn)量處于世界領(lǐng)先水平，國內(nèi)有2 萬多家鑄造廠，其中將近80%是采用砂型鑄造，且處于逐年上升的趨勢(shì)，每年有4000 萬噸砂芯需要清理、檢測(cè)、表面處理轉(zhuǎn)運(yùn)及碼垛操作，人力、效率等問題尤為突出。在機(jī)器人和自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，定位識(shí)別傳送測(cè)試紙?zhí)幚淼倪^程完全自動(dòng)化，在砂芯生產(chǎn)之前，自動(dòng)定位傳送打印測(cè)試紙裝置對(duì)噴頭的狀態(tài)檢驗(yàn)起重要作用。一方面手動(dòng)抽取測(cè)試紙無法精確控制，浪費(fèi)材料，人工進(jìn)出正在運(yùn)行的設(shè)備，存在嚴(yán)重的危險(xiǎn)因素，另一方面，噴頭的狀態(tài)太差，無法及時(shí)通過平臺(tái)查看測(cè)試紙狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致砂型報(bào)廢，從而導(dǎo)致澆注出來的砂型出問題。

智能化設(shè)計(jì)時(shí)代已然到來，傳統(tǒng)方式己經(jīng)不能滿足市場(chǎng)的需求。根據(jù)企業(yè)自身的知識(shí)及標(biāo)準(zhǔn)有針對(duì)性的開發(fā)適合企業(yè)自身的智能應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)己經(jīng)成為大勢(shì)所趨。現(xiàn)階段，移動(dòng)定位、自動(dòng)傳送發(fā)展潮流逐漸向著大型、復(fù)雜、精密、高效方面靠近，這就要求我們進(jìn)一步搞好3D 打印機(jī)行業(yè)的改革和創(chuàng)新，更深程度地與3D 打印機(jī)有關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)合起來。目前，車間已經(jīng)采用定位技術(shù)和傳送技術(shù)，例如AGV 移動(dòng)和砂芯清理工作。打造信息化、智能化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化的3D 打印機(jī)系統(tǒng)，以便更加快速敏捷地應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變動(dòng)，與國際水平接軌，在學(xué)習(xí)中謀求創(chuàng)新，保證質(zhì)量，提高效率，在國際競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。

2 實(shí)際生產(chǎn)過程中存在的問題

3D 打印機(jī)打印過程是逐層堆砌打印，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，打印機(jī)在每次生產(chǎn)砂芯時(shí)，都會(huì)執(zhí)行打印測(cè)試紙操作。在這個(gè)過程中，每次都是人工操作，無測(cè)試紙，需手動(dòng)進(jìn)行添紙，無法通過自身去定位停止傳送測(cè)試紙，從而導(dǎo)致打印過程中危險(xiǎn)性增加，浪費(fèi)人力以及材料，故而使設(shè)備無法脫離傳統(tǒng)的運(yùn)行方式，無法向現(xiàn)代自動(dòng)化的方向進(jìn)行發(fā)展。這樣，使工廠生產(chǎn)效率降低，成本增加。通過自動(dòng)定位測(cè)試紙傳送裝置，使安全性和生產(chǎn)效率增加，從而使得3D 打印在生產(chǎn)制造領(lǐng)域使用的更加得心應(yīng)手。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化程度越來越高，相應(yīng)的定位技術(shù)也不斷的更新。目前使用人力去操作的狀態(tài)，造成相應(yīng)的成本增加、安全條件落后、自動(dòng)化進(jìn)程緩慢。

3 裝置控制系統(tǒng)原理

圖1 裝置原理圖

如圖1 所示，本課題研究的自動(dòng)測(cè)試紙傳送裝置設(shè)置在打印設(shè)備噴頭下方的空間范圍內(nèi)，且距離噴頭高度為3～5mm，包括支架3、皮帶8、主動(dòng)軸4、從動(dòng)軸11、測(cè)試紙鈑金1、伺服電機(jī)6、圖像采集設(shè)備2。支架3 設(shè)置在噴頭下方，用于支撐皮帶8；皮帶8 通過皮帶輪10 設(shè)置在主動(dòng)軸4 和從動(dòng)軸11 上，從而實(shí)現(xiàn)皮帶8 的運(yùn)轉(zhuǎn)；主動(dòng)軸4與伺服電機(jī)6 相連，伺服電機(jī)6 驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸4 轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)皮帶8 的運(yùn)轉(zhuǎn)；測(cè)試紙安裝在從動(dòng)軸11 上，拉開一端平鋪在皮帶8 上，并將拉開的一端設(shè)置在主動(dòng)軸4 上，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試紙的傳送；圖像采集設(shè)備2 將用于測(cè)試紙圖像的拍攝、掃描和錄制測(cè)試紙上的打印圖像，并將采集到的圖像傳送到人機(jī)界面以及遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)上。用于觀察測(cè)試紙當(dāng)前狀態(tài)和后續(xù)噴頭出現(xiàn)問題進(jìn)行調(diào)查分析，圖像采集設(shè)備2 設(shè)置在測(cè)試紙鈑金1 所在的正上方。

