CN112776123A - 一种复合水泥材料3d打印机系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合水泥材料3D打印机系统及其使用方法，涉及3D打印技术领域，包括3D打印机装置、控制器以及与控制器相连的伺服驱动器、水平传感器和应变片测力传感器；3D打印机装置包括机架、三轴运动机构和打印喷头，三轴运动机构搭载于机架上并与对应的伺服驱动器连接，打印喷头设于三轴运动机构上；水平传感器和应变片测力传感器安装于打印喷头上，分别检测喷口状态与打印件存放板的倾角状态和液状材料挤出量；控制器通过插补算法控制打印喷头的三轴打印路径，并根据液状材料挤出量动态控制打印喷头的运行速度，提高了打印精度和打印件力学性能，该系统在水泥材料成型方面做到依据工作环境的变化做出适应性调整，具有较好的鲁棒性。

Description

一种复合水泥材料3D打印机系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其是一种复合水泥材料3D打印机系统及其使用方法。

背景技术

3D打印机作为一种低成本、高密节能、机动灵活、快速部署的材料成型设备，已经得到广泛的应用。复合材料制造是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术。随着复合材料制造装备、成型工艺等技术发展越来越成熟，近年来建筑类复合材料制造在工业领域得到了广泛的应用。

传统的3D打印机，喷头与托板的垂直度较高，复合水泥材料或普通水泥材料的打印件通常置于室外或者普通地面上，喷头与地面的垂直度极大的依赖3D打印机自身的安装水平度，喷头的垂直度影响喷头喷出的水泥外形尺寸，进而影响到水泥的堆积层高。而且传统的3D打印机的喷头运行速度不可控，导致打印的水泥制品力学强度及层与层之间的粘接性不满足打印要求。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种复合水泥材料3D打印机系统及其使用方法，本发明的技术方案如下：

一种复合水泥材料3D打印机系统，包括3D打印机装置、控制器以及与控制器相连的直流稳压电源、伺服驱动器、水平传感器和应变片测力传感器；直流稳压电源还分别连接水平传感器和应变片测力传感器用于提供电源；3D打印机装置包括机架、三轴运动机构、打印喷头和打印件存放板，三轴运动机构搭载于机架上并与对应的伺服驱动器控制连接，打印喷头设于三轴运动机构上，打印件存放板置于三轴运动机构和打印喷头的下方，用于存放水泥打印件；水平传感器和应变片测力传感器安装于打印喷头上，水平传感器用于检测喷口状态与打印件存放板的倾角状态，应变片测力传感器用于测量液状材料挤出量；控制器中集成有SCP控制器，SCP控制器通过插补算法控制打印喷头的三轴打印路径，SCP控制器根据液状材料挤出量动态控制伺服驱动器进而控制打印喷头的运行速度。

其进一步的技术方案为，SCP控制器根据液状材料挤出量动态控制伺服驱动器进而控制打印喷头的运行速度，包括：

SCP控制器基于位置式PID模型，则位置式PID模型一阶导数的后向差分近似方程为：

其中，t代表当前时刻，T代表测定的变化规律，j为求和函数中的起始求和位置，k代表各个时刻，e(t)为当前时刻实际误差；

离散点数学模型为：

其中，k_p、k_i、k_d分别代表比例系数、积分系数、微分系数，e(k)代表当前时刻误差，e(j)代表积分历史各时刻误差，T_p、T_D分别代表积分环节参数、微分环节参数；

设t_p时刻液状材料挤出量的被估计状态为X_p，应变片测力传感器受系统噪声序列W_p-1驱动，驱动机理由下述状态方程描述为：

X_p＝Φ_p,p-1X_p-1+Γ_p-1W_p-1 (3)

其中，X_p-1为t_p-1时刻的液状材料挤出量，Φ_p,p-1为t_p-1时刻至t_p时刻的一步转移概率矩阵，Γ_p-1为系统噪声序列的方差矩阵；

液状材料挤出量满足线性关系，量测方程为：

Z_p＝H_pX_p+V_p (4)

