CN108527844A - 快速成形全彩3d打印机输料系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种快速成形全彩3D打印机输料系统及其控制方法，涉及3D打印机技术领域，系统包括进料系统、熔池系统、喷头系统、加热系统，进料系统与熔池系统的输入端连接，熔池系统的输出端与喷头系统连接，加热系统与熔池系统相连。进料系统包括进料管、进料电机、电机控制器、料量传感器；加热系统包括熔池加热设备、温度传感器、加热控制器、喷头加热设备。方法是先计算打印模型所需要的各种颜色的线材量；再控制进料系统的进料电机，精准控制各种颜色线材的量，最后再通过控制熔池系统的各熔池温度来逐次混合融料后送到打印喷头。本发明的打印顺畅，不堵喷头，全彩混色均匀，全彩打印质量好，具有经久耐用、结构简单、成本低等特点，易于推广使用。

Description

快速成形全彩3D打印机输料系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及3D打印机技术领域，特别是一种快速成形全彩3D打印机输料系统及其控制方法。

背景技术

我国3D打印行业起步比较晚，现在进入迅速发展阶段，因此3D打印技术市场广、前景好、应用非常广泛。根据对目前国际上3D打印技术研发领域最新动态的跟踪、调研、分析与总结，与市场接轨，目前市场对3D打印技术要求越来越高，从单色面向双色，甚至多色的需求。

3D打印技术是一种快速成型技术领域，它以数字模型文件为基础，运用金属、塑

料、无机材料等，通过逐层打印的方式来构造物体。运用于首件的净型成型，这样后期辅助加工量大大减小，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的制造行业的需求。

专利公开号为CN10509417 A的发明专利申请公开了3D打印机温度控制系统，提到快速升、降温的功能，也可以根据要求使打印机内的温度稳定在某一恒定温度，扩大了3D打印机的使用环境。但其打印机外罩、外罩和温控仪等控制成本较高，不利于推广，同时只是控制打印机机箱内的温度。

专利授权公告号为CN205255536 U的实用新型专利申请授权了一种可控温熔融成型 3D 打印机，提到自动选择原材料品种及总量，输入原料的熔点温度可调。但其存在原材料的量控制不精准，温度调节没有达到稳定、快速和实时性。

专利公开号为CN106444899 A的发明专利申请公开了一种3D打印机温度控制系统，提到采用PID运算模块运算并控制温度，虽然对于温度控制的实时性、精度及稳定性有一定的提高，但是没有达到根据不同材质材料料、不同颜色材料自适应控制温度的效果，累积误差增大时，没有自动减小积分项的系数，累积误差减小时，没有自动增大积分项的系数。

专利公开号为CN105252777A的发明专利申请公开了一种全彩 3D 打印机用调色机构及其调色方法、专利公开号为CN105415690A的发明专利申请公开了全彩 3D 打印机用喷头及打印方法、专利公开号为CN107379540A的发明专利申请公开了一种超声共混彩色3D打印机挤出头，其都能实现全彩混色打印，但是没有精准控制进料量，所以实现全彩混色不太均匀，全彩打印质量比较差。

专利公开号为CN105415678A的发明专利申请虽然公开了一种彩色 3D 打印头及其打印方法，但存在结构复杂、成本高、需要原材料的颜色种类多等缺陷。

经过调查研究，发现目前普通桌面级3D打印机的进料方式，都是采用电机带动齿轮把线材挤压到加热的喷嘴熔化，并输出打印。由于采用先挤压到喷嘴，再熔化的输料方式，所以存在阻力比较大，齿轮容易磨损打滑，无法正常输料打印的缺陷。

经过调查与实践，发现普通桌面级3D打印机容易堵塞喷头的缺陷。由于加热温度过高使材料碳化，加热温度过低使材料不完全熔化，使其堵塞喷头，无法正常打印，浪费材料。

目前少数桌面级3D打印机具有有混色打印，但是在实际操作中，混色不均匀，全彩打印效果差。主要是进料的量控制不精准和混合不均匀的原因，导致混色不均匀，全彩打印效果差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种快速成形全彩3D打印机输料系统及其控制方法，以解决现有3D打印机存在的堵塞喷头，加热温度过高材料碳化，加热温度过低材料不完全熔料、全彩混合进料量控制不精准、全彩混色不均匀、阻力比较大，齿轮容易磨损打滑，无法正常输料打印的不足之处。

解决上述技术问题的技术方案是：一种快速成形全彩D打印机输料系统，包括喷头系统、加热系统，还包括有进料系统、熔池系统，所述的进料系统与熔池系统的输入端连接，熔池系统的输出端与喷头系统连接，加热系统与熔池系统相连；所述的进料系统包括进料管、进料电机、电机控制器、料量传感器，该进料管与进料电机相连，料量传感器、进料电机分别与电机控制器连接，料量传感器安装在熔池系统的底端；所述的加热系统包括熔池加热设备、温度传感器、加热控制器、喷头加热设备；熔池加热设备、温度传感器、喷头加热设备分别与加热控制器连接。