該測(cè)試紙傳送裝置控制系統(tǒng)，通過計(jì)算主動(dòng)軸4 的圈數(shù)與噴頭工作區(qū)域或者寬度的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)打印測(cè)試紙的傳送，其工作原理包括如下步驟：

（1）當(dāng)在人機(jī)界面上點(diǎn)擊“正轉(zhuǎn)”按鈕時(shí)，主動(dòng)軸4 會(huì)在伺服電機(jī)6 的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)從動(dòng)軸11 轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)我們?cè)O(shè)定的噴頭的總寬度，測(cè)試紙移動(dòng)總寬度的距離后自動(dòng)停止。

（2）當(dāng)整個(gè)噴頭移動(dòng)在測(cè)試紙正上方噴墨后，發(fā)出噴墨結(jié)束信號(hào)，并啟動(dòng)圖像采集設(shè)備2，采集設(shè)備將噴好的圖像采集，并將采集得到的圖像傳送到人機(jī)界面。

（3）當(dāng)人機(jī)界面顯示的測(cè)試打印樣符合要求時(shí)，發(fā)出卷紙信號(hào)，將打印過的測(cè)試紙卷到主動(dòng)軸4 上；當(dāng)人機(jī)界面顯示的測(cè)試打印樣不符合要求，但有打印痕跡的，發(fā)出卷紙信號(hào)，將打印過的測(cè)試紙卷到主動(dòng)軸4 上；當(dāng)人機(jī)界面顯示的圖像無痕跡，也即測(cè)試紙為空白時(shí)，再次發(fā)出噴墨信號(hào)，重新噴墨，進(jìn)入下一個(gè)輪回。

（4）當(dāng)測(cè)試紙卷在主軸上間斷移動(dòng)過程中，程序就會(huì)自動(dòng)檢測(cè)軸的扭矩是多大，如果軸的扭矩很小，說明測(cè)試卷紙?jiān)谝苿?dòng)過程中沒有達(dá)到鋪平狀態(tài)。因此，我們可以在扭矩相對(duì)較小的情況下，適當(dāng)增加補(bǔ)償值來增加扭矩，使得測(cè)試紙達(dá)到一個(gè)鋪平狀態(tài)。控制流程圖如圖2 所示。

4 扭矩計(jì)算公式

對(duì)于測(cè)試紙是否達(dá)到平整狀態(tài)，需要我們對(duì)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，用該參數(shù)來判斷測(cè)試紙的平整狀態(tài)。扭矩：使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的一種特殊的力矩，單位是N·m，計(jì)算公式是T=9549×P/n。P是電機(jī)的額定（輸出）功率，單位是千瓦（kW）；分母是額定轉(zhuǎn)速n，單位是轉(zhuǎn)每分(r/min)。

例如，現(xiàn)有設(shè)備P 的值為1.38，n 的值為6000，因此，軸的扭矩為T=9549×1.38/6000=2.19 N·m，當(dāng)測(cè)試紙的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭矩大于這個(gè)值的時(shí)候，紙張會(huì)拉斷，當(dāng)測(cè)試紙的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭矩小于這個(gè)值的時(shí)候，紙張?zhí)幱谒沙跔顟B(tài)，因此，扭矩等于該值的時(shí)候，測(cè)試紙剛好處于拉緊狀態(tài)。

圖2 控制流程圖

圖3 扭矩示意圖

5 實(shí)際應(yīng)用

因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)的打印機(jī)上，打印頭室空間很狹小，測(cè)試紙鈑金抽測(cè)試操作人員不能在設(shè)備運(yùn)行的情況下進(jìn)入打印頭室。所以在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)我們還需要對(duì)上述傳送裝置進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。

我們保證每一次打印測(cè)試紙傳送、定位、圖像識(shí)別統(tǒng)一由程序進(jìn)行處理，這樣我們就可以保證不去設(shè)備里面，就能觀察到設(shè)備噴頭的狀態(tài)，保證了人員的安全性，提高了設(shè)備自動(dòng)化程度。

6 結(jié)論

本文主要從此裝置的運(yùn)行原理以及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了敘述。基于自動(dòng)傳送測(cè)試紙裝置的研究和現(xiàn)實(shí)設(shè)備的應(yīng)用，能有效的查看噴頭狀態(tài)，通過人機(jī)界面的算法程序進(jìn)行控制，減少人工抽紙?jiān)斐蓹C(jī)械卡死，抽紙不方便，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位和采集圖像實(shí)時(shí)顯示在設(shè)備界面上。該設(shè)備避免操作人員在設(shè)備運(yùn)行的情況下，來回進(jìn)出設(shè)備里面，造成人身傷害，大大提高安全性。