其中，H_p为量测矩阵，V_p为量测噪声序列；

其中，E[·]代表对应数列的数学期望，W_p为系统激励噪声序列，W_j为历史时刻系统激励噪声序列，Q_p为系统噪声序列的方差阵，并假设为非负定矩阵，R_p为量测噪声序列的方差矩阵，并假设为正定矩阵，V_j为历史时刻量测噪声序列，δ_pj为克罗内克符号，若p＝j时，δ_pj＝1，若p≠j时，δ_pj＝0；

由式(3)-式(5)得到的应变片测力传感器的被估计状态的估计如下：

状态一步：

状态估计：

滤波增益：

一步预测均方差：

估计均方差：

其中，

为X当前时刻与上一时刻的状态估计，K_p为另一比例系数，P_p/(p-1)为当前时刻与上一时刻的比例系数，P_p为当前时刻比例系数矩阵，I为单位矩阵；

此时，应变片测力传感器的被估计状态已完成滤波，对于打印喷头的运行速度SCP控制器的控制策略为：

打印喷头包括停止进料状态与进料状态，停止进料状态分为两种情况，情况一)控制打印喷头的c轴电机运行速度实现继续打印状态，情况二)控制c轴电机达到最大运行速度，需要减速x轴伺服电机和y轴伺服电机的运动状态，以实现继续打印状态；

设t_p时刻的c轴电机的最大运行速度为S_max，目标每次时间间隔液状材料挤出量为m_p，当前实际每次时间间隔液状材料挤出量为X_p，进料误差为e(p)，x轴伺服电机和y轴伺服电机的目标运行速度分别为V_x、V_y，x轴伺服电机和y轴伺服电机的原有运行速度分别为V_xo、V_yo，比例系数为k_xy，c轴电机的运行速度为V_c，则有：

其中，k₁代表c轴电机速度比例系数，k₂代表c轴电机速度积分系数，k₃代表c轴电机速度微分速度，k₄代表xy轴伺服电机速度调整系数计算比例系数，k₅代表xy轴伺服电机速度调整系数计算积分系数，k₆代表xy轴伺服电机速度调整系数计算微分系数，m_j为历史各时刻液状材料挤出量。

其进一步的技术方案为，三轴运动机构包括x轴传动机构和x轴伺服电机、y轴传动机构和y轴伺服电机、z轴传动机构和z轴伺服电机、c轴电机；x轴传动机构沿机架的x轴方向设置，并与x轴伺服电机连接，y轴传动机构与x轴传动机构沿xy平面垂直设置，并与y轴伺服电机连接，y轴传动机构在x轴传动机构上沿x轴方向水平移动，z轴传动机构与x轴传动机构、y轴传动机构沿z轴方向垂直设置，并与z轴伺服电机连接，z轴传动机构在y轴传动机构上沿y轴方向水平移动，打印喷头设于z轴传动机构上，并沿z轴方向上下移动；各轴伺服电机、c轴电机均与伺服驱动器控制连接，c轴电机与打印喷头的进料部位连接，SCP控制器通过c轴电机控制打印喷头的运行速度。

其进一步的技术方案为，x轴传动机构包括两个x轴方向导轨、x轴滚珠丝杠和x轴联轴器，x轴方向导轨和x轴滚珠丝杠的两端均设于沿x轴方向的机架上，且两个x轴方向导轨相对设置，x轴滚珠丝杠的一端通过x轴联轴器与x轴伺服电机连接；y轴传动机构包括y轴方向导轨、y轴滚珠丝杠和y轴联轴器，y轴方向导轨和y轴滚珠丝杠设于机架的y轴支撑横梁上，y轴支撑横梁沿y轴方向分布，y轴支撑横梁的两端分别位于两个x轴方向导轨上且y轴支撑横梁套设于x轴滚珠丝杠，y轴滚珠丝杠的一端通过y轴联轴器与y轴伺服电机连接；z轴传动机构包括z轴方向光轴、z轴滚珠丝杠、z轴联轴器和z轴支撑架，z轴方向光轴和z轴滚珠丝杠设于沿z轴方向分布的z轴支撑架上，z轴支撑架位于y轴方向导轨上且套设于y轴滚珠丝杠，z轴滚珠丝杠的一端通过z轴联轴器与z轴伺服电机连接，打印喷头位于z轴方向光轴上且套设于z轴滚珠丝杠；各轴方向导轨和z轴方向光轴用于限制各轴运动轨迹，各轴伺服电机的电机轴上还设有编码器，编码器连接伺服驱动器，用于反馈各轴伺服电机的运行位置。