本发明的进一步技术方案是：所述的进料管至少为三个进料管，分别装有不同颜色的线材。

本发明的再进一步技术方案是：所述的熔池系统包括多个熔池、熔池电磁阀、熔池排气管、熔池排气管电磁阀，多个熔池依次连通在一起，第一个熔池作为熔池系统的输入端与进料系统连接，最后一个熔池作为熔池系统的输出端与喷头系统连接，熔池电磁阀可升降安装在各个熔池的上方，熔池排气管分别安装在各个熔池的顶端，熔池排气管电磁阀安装在熔池排气管上，所述的料量传感器分别安装在各个熔池的底端，各熔池电磁阀、熔池排气管电磁阀分别与控制器连接。

本发明的再进一步技术方案是：多个熔池的池底向喷头系统方向倾斜设置；各个熔池的容积小于或等于0.785立方厘米。

本发明的再进一步技术方案是：所述的喷头系统包括喷头、喷头进料电磁阀；所述的喷头的顶端通过喷头进料电磁阀与熔池系统的输出端连接，喷头进料电磁阀与控制器连接；所述的熔池加热设备、温度传感器分别设置在各个熔池的容器外壁上。

本发明的另一技术方案是：一种快速成形全彩3D打印机输料系统的控制方法，该方法是先计算打印模型所需要的各种颜色的线材量；再控制进料系统的进料电机，精准控制各种颜色线材的量，最后再通过控制熔池系统的各熔池温度来逐次混合融料后送到打印喷头。

本发明的进一步技术方案是：所述的控制进料系统的进料电机，精准控制各种颜色线材的量是通过安装在熔池系统底端的料量传感器实时监测熔池融料量，并把检测到的熔池融料量反馈给电机控制器，使电机控制器快速准确调节进料系统的进料电机，达到实时响应控制，实现闭环控制，从而能准确快速的控制进料系统的进料量。

本发明的进一步技术方案是：进料系统的进料量控制方法如下：

a1).进料系统的进料控制公式：

U(k)=Kp*E(k)+Q*Ki*E(k)+Z*U(k-1)/ U(k)+ E(k-1)/ E(k)+…+ Kd*[T(k-1)/T(k)+P]

其中，

U(k) -----------第k次采样时刻的计算输出结果与第k-1次采样时刻的计算输出结果之差，即控制量的增量；

k-----------------采样序列号，k=0,1,2,3…；

E(x) -------------x=k, k-1, k-2…,第k, k-1, k-2…次采样时刻输入的偏差值；

Kp-----------------比例系数；

Ki-----------------积分系数；

Kd-----------------微分系数；

T(k-1) ------------上一次料量不变保持的时间；

T(k) ----------------当前料量不变保持的时间；

Q----------------引入调整系数；

P、Z----------------引入调整参数；

b1) 调整系数Q参数如下：

当E(k)>3.35时, Q =0；

当1.65＜E(k)≤3.35时, Q=[0.97- E(k)]/0.25；

当0.75＜E(k)≤1.65时, Q=[1.46- E(k))/0.25；

当0.25＜E(k)≤0.75时, Q=[1.97- E(k)]/0.25；

当0.1＜E(k)≤0.25时, Q=[2.06- E(k)]/0.25；

当E(k)＜0.1时, Q=1；

当偏差|E|增大时，积分作用变小，当偏差|E|减小时，积分作用变大，变化与E变化有关，达到系统是自适应效果，更准确快速的控制进料量。

c1)调整参数P、Z参数如下：

当T(k-1)/T(k)>1时, P=0.1-0.5；

当T(k-1)/T(k)=1时, p=0.7-0.9；

当T(k-1)/T(k)<1时, p=1.1-1.8；

当U(k-1)/ U(k)时，Z=0.01-0.05；

当U(k-1)/ U(k)时，Z=0.08-0.11；

当U(k-1)/ U(k)时，Z=0.16-0.19；

d1)本系统采样周期T=0.5S-1S；

e1)本系统采样比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd分别为8、5、2；

f1)系统引入抗微分饱和的约束条件，使进料系统更加稳定，其中，

当△U(k-1)>△Umax时，则只累加负偏差；

当△U(k-1)<△Umin时，则只累加正偏差；

其中

△Umax----------- 增量偏差最大值；

△Umin---------- 增量偏差最小值；

g1)通过引入计算当前料量不变保持的时间和上一次料量不变保持的时间来改变偏差，使进料系统更加准确。

本发明的进一步技术方案是：各熔池温度的控制方法是通过温度传感器实时监测各熔池温度，并把检测到的温度反馈给控制器，使控制器快速准确调节熔池加热设备的加热系统，达到实时响应控制，实现闭环控制，从而能准确快速的控制融料温度。

本发明的进一步技术方案是：熔池系统的温度控制方法如下：

a2)熔池系统的温度控制公式：

△U(k)= Kp*E(k)+Q *Ki*E(k)+E(k-1)/ E(k)+…+ Kd*[T(k-1)/T(k)+P]

