基于稱重傳感器的3D打印機自動換料裝置設計

關兆基，安芬菊，李卓恒，黃業冠，陳子樂

（廣東海洋大學 機械工程學院，廣東 湛江 524088）

0 引言

當今，通過先離散再逐層累計加工的3D打印（增材制造）技術從根本上改變了傳統的“切削去除材料”的工藝模式[1]，已成為推動全球新一輪科技和產業革命的重要技術，因此3D打印技術也迎來了發展的熱潮，因此對3D打印技術的自動化提出了更高的要求。

目前熔融沉積制造工藝的FDM 3D打印機所用的一卷熱塑性線材是有限的，一般規格為500 g/卷，3D打印機一般為單噴頭，連接一卷熱塑性線材，消耗完后需要暫停打印并通過人工手動換線材，換上另一卷熱塑性線材，即將線材頭部插入打印機的進絲口的管道內，由噴頭處的電動機不斷牽引線材進入噴頭，在高溫的噴頭內完成融化后，方可繼續打印。目前市場上仍存在較多不支持斷料檢測功能的FDM 3D打印機，此類打印機無法判斷線材是否耗盡，直至走完模型的打印路徑后打印才會自動停止，也就是說當某個零件在打印過程中線材耗盡后，打印機不是自動暫停并等待人工換料而是繼續工作，導致零件打印失敗，這不僅會大大浪費了打印的時間，并且也浪費了大量的材料。

現有FDM 3D打印機也有一些設備帶有余料報警提醒的裝置[2]，其采用壓力傳感器進行材料的質量判斷，并且可以將打印機暫停，發出警報，提醒工作人員進行材料更換，避免了因材料不足造成打印失敗，這種余料報警功能雖然克服了工作人員未能及時更換造成的打印失敗的問題，但未能解決仍然需要人工進行換料和效率低的問題。因此進行該熔融沉積成型FDM 3D打印自動換料裝置的研究非常有必要，可有效避免材料浪費，較大程度上提高打印機工作效率和自動化水平。

1 換料裝置的設計

研究設計的FDM 3D打印機自動換料裝置適合安裝在已有的3D打印機上，其功能是：在一卷耗材耗盡前，及時輸送另一卷耗材進行補充，實現兩卷耗材之間的自動銜接。其工作原理是：采用質量感應裝置測量初始線材卷的質量數據，從而將質量信號傳輸給主控板，與設定值進行比較，當不大于設定值時，發出信號給初始線材斷線裝置并切斷初始線材，輸送裝置輸送備用線材卷至打印機噴頭繼續打印[3]。自動換料裝置如圖1所示，打印機首先啟用的是左側的線材1，線材1先經過剪切裝置，再從分支管的管道1進入打印機噴頭，線材1耗盡后，打印機再啟用右側的線材2，線材2由輸送裝置的步進電動機輸送，以送料管為導向進入分支管，再從分支管的管道2進入打印機噴頭。該裝置由質量感應裝置、剪切裝置、輸送裝置、分支管及換料裝置控制系統等5個部分組成。下面就自動銜接送絲裝置的各個部分進行闡述。

圖1 自動換料裝置圖

圖2 質量感應裝置圖

1.1 質量感應裝置

質量感應裝置的功能是獲取線材卷1的線材質量值數據，判斷線材1是否將要耗盡，并由主控板驅動整個系統進行銜接換絲的工作。質量感應裝置由稱重傳感器、主控板、線材卷承載座、線材卷1和放置臺構成。稱重傳感器與主控板位于放置臺上，線材卷承載座上部與線材卷1活動連接、底部放置在稱重傳感器上，線材卷承載座兩端安裝滑輪，使得在打印機電動機牽引線材1進絲時線材卷1在線材卷支撐座上做單自由度的穩定旋轉運動。

稱重傳感器實時測量線材卷1的質量值，根據線材卷滿盤質量值、空盤質量值，結合實時測量的質量值數據，傳輸至主控板，可以得知線材卷1的用料情況。

主控板需要提前測試并設定一個質量值，例如設定的質量值可以是空盤的質量值或者余下2～3圈線材時的質量值，將主控板實時獲取的質量值與設定質量值進行識別比對，當實時質量值數據降低至設定質量值時，表明線材卷1的線材即將耗盡，控制模塊將驅動整個銜接送絲系統做對應動作，保證在線材卷1完全耗盡前能及時更換新的線材卷，達到自動銜接換絲的目的。

1.2 剪切裝置

剪切裝置（如圖3）的功能是剪斷線材1，主要由舵機，主、從動齒輪組，剪斷刀和固定架構成。舵機安裝于固定架上，舵機輸出端與主動齒輪相連，從動齒輪安裝在舵機支架上，主動齒輪與從動齒輪完全嚙合，上、下剪斷刀分別安裝在主、從動齒輪上。線材1從舵機支架上開設的兩個同軸小孔中穿過，以便始終保持在剪斷刀的剪切范圍內，當線材1即將耗盡，主控板將驅動舵機進行剪切動作，舵機帶動輸出端上連接的主動齒輪旋轉，根據主從動齒的嚙合特性，主動與從動齒輪轉動方向相反，安裝在其上的上、下剪斷刀咬合，剪斷線材卷1。