其进一步的技术方案为，系统还包括与控制器相连的接近开关，接近开关分别安装于各轴传动机构的设定极限位置处，用于限制三轴运动机构的运动位置。

其进一步的技术方案为，系统还包括与控制器相连的温度传感器，温度传感器安装于打印喷头上，温度传感器用于检测环境温度。

其进一步的技术方案为，系统还包括与控制器相连的显示器面板和键盘鼠标，显示器面板用于显示系统的实时打印数据，实时打印数据包括水泥打印件名称、水泥打印件结构、当前打印喷头坐标位置、当前打印使用时间、当前液状材料用量和当前各个传感器检测结果，配合键盘鼠标还用于创建所需复合材料打印件的基础信息。

一种复合水泥材料3D打印机系统的使用方法，包括如下步骤：

启动控制器中SCP控制器程序，启动显示器面板的控制界面；

获取伺服驱动器通过编码器反馈的各轴伺服电机上一次运行位置、水平传感器和温度传感器的状态；

判断当前喷口状态与打印件存放板的倾角状态是否超过设置范围：

若是则判断是继续打印还是调整3D打印机装置的机械安装，若继续打印则执行判断当前温度范围是否处于适宜水泥打印的温度范围的步骤，若调整3D打印机装置的机械安装，则按照显示器面板提供的调整方案进行安装，重新执行判断当前喷口状态与打印件存放板的倾角状态是否超过设置范围的步骤；

否则判断当前温度范围是否处于适宜水泥打印的温度范围：

若是则执行获取待打印水泥零件模型的步骤，否则系统进行报警，并判断是否开始强制水泥打印，若是则执行获取待打印水泥零件模型的步骤，否则直到监测的当前温度范围处于适宜水泥打印的温度范围内时执行获取待打印水泥零件模型的步骤；

获取待打印水泥零件模型，选择从上一次运行位置开始继续打印，或者重新开始从原点开始水泥打印相关任务；

启动各轴伺服电机，控制器根据待打印水泥零件模型控制打印喷头的三轴打印路径，并根据应变片测力传感器采集的液状材料实时挤出量动态控制打印喷头的运行速度；

循环检测各个传感器状态并通过显示器面板显示实时打印数据，根据传感器状态制定每层打印间隔时间；

水泥打印件完成，停止打印工作，并记录各轴伺服电机当前运行位置。

本发明的有益技术效果是：

通过在打印喷头处设置水平传感器、应变片测力传感器和温度传感器，可以检测喷口状态与打印件存放板是否处于水平位置，保证打印过程处于液状材料适宜打印的温度，提高了水泥打印件的精度和打印件力学性能，该系统在水泥材料成型方面做到依据工作环境的变化做出适应性调整，具有较好的鲁棒性；控制器中集成的SCP控制器不仅能够控制打印喷头的三轴打印路径，还根据应变片测力传感器测得的液状材料挤出量控制打印喷头的运行速度，从而改善水泥打印件的精细度；该系统通过3D打印机装置实现三轴打印，通过编码器反馈各轴伺服电机当前运行位置，当存在意外断电或者停机复位时，可以选择重新启动或者继续上一次未完成的打印位置继续打印，实现打印大型零件的灵活可操控性，提高打印的成功率，并且节约能源。

附图说明

图1是本申请提供的复合水泥材料3D打印机系统的原理示意图。

图2是本申请提供的3D打印机装置的结构示意图。

图3是本申请提供的3D打印机装置的另一视角的结构示意图。

图4是本申请提供的复合水泥材料3D打印机系统的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

结合图1-图3所示，复合水泥材料3D打印机系统包括3D打印机装置、控制器1以及与控制器1相连的直流稳压电源2、伺服驱动器3、水平传感器4和应变片测力传感器5。可选的，还包括与控制器1相连的接近开关6、温度传感器7、显示器面板8、键盘鼠标9和其他辅助设备。直流稳压电源2还分别连接水平传感器4和应变片测力传感器5用于提供电源，可选的，还连接其他需要用电的传感器或设备为其供电。