其中，

△U(k) -----------第k次采样时刻的计算输出结果与第k-1次采样时刻的计算输出结果之差，即控制量的增量；

k-----------------采样序列号，k=0,1,2,3…；

E(x) -------------x=k, k-1, k-2…,第k, k-1, k-2…次采样时刻输入的偏差值；

Kp-----------------比例系数；

Ki-----------------积分系数；

Kd-----------------微分系数；

T(k-1) ------------上一次温度不变保持的时间；

T(k) ----------------当前温度不变保持的时间；

Q----------------引入调整系数；

P----------------引入调整参数。

b2) 调整系数Q参数如下：

当E(k)>1.25时, Q=0；

当0.95＜E(k)≤1.25时, Q=[0.65- E(k)]/0.12；

当0.65＜E(k)≤0.95时, Q=[0.82- E(k)]/0.12；

当0.35＜E(k)≤0.65时, Q=[0.97- E(k)]/0.12；

当0.15＜E(k)≤0.35时, Q=[1.06- E(k))/0.12；

当E(k)＜0.15时, Q=1；

当偏差|E|增大时，积分作用变小，当偏差|E|减小时，积分作用变大，变化与E变化有关，达到系统是自适应效果，更准确快速的控制温度。

c2) 调整参数P参数如下：

当T(k-1)/T(k)>1时, P=0.1-0.3；

当T(k-1)/T(k)=1时,p=0.8-0.96；

当T(k-1)/T(k)<1时, p=1.2-1.7.

d2) 本系统采样周期T=1S-5S；

e2) 本系统采样比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd分别为10、8、6；

f2) 系统引入抗微分饱和的约束条件，使控制器更加稳定，其中，

当△U(k-1)>△Umax时，则只累加负偏差；

当△U(k-1)<△Umin时，则只累加正偏差；

其中，

△Umax----------- 增量偏差最大值；

△Umin---------- 增量偏差最小值；

g2)通过引入计算当前温度不变保持的时间和上一次温度不变保持的时间来改变偏差，使加热系统更加准确。

由于采用上述结构和控制方法，本发明之快速成形全彩3D打印机输料系统及其控制方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.打印顺畅，不堵喷头

本发明包括进料系统、熔池系统、喷头系统、加热系统，进料系统与熔池系统的输入端连接，熔池系统的输出端与喷头系统连接，加热系统与熔池系统相连；其中，加热系统包括熔池加热设备、温度传感器、加热控制器、喷头加热设备；熔池加热设备、温度传感器、喷头加热设备分别与加热控制器连接。使用时，通过温度传感器实时监测各熔池温度，并把检测到的温度反馈给控制器，使控制器快速准确调节熔池加热设备的加热系统，达到实时响应控制，实现闭环控制，从而能准确快速的控制融料温度，一方面能达到防止熔池温度过高使融料碳化的效果，避免了融料无法均匀混合、混合融料变质的现象；另一方面达到了防止熔池温度过低使融料不完全融化的效果，避免了无法通过熔池系统逐次混合送到打印喷头或者是虽然能通过熔池系统逐次混合送到打印喷头，但是堵喷头而无法正常打印的现象。因此，本发明的打印顺畅，不堵喷头，减少维修堵喷头的工作量，从而实现打印效率高、打印质量好、减少人力资源、节约材料的效果。

2.全彩混色均匀

本发明包括进料系统、熔池系统、喷头系统、加热系统，进料系统与熔池系统的输入端连接，熔池系统的输出端与喷头系统连接，加热系统与熔池系统相连；其中，进料系统包括进料管、进料电机、电机控制器、料量传感器，该进料管与进料电机相连，料量传感器、进料电机分别与电机控制器连接，料量传感器安装在熔池系统的底端。使用时，通过安装在熔池系统底端的料量传感器实时监测熔池融料量，并把检测到的熔池融料量反馈给电机控制器，使电机控制器快速准确调节进料系统的进料电机，达到实时响应控制，实现闭环控制，从而能准确快速的控制进料系统的进料量，一方面达到了防止进料过多使全彩混合不均匀、材料浪费的效果；另一方面又达到了防止进料过少使全彩混合不均匀、模型无法完全打印的效果，模型无法完全打印又需要二次打印，导致材料的浪费、耗费更多的时间。因此本发明实现了全彩混色均匀、全彩打印质量好、同时节约材料的效果。

3.结构优化，经久耐用

由于在现有技术中，输料系统是采用先挤压到喷嘴，再熔化的输料方式，所以存在阻力比较大，齿轮容易磨损打滑，无法正常输料打印的缺陷。而本发明的输料系统是采用先把线材送到熔池熔化，再将熔化后的材料送到喷嘴的方式，所以阻力比较小，齿轮不易磨损，经久耐用。

4.全彩打印：

本发明包括进料系统、熔池系统、喷头系统、加热系统，其中，进料系统与熔池系统的输入端连接，熔池系统的输出端与喷头系统连接，加热系统与熔池系统相连。本发明在打印过程中，首先是按照打印模型所需要的各种颜色，通过控制进料系统，精准控制红色、绿色、蓝色、黄色、青色等线材的量，通过红色、绿色、蓝色、黄色、青色可以混合出任何颜色，再通过熔池系统逐次送到打印喷头，进而可以打印全彩模型，因此，本发明在打印时，既可以打印单色模型，也可以打印全彩模型，解决了现有技术存在的产品颜色单一、色彩单调的不足之处。