圖3 剪切裝置圖

1.3 輸送裝置

輸送裝置[4]（如圖4、圖5）的作用是：在剪切裝置把將要耗盡的線材卷1的線材剪斷后，將線材卷2上的線材輸送到分支管中，此后打印時使用的材料來源于線材卷2（如圖1），此刻完成了兩卷線材的銜接。輸送裝置主要由步進電動機、滑輪固定座、電動機安裝座、擠出輪和送料管構成。滑輪固定座安裝在步進電動機的輸出端面上，其上的滑輪與安裝在步進電動機輸出端上的擠出輪平行，通過電動機安裝座實現了步進電動機牢固地安裝在3D打印機上。

圖4 輸送裝置工作示意圖

圖5 輸送裝置送絲結構剖面視圖

當主控板發出剪切指令控制剪切裝置完成剪切任務后，主控板延遲大約0.5 min左右的時間（具體針對不同的打印速度設定的延遲時間，需要通過試驗得出），使得線材1被更進一步充分打印后但未完全耗盡前，主控板驅動步進電動機開始運行，輸送裝置上的步進電動機輸出端的擠出輪與滑輪將會帶動線材2往上運動，線材2沿著送料管到達分支管的管道2，調節步進電動機合適的速度，使線材1和線材2在分支管中完成銜接。輸送裝置的電動機持續運行一段時間（此段時間長短取決于打印機的電動機與輸送裝置電動機的速度，可通過試驗得出），待線材2與3D打印機的擠出結構接觸后，由3D打印機步進電動機牽引線材2進絲，主控板將發出停止指令到輸送裝置的電動機，完成線材2的輸送換料。

1.4 分支管

分支管安裝在3D打印機噴頭的上方，其上分為管道1和管道2，分別作為線材1和線材2的入口，兩管道最終匯集成一條主管道，通往打印機的噴頭處（如圖6），打印開始時使用的是線材卷1，線材1從分支管左側的管道1進入噴頭，待線材卷1即將耗盡前，剪切裝置剪斷線材1，待線材1繼續打印一小段時間后，輸送裝置的步進電動機牽引線材卷2的線材經過送料管最終到達分支管的管道2，主管道內部的空間只能容納一根線材的大小，因此管道2的線材2需要等待管道1內被剪斷后剩余的線材1完全進入主管道后，銜接在線材1的后面進入到主管道中，如此設計可保證線材進入噴頭溶解的順序，線材2銜接在線材1的后面，確保線材2的順利銜接。

圖6 分支管剖視圖

1.5 換料裝置控制系統

1.5.1 控制硬件

換料裝置控制系統使用的控制硬件主要有稱 重 傳 感 器、HX711 轉換芯片、主控板Arduino、DRV8825驅動芯片、電源模塊等。

其中稱重傳感器在該系統硬件設計中最為核心，是系統正常運行與檢測線材用料情況的關鍵所在，本裝置使用的是電阻應變式稱重傳感器，傳感器在受到線材卷重力作用后，傳感器的應變片隨之產生形變并引起電阻變化，這一電阻變化在相應的測量電路中轉換為電壓輸出，但傳感器輸出的電壓十分微小，僅為幾毫伏至幾十毫伏[5]，為了使主控板Arduino能夠正確地獲取到傳感器的電壓信號，得到線材卷的用料情況，需對傳感器的電壓信號進行濾波放大處理。

本裝置處理電壓信號選擇HX711轉換芯片，是24位高精度的A/D轉換器芯片，內部集成128倍增益可編程放大器，可以將傳感器輸出的微小電壓信號放大128倍，然后采樣輸出24位的AD轉換值至主控板Arduino中。主控板Arduino通過GPIO模擬將24位數據讀取出來。該轉換芯片具有集成度高、抗干擾性強、響應速度快等優點，能夠高效利用資源，提高系統的性能和可靠性。

主控板Arduino獲取到線材卷1的質量數據后，將線材卷1的質量值與設定值進行實時比對，當線材卷1的質量值低于設定的值時，表明線材卷1即將耗盡，主控板Arduino向剪切裝置的舵機發送特定的PWM波，控制舵機執行剪斷線材1的動作，剪斷線材后，等待0.5 min左右，主控板Arduino通過DRV8825模塊驅動輸送裝置的步進電動機工作，將線材卷2的線材2輸送至打印機噴頭處，兩卷線材在分支管中完成銜接，最后由打印機的電動機牽引線材卷2的線材2進絲，DRV8825模塊SLP引腳接收邏輯低電平進入低功耗睡眠模式，步進電動機休眠等待下次運行。圖7為各部分硬件接線圖。

圖7 硬件接線圖

1.5.2 控制流程

換料裝置控制部分的重點在于稱重傳感器的檢測，用于獲取線材卷1的質量數據，得知線材卷1的用料情況。質量數據以壓力電信號形式經過HX711轉換芯片濾波放大和AD轉換，轉換后的質量值在主控板中讀出，再與設定的值進行比對，當質量值小于設定值時，主控板發出信號給剪切裝置剪斷線材1，等待一小段時間后，主控板驅動輸送裝置輸送額外的線材2至打印機噴頭繼續打印，其控制流程如圖8所示。

圖8 控制流程整體框圖

2 結論

該自動換料裝置一方面可解決FDM 3D打印機的絲料自動供給問題，同時具有以下特點：1）該自動換料裝置提高打印自動化程度，減少人工操作步驟，有效提高打印機工作效率；2）該裝置避免打印耗材的浪費，可使用在無斷料檢測功能的打印機上，能及時更換耗材，避免因材料不足造成零件的打印失敗與材料的浪費；3）換料裝置適用于市面上大部分FDM 3D打印機，可推廣性極強，具有良好的應用價值。