3D打印机装置包括机架111、三轴运动机构、打印喷头112和打印件存放板113，可选的，还包括把手118、支撑轮119和固定位置挡板120。三轴运动机构搭载于机架111上并与对应的伺服驱动器3控制连接，打印喷头112设于三轴运动机构上，打印件存放板113置于三轴运动机构和打印喷头112的下方，用于存放水泥打印件。把手118设于打印件存放板113的侧边，四个支撑轮119分别位于打印件存放板113下表面四个边角处，使打印件存放板113可以移动，便于拿取水泥打印件，固定位置挡板120位于打印件存放板113某一边角处，起到隔离防护的作用。

三轴运动机构包括x轴传动机构和x轴伺服电机114、y轴传动机构和y轴伺服电机115、z轴传动机构和z轴伺服电机116、c轴电机117。x轴传动机构沿机架111的x轴方向设置，并与x轴伺服电机114连接，y轴传动机构与x轴传动机构沿xy平面垂直设置，并与y轴伺服电机115连接，y轴传动机构在x轴传动机构上沿x轴方向水平移动，z轴传动机构与x轴传动机构、y轴传动机构沿z轴方向垂直设置，并与z轴伺服电机116连接，z轴传动机构在y轴传动机构上沿y轴方向水平移动，打印喷头112设于z轴传动机构上，并沿z轴方向上下移动。各轴伺服电机114-116、c轴电机117均与伺服驱动器3控制连接，c轴电机117与打印喷头112的进料部位连接，SCP控制器通过c轴电机117控制打印喷头112的运行速度。

具体的，x轴传动机构包括两个x轴方向导轨121、x轴滚珠丝杠122和x轴联轴器123，x轴方向导轨121和x轴滚珠丝杠122的两端均设于沿x轴方向的机架111上，且两个x轴方向导轨121相对设置，x轴滚珠丝杠122的一端通过x轴联轴器123与x轴伺服电机114连接。y轴传动机构包括y轴方向导轨131、y轴滚珠丝杠132和y轴联轴器133，y轴方向导轨131和y轴滚珠丝杠132设于机架111的y轴支撑横梁134上，y轴支撑横梁134沿y轴方向分布，y轴支撑横梁134的两端分别位于两个x轴方向导轨121上且y轴支撑横梁134套设于x轴滚珠丝杠122，y轴滚珠丝杠132的一端通过y轴联轴器133与y轴伺服电机115连接。z轴传动机构包括z轴方向光轴141、z轴滚珠丝杠142、z轴联轴器143和z轴支撑架144，可选的，还包括z轴传动台145和z轴支撑件146，z轴方向光轴141和z轴滚珠丝杠142设于沿z轴方向分布的z轴支撑架144上，z轴传动台145套设于z轴方向光轴141上，并与z轴支撑件146固定连接，z轴支撑架144通过z轴支撑件146位于y轴方向导轨131上且套设于y轴滚珠丝杠132，z轴滚珠丝杠142的一端通过z轴联轴器143与z轴伺服电机116连接，打印喷头112位于z轴方向光轴141上且套设于z轴滚珠丝杠142。各轴方向导轨121、131和z轴方向光轴141用于限制各轴运动轨迹，各轴伺服电机114-116的电机轴上还设有编码器14，编码器14连接伺服驱动器3，用于反馈各轴伺服电机114-116的运行位置，当存在意外断电或者停机复位时，可以选择重新启动或者继续上一次未完成的打印位置继续打印，实现打印大型零件的灵活可操控性，提高打印的成功率，并且节约能源。

三轴运动机构的工作原理为：x轴伺服电机114通过旋转的方式控制x轴滚珠丝杠122转动，进而带动y轴支撑横梁134在x轴方向导轨121上沿x轴方向跟随运动。y轴伺服电机115通过旋转的方式控制y轴滚珠丝杠132转动，进而带动z轴支撑架144在y轴方向导轨131上沿y轴方向跟随运动。z轴伺服电机115通过旋转的方式控制z轴滚珠丝杠142转动，进而带动打印喷头112在z轴方向光轴141上沿z轴方向跟随运动，实现打印喷头112的xyz三轴打印路径的移动。