5. 结构简单，成本低：

本发明的结构比较简单，生产成本较低，易于推广使用。

下面，结合附图和实施例对本发明之快速成形全彩3D打印机输料系统及其控制方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：实施例一所述本发明之快速成形全彩3D打印机输料系统的结构示意图，

图2：快速成形全彩3D打印机输料系统单一熔池的结构示意图，

图3：快速成形全彩3D打印机输料系统单一熔池工作过程的结构示意图，

图4：快速成形全彩3D打印机输料系统第一熔池满融料的结构示意图，

图5：快速成形全彩3D打印机输料系统第二熔池满融料的结构示意图，

图6：快速成形全彩3D打印机输料系统第一、三熔池满融料的结构示意图，

图7：快速成形全彩3D打印机输料系统第二、四熔池满融料的结构示意图，

图8：快速成形全彩3D打印机输料系统引入温度控制方法前，预设值为200℃的熔池温度控制曲线图，

图9：快速成形全彩3D打印机输料系统引入温度控制方法后，预设值为200℃的熔池温度控制曲线图，

图10：快速成形全彩3D打印机输料系统引入进料量控制方法前，预设值为0.75CM³的进料控制曲线图，

图11：快速成形全彩3D打印机输料系统引入进料量控制方法后，预设值为0.75CM³的进料控制曲线图，

在图1中，各标号说明如下：

1-进料系统，

101-进料管，102-进料电机，103-电机控制器、104-料量传感器，

2-熔池系统，

201-第一熔池，202-第二熔池，203-第三熔池，204-第四熔池，

205-第一熔池电磁阀，206-第二熔池电磁阀，207-第三熔池电磁阀，

208-第四熔池电磁阀，

209-第一熔池排气管，210-第二熔池排气管，211-第三熔池排气管，

212-第四熔池排气管，

213-第一熔池排气管电磁阀，214-第二熔池排气管电磁阀，

215-第三熔池排气管电磁阀，216-第四熔池排气管电磁阀，

3-喷头系统，

301-喷头，302-喷头进料电磁阀，

4-加热系统，401-熔池加热设备，402-温度传感器，403-加热控制器，

5-熔池融料，

501-第一熔池融料，502-第二熔池融料，503-第三熔池融料，504-第四熔池融料。

具体实施方式

实施例一

一种快速成形全彩3D打印机输料系统，包括进料系统1、熔池系统2、喷头系统3、加热系统4，所述的进料系统1与熔池系统2的输入端连接，熔池系统2的输出端与喷头系统3连接，加热系统4与熔池系统2相连。

所述的进料系统1包括进料管101、进料电机102、电机控制器103、料量传感器104，该进料管101与进料电机102相连，料量传感器104、进料电机102分别与电机控制器103连接，料量传感器104安装在熔池系统的底端；所述的进料管101至少为三个进料管，分别装有红色、绿色、蓝色、黄色、青色等线材。

所述的熔池系统2包括多个熔池、熔池电磁阀、熔池排气管、熔池排气管电磁阀，多个熔池依次连通在一起，第一个熔池作为熔池系统输入端与进料系统连接，最后一个熔池作为熔池系统输出端与喷头系统连接，熔池电磁阀可升降安装在各个熔池的上方，熔池排气管分别安装在各个熔池的顶端，熔池排气管电磁阀安装在熔池排气管上，所述的料量传感器104分别安装在各个熔池的底端，各熔池电磁阀、熔池排气管电磁阀分别与控制系统连接。

上述的熔池包括第一熔池201、第二熔池202、第三熔池203、第四熔池204，第一熔池201作为熔池系统输入端与进料系统连接，第四熔池204作为熔池系统输出端与喷头系统连接；该四个熔池的池底向喷头系统方向倾斜设置，而且各个熔池的容积小于或等于0.785立方厘米。所述的熔池系统的熔池材料为陶瓷，或者为保温效果很理想的材料。

所述的熔池电磁阀包括第一熔池电磁阀205、第二熔池电磁阀206、第三熔池电磁阀207、第四熔池电磁阀208；所述的熔池排气管包括第一熔池排气管209、第二熔池排气管210、第三熔池排气管211、第四熔池排气管212；所述的熔池排气管电磁阀包括第一熔池排气管电磁阀213、第二熔池排气管电磁阀214、第三熔池排气管电磁阀215、第四熔池排气管电磁阀216。

第一熔池201、第二熔池202、第三熔池203、第四熔池204的顶板分别通过升降组件可升降安装在各个熔池上，其升降的高度随着熔池融料的高度而改变。第一熔池电磁阀205、第二熔池电磁阀206、第三熔池电磁阀207、第四熔池电磁阀208分别安装在第一熔池201、第二熔池202、第三熔池203、第四熔池204的顶板上方；第一熔池排气管209、第二熔池排气管210、第三熔池排气管211、第四熔池排气管212分别安装在第一熔池201、第二熔池202、第三熔池203、第四熔池204的顶板上，第一熔池排气管电磁阀213、第二熔池排气管电磁阀214、第三熔池排气管电磁阀215、第四熔池排气管电磁阀216分别安装在第一熔池排气管209、第二熔池排气管210、第三熔池排气管211、第四熔池排气管212上。