水平传感器4、应变片测力传感器5和温度传感器7均安装于打印喷头112上，水平传感器4用于检测喷口状态与打印件存放板113的倾角状态，应变片测力传感器5用于测量液状材料挤出量，温度传感器7用于检测环境温度，保证打印过程处于液状材料适宜打印的温度，提高了水泥打印件的精度和打印构件力学性能，该系统在水泥材料成型方面做到依据工作环境的变化做出适应性调整，具有鲁棒性。水平传感器4基于秘仕HVT110T型号实现，应变片测力传感器6基于BUFFSON SMF-103型号实现，温度传感器7基于WEISI TS-FTM01型号实现。接近开关6分别安装于各轴传动机构的设定极限位置处，具体分别设于各轴的方向导轨121、131和z轴方向光轴141的设定极限位置处(图中未示出)，用于限制三轴运动机构的运动位置。显示器面板8用于显示系统的实时打印数据，实时打印数据包括水泥打印件名称、水泥打印件结构、当前打印喷头坐标位置、当前打印使用时间、当前液状材料用量和当前各个传感器检测结果，配合键盘鼠标9还用于创建所需复合材料打印件的基础信息。其他辅助设备包括与控制器1相连的指示灯10、风扇12和日光灯13，在环境温度、倾角状态等不满足打印状态时指示灯10显示黄色用于提示工作人员强制打印可能会出现意外情况；风扇12用于给控制器1、伺服驱动器3散热，日光灯13用于给安装了控制器1的电气柜照明使用。需要说明的是，本申请采用的其他传感器或设备均为现有模组，在此不详细介绍其内部结构。

本申请的控制器1基于NC610系列实现，通过获取各个传感器采集的当前状态数据，判定当前状态是否满足复合水泥材料3D打印的基本运行条件，其中集成有SCP控制器，SCP控制器通过插补算法控制打印喷头112的三轴打印路径，插补算法是指通过读取待打印水泥零件模型的点坐标信息，计算中间路径中的各个点位置，密化各轴运动轨迹，进而精准有效的控制水泥材料进出料与打印路径的精准度，改善水泥打印件的精细度。SCP控制器还根据液状材料挤出量动态控制各轴伺服驱动器3进而控制打印喷头112的运行速度。

具体的，SCP控制器基于位置式PID模型，则位置式PID模型一阶导数的后向差分近似方程为：

其中，t代表当前时刻，T代表测定的变化规律，j为求和函数中的起始求和位置，k代表各个时刻，e(t)为实际误差。

离散点数学模型为：

其中，k_p、k_i、k_d分别代表比例系数、积分系数、微分系数，e(k)代表当前时刻误差，e(j)代表积分历史各时刻误差，T_p、T_D分别代表积分环节参数、微分环节参数。

设t_p时刻液状材料挤出量的被估计状态为X_p，应变片测力传感器5受系统噪声序列W_p-1驱动，驱动机理由下述状态方程描述为：

X_p＝Φ_p,p-1X_p-1+Γ_p-1W_p-1 (3)

其中，X_p-1为t_p-1时刻的液状材料挤出量，Φ_p,p-1为t_p-1时刻至t_p时刻的一步转移概率矩阵，Γ_p-1为系统噪声序列的方差矩阵；

液状材料挤出量满足线性关系，量测方程为：

Z_p＝H_pX_p+V_p (4)

其中，H_p为量测矩阵，V_p为量测噪声序列；

其中，E[·]代表对应数列的数学期望，W_p为系统激励噪声序列，W_j为历史时刻系统激励噪声序列，Q_p为系统噪声序列的方差阵，并假设为非负定矩阵，R_p为量测噪声序列的方差矩阵，并假设为正定矩阵，V_j为历史时刻量测噪声序列，δ_pj为克罗内克符号，若p＝j时，δ_pj＝1，若p≠j时，δ_pj＝0；

由式(3)-式(5)得到的应变片测力传感器5的被估计状态的估计如下：

状态一步：

状态估计：

滤波增益：

一步预测均方差：

估计均方差：

其中，

为X当前时刻与上一时刻的状态估计，K_p为另一比例系数，P_p/(p-1)为当前时刻与上一时刻的比例系数，P_p为当前时刻比例系数矩阵，I为单位矩阵。

此时，应变片测力传感器5的被估计状态已完成滤波，对于打印喷头112的运行速度SCP控制器的控制策略为：

打印喷头112包括停止进料状态与进料状态，停止进料状态分为两种情况，情况一)控制打印喷头112的c轴电机117运行速度实现继续打印状态，情况二)控制c轴电机117达到最大运行速度，需要减速x轴伺服电机114和y轴伺服电机115的运动状态，以实现继续打印状态；

设t_p时刻的c轴电机117的最大运行速度为S_max，目标每次时间间隔液状材料挤出量为m_p，当前实际每次时间间隔液状材料挤出量为X_p，进料误差为e(p)，x轴伺服电机114和y轴伺服电机115的目标运行速度分别为V_x、V_y，x轴伺服电机114和y轴伺服电机115的原有运行速度分别为V_xo、V_yo，比例系数为k_xy，c轴电机117的运行速度为V_c，则有：

其中，k₁代表c轴电机速度比例系数，k₂代表c轴电机速度积分系数，k₃代表c轴电机速度微分速度，k₄代表xy轴伺服电机速度调整系数计算比例系数，k₅代表xy轴伺服电机速度调整系数计算积分系数，k₆代表xy轴伺服电机速度调整系数计算微分系数，m_j为历史各时刻液状材料挤出量。

本申请还公开了一种复合水泥材料3D打印机系统的使用方法，其流程图如图4所示，适用于上述系统，使用方法包括如下步骤：

步骤1：启动控制器1中SCP控制器程序，启动显示器面板8的控制界面。

步骤2：获取伺服驱动器3通过编码器14反馈的各轴伺服电机上一次运行位置、水平传感器4和温度传感器7的状态。

步骤3：判断当前喷口状态与打印件存放板113的倾角状态是否超过设置范围：

若是则判断是继续打印还是调整3D打印机装置的机械安装，若继续打印则执行判断当前温度范围是否处于适宜水泥打印的温度范围的步骤，若调整3D打印机装置的机械安装，则按照显示器面板8提供的调整方案进行安装，重新执行判断当前喷口状态与打印件存放板113的倾角状态是否超过设置范围的步骤。

否则进入步骤4。

步骤4：判断当前温度范围是否处于适宜水泥打印的温度范围：

若是则执行获取待打印水泥零件模型的步骤，否则系统进行报警，并判断是否开始强制水泥打印，若是则执行获取待打印水泥零件模型的步骤，否则直到监测的当前温度范围处于适宜水泥打印的温度范围内时执行获取待打印水泥零件模型的步骤。

步骤5：获取待打印水泥零件模型，选择从上一次运行位置开始继续打印，或者重新开始从原点开始水泥打印相关任务。

可选的，获取待打印水泥零件模型包括：将u盘插入控制器usb接口，读取u盘中的待打印水泥零件模型，或者通过显示器面板8和键盘鼠标9配合创建待打印水泥零件模型的基础信息。

步骤6：启动各轴伺服电机114-116，控制器1根据待打印水泥零件模型控制打印喷头112的三轴打印路径，并根据应变片测力传感器5采集的液状材料实时挤出量动态控制打印喷头112的运行速度。

步骤7：循环检测各个传感器状态并通过显示器面板8显示实时打印数据，根据传感器状态制定每层打印间隔时间。

步骤8：水泥打印件完成，停止打印工作，并记录各轴伺服电机114-116当前运行位置。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合水泥材料3D打印机系统，其特征在于，包括3D打印机装置、控制器以及与所述控制器相连的直流稳压电源、伺服驱动器、水平传感器和应变片测力传感器；所述直流稳压电源还分别连接所述水平传感器和应变片测力传感器用于提供电源；所述3D打印机装置包括机架、三轴运动机构、打印喷头和打印件存放板，所述三轴运动机构搭载于所述机架上并与对应的所述伺服驱动器控制连接，所述打印喷头设于所述三轴运动机构上，所述打印件存放板置于所述三轴运动机构和打印喷头的下方，用于存放水泥打印件；所述水平传感器和应变片测力传感器安装于所述打印喷头上，所述水平传感器用于检测喷口状态与打印件存放板的倾角状态，所述应变片测力传感器用于测量液状材料挤出量；所述控制器中集成有SCP控制器，所述SCP控制器通过插补算法控制所述打印喷头的三轴打印路径，所述SCP控制器根据所述液状材料挤出量动态控制所述伺服驱动器进而控制所述打印喷头的运行速度。