所述的喷头系统3包括喷头301、喷头进料电磁阀302；所述的喷头301的顶端通过喷头进料电磁阀302与熔池系统2的输出端连接，喷头进料电磁阀302与控制系统连接。

所述的加热系统4包括熔池加热设备401、温度传感器402、加热控制器403、喷头加热设备；所述的熔池加热设备401、温度传感器402分别设置在各个熔池的容器外壁上，熔池加热设备401、温度传感器402、喷头加热设备分别与加热控制器403连接，该熔池加热设备401为电阻丝，或者可控线性温度的加热设备，缠绕在各个熔池的容器外壁上。

本发明在打印过程中，通过自动控制进料管的电机，精准控制红色、绿色、蓝色、黄色、青色线材的量，通过红色、绿色、蓝色、黄色、青色可以混合出任何颜色，再通过各熔池逐次送到喷头系统的喷头，进而可以打印全彩模型。

实施例二

一种快速成形全彩3D打印机输料系统的控制方法，该方法是先计算打印模型所需要的各种颜色的线材量；再控制进料系统的进料电机，精准控制各种颜色线材的量，最后再通过控制熔池系统的各熔池温度来逐次混合融料后送到打印喷头。

所述的“控制进料系统的进料电机，精准控制各种颜色线材的量”是通过安装在熔池系统底端的料量传感器实时监测熔池融料量，并把检测到的熔池融料量反馈给电机控制器，使电机控制器快速准确调节进料系统的进料电机，达到实时响应控制，实现闭环控制，从而能准确快速的控制进料系统的进料量。进料系统的进料量控制方法如下：

a1).进料系统的进料控制公式：

U(k)=Kp*E(k)+Q*Ki*E(k)+Z*U(k-1)/ U(k)+ E(k-1)/ E(k)+…+ Kd*[T(k-1)/T(k)+P]

其中，

U(k) -----------第k次采样时刻的计算输出结果与第k-1次采样时刻的计算输出结果之差，即控制量的增量；

k-----------------采样序列号，k=0,1,2,3…；

E(x) -------------x=k, k-1, k-2…,第k, k-1, k-2…次采样时刻输入的偏差值；

Kp-----------------比例系数；

Ki-----------------积分系数；

Kd-----------------微分系数；

T(k-1) ------------上一次料量不变保持的时间；

T(k) ----------------当前料量不变保持的时间；

Q----------------引入调整系数；

P、Z----------------引入调整参数；

b1) 调整系数Q参数如下：

当E(k)>3.35时, Q =0；

当1.65＜E(k)≤3.35时, Q=[0.97- E(k)]/0.25；

当0.75＜E(k)≤1.65时, Q=[1.46- E(k))/0.25；

当0.25＜E(k)≤0.75时, Q=[1.97- E(k)]/0.25；

当0.1＜E(k)≤0.25时, Q=[2.06- E(k)]/0.25；

当E(k)＜0.1时, Q=1；

当偏差|E|增大时，积分作用变小，当偏差|E|减小时，积分作用变大，变化与E变化有关，达到系统是自适应效果，更准确快速的控制进料量；

c1)调整参数P、Z参数如下：

当T(k-1)/T(k)>1时, P=0.1-0.5；

当T(k-1)/T(k)=1时, p=0.7-0.9；

当T(k-1)/T(k)<1时, p=1.1-1.8；

当U(k-1)/ U(k)时，Z=0.01-0.05；

当U(k-1)/ U(k)时，Z=0.08-0.11；

当U(k-1)/ U(k)时，Z=0.16-0.19；

d1)本系统采样周期T=0.5S-1S；

e1)本系统采样比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd分别为8、5、2；

f1)系统引入抗微分饱和的约束条件，使进料系统更加稳定，其中，

当△U(k-1)>△Umax时，则只累加负偏差；

当△U(k-1)<△Umin时，则只累加正偏差；

其中

△Umax----------- 增量偏差最大值；

△Umin---------- 增量偏差最小值；

g1)通过引入计算当前料量不变保持的时间和上一次料量不变保持的时间来改变偏差，使进料系统更加准确。

结合图10、图11进一步说明，经过多次的实验，图10为引入进料量控制方法前预设值为0.75CM³的进料控制曲线，进料偏差比较大，进料过多使全彩混合不均匀、材料浪费的效果；达到防止进料过少使全彩混合不均匀、模型无法完全打印的效果，模型无法完全打印又需要二次打印，导致材料的浪费、耗费更多的时间。图11为引入进料量控制方法后预设值为0.75CM³的进料控制曲线，进料控制准确稳定，全彩熔料混合不均匀。