2.根据权利要求1所述的复合水泥材料3D打印机系统，其特征在于，所述SCP控制器根据所述液状材料挤出量动态控制所述伺服驱动器进而控制所述打印喷头的运行速度，包括：

所述SCP控制器基于位置式PID模型，则位置式PID模型一阶导数的后向差分近似方程为：

其中，t代表当前时刻，T代表测定的变化规律，j为求和函数中的起始求和位置，k代表各个时刻，e(t)为当前时刻实际误差；

离散点数学模型为：

其中，k_p、k_i、k_d分别代表比例系数、积分系数、微分系数，e(k)代表当前时刻误差，e(j)代表积分历史各时刻误差，T_p、T_D分别代表积分环节参数、微分环节参数；

设t_p时刻液状材料挤出量的被估计状态为X_p，所述应变片测力传感器受系统噪声序列W_p-1驱动，驱动机理由下述状态方程描述为：

X_p＝Φ_p,p-1X_p-1+Γ_p-1W_p-1 (3)

其中，X_p-1为t_p-1时刻的液状材料挤出量，Φ_p,p-1为t_p-1时刻至t_p时刻的一步转移概率矩阵，Γ_p-1为系统噪声序列的方差矩阵；

所述液状材料挤出量满足线性关系，量测方程为：

Z_p＝H_pX_p+V_p (4)

其中，H_p为量测矩阵，V_p为量测噪声序列；

其中，E[·]代表对应数列的数学期望，W_p为系统激励噪声序列，W_j为历史时刻系统激励噪声序列，Q_p为系统噪声序列的方差阵，并假设为非负定矩阵，R_p为量测噪声序列的方差矩阵，并假设为正定矩阵，V_j为历史时刻量测噪声序列，δ_pj为克罗内克符号，若p＝j时，δ_pj＝1，若p≠j时，δ_pj＝0；

由式(3)-式(5)得到的应变片测力传感器的被估计状态的估计如下：

状态一步：

状态估计：

滤波增益：

一步预测均方差：

估计均方差：

其中，

为X当前时刻与上一时刻的状态估计，K_p为另一比例系数，P_p/(p-1)为当前时刻与上一时刻的比例系数，P_p为当前时刻比例系数矩阵，I为单位矩阵；

此时，所述应变片测力传感器的被估计状态已完成滤波，对于所述打印喷头的运行速度所述SCP控制器的控制策略为：

所述打印喷头包括停止进料状态与进料状态，所述停止进料状态分为两种情况，情况一)控制所述打印喷头的c轴电机运行速度实现继续打印状态，情况二)控制c轴电机达到最大运行速度，需要减速x轴伺服电机和y轴伺服电机的运动状态，以实现继续打印状态；

设t_p时刻的所述c轴电机的最大运行速度为S_max，目标每次时间间隔液状材料挤出量为m_p，当前实际每次时间间隔液状材料挤出量为X_p，进料误差为e(p)，x轴伺服电机和y轴伺服电机的目标运行速度分别为V_x、V_y，x轴伺服电机和y轴伺服电机的原有运行速度分别为V_xo、V_yo，比例系数为k_xy，c轴电机的运行速度为V_c，则有：

其中，k₁代表c轴电机速度比例系数，k₂代表c轴电机速度积分系数，k₃代表c轴电机速度微分速度，k₄代表xy轴伺服电机速度调整系数计算比例系数，k₅代表xy轴伺服电机速度调整系数计算积分系数，k₆代表xy轴伺服电机速度调整系数计算微分系数，m_j为历史各时刻液状材料挤出量。