本实施例的快速成形全彩3D打印机输料系统的控制方法中，各熔池温度的控制方法是通过温度传感器实时监测各熔池温度，并把检测到的温度反馈给控制器，使控制器快速准确调节熔池加热设备的加热系统，达到实时响应控制，实现闭环控制，从而能准确快速的控制融料温度。熔池系统的温度控制方法如下：

a2)熔池系统的温度控制公式：

△U(k)= Kp*E(k)+Q *Ki*E(k)+E(k-1)/ E(k)+…+ Kd*[T(k-1)/T(k)+P]

其中，

△U(k) -----------第k次采样时刻的计算输出结果与第k-1次采样时刻的计算输出结果之差，即控制量的增量；

k-----------------采样序列号，k=0,1,2,3…；

E(x) -------------x=k, k-1, k-2…,第k, k-1, k-2…次采样时刻输入的偏差值；

Kp-----------------比例系数；

Ki-----------------积分系数；

Kd-----------------微分系数；

T(k-1) ------------上一次温度不变保持的时间；

T(k) ----------------当前温度不变保持的时间；

Q----------------引入调整系数；

P----------------引入调整参数；

b2) 调整系数Q参数如下：

当E(k)>1.25时, Q=0；

当0.95＜E(k)≤1.25时, Q=[0.65- E(k)]/0.12；

当0.65＜E(k)≤0.95时, Q=[0.82- E(k)]/0.12；

当0.35＜E(k)≤0.65时, Q=[0.97- E(k)]/0.12；

当0.15＜E(k)≤0.35时, Q=[1.06- E(k))/0.12；

当E(k)＜0.15时, Q=1；

当偏差|E|增大时，积分作用变小，当偏差|E|减小时，积分作用变大，变化与E变化有关，达到系统是自适应效果，更准确快速的控制温度；

c2) 调整参数P参数如下：

当T(k-1)/T(k)>1时, P=0.1-0.3；

当T(k-1)/T(k)=1时,p=0.8-0.96；

当T(k-1)/T(k)<1时, p=1.2-1.7.

d2) 本系统采样周期T=1S-5S；

e2) 本系统采样比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd分别为10、8、6；

f2) 系统引入抗微分饱和的约束条件，使控制器更加稳定，其中，

当△U(k-1)>△Umax时，则只累加负偏差；

当△U(k-1)<△Umin时，则只累加正偏差；

其中，

△Umax----------- 增量偏差最大值；

△Umin---------- 增量偏差最小值；

g2)通过引入计算当前温度不变保持的时间和上一次温度不变保持的时间来改变偏差，使加热系统更加准确。

结合图8、图9进一步说明，经过多次的实验，图8为引入温度控制方法前预设值为200℃的熔池温度控制曲线，温度偏差比较大，控制不稳定，温度过高使融料碳化，导致其无法均匀混合、混合融料变质，温度过低使融料不完全融化，导致其无法通过熔池系统逐次混合送到打印喷头，或者能通过熔池系统逐次混合送到打印喷头，导致堵喷头，无法正常打印。图9为引入温度控制方法后预设值为200℃的熔池温度控制曲线，温度控制准确稳定，材料没有变质均匀混合，打印时喷头顺畅。

本实施例的快速成形全彩3D打印机输料系统的控制方法中，所述的逐次混合融料的具体过程如下：

图4为快速成形全彩3D打印机输料系统第一熔池满融料的结构示意图，图5为快速成形全彩3D打印机输料系统第二熔池满融料的结构示意图，图6为快速成形全彩3D打印机输料系统第一、三熔池满融料的结构示意图，图7为快速成形全彩3D打印机输料系统第二、四熔池满融料的结构示意图，结合图4、5、6、7对快速成形全彩3D打印机输料系统的多熔池工作的具体过程进行说明。

a3) 打开第一熔池电磁阀205、第一熔池排气管电磁阀213，关闭第二熔池电磁阀206、第三熔池电磁阀207、第四熔池电磁阀208，在第一熔池201加热混合融料，制得第一熔池融料501；

b3) 打开第二熔池电磁阀206、第二熔池排气管电磁阀214，关闭第一熔池电磁阀205、第三熔池电磁阀207、第四熔池电磁阀208，第一熔池融料501从第一熔池201进入第二熔池202再次加热混合，制得第二熔池融料502；

c3) 打开第三熔池电磁阀207、第三熔池排气管电磁阀215、第一熔池电磁阀205，关闭第二熔池电磁阀206、第四熔池电磁阀208，第二熔池融料502从第二熔池202进入第三熔池203再次加热混合，制得第三熔池融料503；同时第一熔池201又开始混合融料；

d3) 打开第四熔池电磁阀208、第四熔池排气管电磁阀216、第二熔池电磁阀206，关闭第一熔池电磁阀205、第三熔池电磁阀207，第三熔池融料503从第三熔池203进入第四熔池204再次加热混合，制得第四熔池融料；同时第一熔池融料501又进入第二熔池202；

e3) 关闭第四熔池电磁阀208、第四熔池排气管电磁阀216，打开喷头系统的喷头进料电磁阀302，第四熔池融料504均匀混合出全彩融料送到喷头系统的喷头301打印；

f3) 重复上述过程即可以均匀混合出全彩打印材料，进而输送到打印喷头打印出全彩模型。

作为本实施例二的一种变换，所述的逐次混合融料的具体过程还可以是单熔池的工作过程，图2所示的是快速成形全彩3D打印机输料系统的单一熔池，图3中所示的是快速成形全彩3D打印机输料系统的单一熔池工作过程的示意图。结合图2、图3对快速成形全彩3D打印机输料系统在单一熔池工作时的打印方法说明如下：

a4) 打开第一熔池电磁阀205、第一熔池排气管电磁阀213，关闭第二熔池电磁阀206、第三熔池电磁阀207、第四熔池电磁阀208，在第一熔池201加热混合融料，制得第一熔池融料501；

b4) 打开第二熔池电磁阀206、第二熔池排气管电磁阀214，关闭第一熔池电磁阀205、第三熔池电磁阀207、第四熔池电磁阀208，第一熔池融料从第一熔池201进入第二熔池202再次加热混合，制得第二熔池融料502；

c4) 打开第三熔池电磁阀207、第三熔池排气管电磁阀215，关闭第一熔池电磁阀205、第二熔池电磁阀206、第四熔池电磁阀208，第二熔池融料502从第二熔池202进入第三熔池206再次加热混合，制得第三熔池融料503；

d4) 打开第四熔池电磁阀208、第四熔池排气管电磁阀216，关闭第一熔池电磁阀205、第二熔池电磁阀206、第三熔池电磁阀207，第三熔池融料503从第三熔池203进入第四熔池204再次加热混合，制得第四熔池融料504；

e4) 关闭第四熔池电磁阀208、第四熔池排气管电磁阀216，打开喷头系统的喷头进料电磁阀302，第四熔池融料504均匀混合出全彩融料送到喷头系统的喷头301打印；

f4) 重复上述过程即可以均匀混合出全彩打印材料，进而输送到打印喷头打印出全彩模型。

Claims (10)

1.一种快速成形全彩3D打印机输料系统，包括喷头系统（3）、加热系统（4），其特征在于：还包括有进料系统（1）、熔池系统（2），所述的进料系统（1）与熔池系统（2）的输入端连接，熔池系统（2）的输出端与喷头系统（3）连接，加热系统（4）与熔池系统（2）相连；所述的进料系统（1）包括进料管（101）、进料电机（102）、电机控制器（103）、料量传感器（104），该进料管（101）与进料电机（102）相连，料量传感器（104）、进料电机（102）分别与电机控制器（103）连接，料量传感器（104）安装在熔池系统的底端；所述的加热系统（4）包括熔池加热设备（401）、温度传感器（402）、加热控制器（403）、喷头加热设备；熔池加热设备（401）、温度传感器（402）、喷头加热设备分别与加热控制器（403）连接。

2.根据权利要求1所述的快速成形全彩3D打印机输料系统，其特征在于：所述的进料管（101）至少为三个进料管，分别装有不同颜色的线材。

3.根据权利要求1所述的快速成形全彩3D打印机输料系统，其特征在于：所述的熔池系统（2）包括多个熔池、熔池电磁阀、熔池排气管、熔池排气管电磁阀，多个熔池依次连通在一起，第一个熔池作为熔池系统的输入端与进料系统连接，最后一个熔池作为熔池系统的输出端与喷头系统连接，熔池电磁阀可升降安装在各个熔池的上方，熔池排气管分别安装在各个熔池的顶端，熔池排气管电磁阀安装在熔池排气管上，所述的料量传感器（104）分别安装在各个熔池的底端，各熔池电磁阀、熔池排气管电磁阀分别与控制器连接。

4.根据权利要求3所述的快速成形全彩3D打印机输料系统，其特征在于：多个熔池的池底向喷头系统方向倾斜设置；各个熔池的容积小于或等于0.785立方厘米。

5.根据权利要求3所述的快速成形全彩3D打印机输料系统，其特征在于：所述的喷头系统（3）包括喷头（301）、喷头进料电磁阀（302）；所述的喷头（301）的顶端通过喷头进料电磁阀（302）与熔池系统（2）的输出端连接，喷头进料电磁阀（302）与控制器连接；所述的熔池加热设备（401）、温度传感器（402）分别设置在各个熔池的容器外壁上。

6.一种快速成形全彩3D打印机输料系统的控制方法，其特征在于：该方法是先计算打印模型所需要的各种颜色的线材量；再控制进料系统的进料电机，精准控制各种颜色线材的量，最后再通过控制熔池系统的各熔池温度来逐次混合融料后送到打印喷头。

7.根据权利要求6所述的快速成形全彩3D打印机输料系统的控制方法，其特征在于：所述的控制进料系统的进料电机，精准控制各种颜色线材的量是通过安装在熔池系统底端的料量传感器实时监测熔池融料量，并把检测到的熔池融料量反馈给电机控制器，使电机控制器快速准确调节进料系统的进料电机，达到实时响应控制，实现闭环控制，从而能准确快速的控制进料系统的进料量。

8.根据权利要求7所述的快速成形全彩3D打印机输料系统的控制方法，其特征在于：进料系统的进料量控制方法如下：

a1).进料系统的进料控制公式：

U(k)=Kp*E(k)+Q*Ki*E(k)+Z*U(k-1)/ U(k)+ E(k-1)/ E(k)+…+ Kd*[T(k-1)/T(k)+P]

其中，

U(k) -----------第k次采样时刻的计算输出结果与第k-1次采样时刻的计算输出结果之差，即控制量的增量；

k-----------------采样序列号，k=0,1,2,3…；

E(x) -------------x=k, k-1, k-2…,第k, k-1, k-2…次采样时刻输入的偏差值；

Kp-----------------比例系数；

Ki-----------------积分系数；

Kd-----------------微分系数；

T(k-1) ------------上一次料量不变保持的时间；

T(k) ----------------当前料量不变保持的时间；

Q----------------引入调整系数；

P、Z----------------引入调整参数；

b1) 调整系数Q参数如下：

当E(k)>3.35时, Q =0；

当1.65＜E(k)≤3.35时, Q=[0.97- E(k)]/0.25；

当0.75＜E(k)≤1.65时, Q=[1.46- E(k))/0.25；

当0.25＜E(k)≤0.75时, Q=[1.97- E(k)]/0.25；

当0.1＜E(k)≤0.25时, Q=[2.06- E(k)]/0.25；

当E(k)＜0.1时, Q=1；

当偏差|E|增大时，积分作用变小，当偏差|E|减小时，积分作用变大，变化与E变化有关，达到系统是自适应效果，更准确快速的控制进料量；

c1)调整参数P、Z参数如下：

当T(k-1)/T(k)>1时, P=0.1-0.5；

当T(k-1)/T(k)=1时, p=0.7-0.9；

当T(k-1)/T(k)<1时, p=1.1-1.8；

当U(k-1)/ U(k)时，Z=0.01-0.05；

当U(k-1)/ U(k)时，Z=0.08-0.11；

当U(k-1)/ U(k)时，Z=0.16-0.19；

d1)本系统采样周期T=0.5S-1S；

e1)本系统采样比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd分别为8、5、2；

f1)系统引入抗微分饱和的约束条件，使进料系统更加稳定，其中，

当△U(k-1)>△Umax时，则只累加负偏差；

当△U(k-1)<△Umin时，则只累加正偏差；

其中

△Umax----------- 增量偏差最大值；

△Umin---------- 增量偏差最小值；

g1)通过引入计算当前料量不变保持的时间和上一次料量不变保持的时间来改变偏差，使进料系统更加准确。

9.根据权利要求6所述的快速成形全彩3D打印机输料系统的控制方法，其特征在于：各熔池温度的控制方法是通过温度传感器实时监测各熔池温度，并把检测到的温度反馈给控制器，使控制器快速准确调节熔池加热设备的加热系统，达到实时响应控制，实现闭环控制，从而能准确快速的控制融料温度。

10.根据权利要求9所述的快速成形全彩3D打印机输料系统的控制方法，其特征在于：熔池系统的温度控制方法如下：

a2)熔池系统的温度控制公式：

△U(k)= Kp*E(k)+Q *Ki*E(k)+E(k-1)/ E(k)+…+ Kd*[T(k-1)/T(k)+P]

其中，

△U(k) -----------第k次采样时刻的计算输出结果与第k-1次采样时刻的计算输出结果之差，即控制量的增量；

k-----------------采样序列号，k=0,1,2,3…；

E(x) -------------x=k, k-1, k-2…,第k, k-1, k-2…次采样时刻输入的偏差值；

Kp-----------------比例系数；

Ki-----------------积分系数；

Kd-----------------微分系数；

T(k-1) ------------上一次温度不变保持的时间；

T(k) ----------------当前温度不变保持的时间；

Q----------------引入调整系数；

P----------------引入调整参数；

b2) 调整系数Q参数如下：

当E(k)>1.25时, Q=0；

当0.95＜E(k)≤1.25时, Q=[0.65- E(k)]/0.12；

当0.65＜E(k)≤0.95时, Q=[0.82- E(k)]/0.12；

当0.35＜E(k)≤0.65时, Q=[0.97- E(k)]/0.12；

当0.15＜E(k)≤0.35时, Q=[1.06- E(k))/0.12；

当E(k)＜0.15时, Q=1；

当偏差|E|增大时，积分作用变小，当偏差|E|减小时，积分作用变大，变化与E变化有关，达到系统是自适应效果，更准确快速的控制温度；

c2) 调整参数P参数如下：

当T(k-1)/T(k)>1时, P=0.1-0.3；

当T(k-1)/T(k)=1时,p=0.8-0.96；

当T(k-1)/T(k)<1时, p=1.2-1.7.

d2) 本系统采样周期T=1S-5S；

e2) 本系统采样比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd分别为10、8、6；

f2) 系统引入抗微分饱和的约束条件，使控制器更加稳定，其中，

当△U(k-1)>△Umax时，则只累加负偏差；

当△U(k-1)<△Umin时，则只累加正偏差；

其中，

△Umax----------- 增量偏差最大值；

△Umin---------- 增量偏差最小值；

g2)通过引入计算当前温度不变保持的时间和上一次温度不变保持的时间来改变偏差，使加热系统更加准确。