3.根据权利要求1所述的复合水泥材料3D打印机系统，其特征在于，所述三轴运动机构包括x轴传动机构和x轴伺服电机、y轴传动机构和y轴伺服电机、z轴传动机构和z轴伺服电机、c轴电机；所述x轴传动机构沿所述机架的x轴方向设置，并与所述x轴伺服电机连接，所述y轴传动机构与所述x轴传动机构沿xy平面垂直设置，并与所述y轴伺服电机连接，所述y轴传动机构在所述x轴传动机构上沿x轴方向水平移动，所述z轴传动机构与所述x轴传动机构、y轴传动机构沿z轴方向垂直设置，并与所述z轴伺服电机连接，所述z轴传动机构在所述y轴传动机构上沿y轴方向水平移动，所述打印喷头设于所述z轴传动机构上，并沿z轴方向上下移动；各轴伺服电机、c轴电机均与所述伺服驱动器控制连接，所述c轴电机与所述打印喷头的进料部位连接，所述SCP控制器通过所述c轴电机控制所述打印喷头的运行速度。

4.根据权利要求3所述的复合水泥材料3D打印机系统，其特征在于，所述x轴传动机构包括两个x轴方向导轨、x轴滚珠丝杠和x轴联轴器，所述x轴方向导轨和x轴滚珠丝杠的两端均设于沿x轴方向的所述机架上，且两个所述x轴方向导轨相对设置，所述x轴滚珠丝杠的一端通过所述x轴联轴器与所述x轴伺服电机连接；所述y轴传动机构包括y轴方向导轨、y轴滚珠丝杠和y轴联轴器，所述y轴方向导轨和y轴滚珠丝杠设于所述机架的y轴支撑横梁上，所述y轴支撑横梁沿y轴方向分布，所述y轴支撑横梁的两端分别位于两个x轴方向导轨上且所述y轴支撑横梁套设于所述x轴滚珠丝杠，所述y轴滚珠丝杠的一端通过所述y轴联轴器与所述y轴伺服电机连接；所述z轴传动机构包括z轴方向光轴、z轴滚珠丝杠、z轴联轴器和z轴支撑架，所述z轴方向光轴和z轴滚珠丝杠设于沿z轴方向分布的所述z轴支撑架上，所述z轴支撑架位于所述y轴方向导轨上且套设于所述y轴滚珠丝杠，所述z轴滚珠丝杠的一端通过所述z轴联轴器与所述z轴伺服电机连接，所述打印喷头位于所述z轴方向光轴上且套设于所述z轴滚珠丝杠；各轴方向导轨和z轴方向光轴用于限制各轴运动轨迹，各轴伺服电机的电机轴上还设有编码器，所述编码器连接所述伺服驱动器，用于反馈各轴伺服电机的运行位置。

5.根据权利要求3所述的复合水泥材料3D打印机系统，其特征在于，系统还包括与所述控制器相连的接近开关，所述接近开关分别安装于各轴传动机构的设定极限位置处，用于限制所述三轴运动机构的运动位置。

6.根据权利要求1所述的复合水泥材料3D打印机系统，其特征在于，系统还包括与所述控制器相连的温度传感器，所述温度传感器安装于所述打印喷头上，所述温度传感器用于检测环境温度。

7.根据权利要求1所述的复合水泥材料3D打印机系统，其特征在于，系统还包括与所述控制器相连的显示器面板和键盘鼠标，所述显示器面板用于显示所述系统的实时打印数据，所述实时打印数据包括水泥打印件名称、水泥打印件结构、当前打印喷头坐标位置、当前打印使用时间、当前液状材料用量和当前各个传感器检测结果，配合所述键盘鼠标还用于创建所需复合材料打印件的基础信息。

8.一种复合水泥材料3D打印机系统的使用方法，其特征在于，适用于权利要求1-7任一所述的系统，所述使用方法包括：

启动控制器中SCP控制器程序，启动显示器面板的控制界面；

获取伺服驱动器通过编码器反馈的各轴伺服电机上一次运行位置、水平传感器和温度传感器的状态；

判断当前喷口状态与打印件存放板的倾角状态是否超过设置范围：

若是则判断是继续打印还是调整3D打印机装置的机械安装，若继续打印则执行判断当前温度范围是否处于适宜水泥打印的温度范围的步骤，若调整3D打印机装置的机械安装，则按照所述显示器面板提供的调整方案进行安装，重新执行所述判断当前喷口状态与打印件存放板的倾角状态是否超过设置范围的步骤；

否则判断当前温度范围是否处于适宜水泥打印的温度范围：

若是则执行获取待打印水泥零件模型的步骤，否则系统进行报警，并判断是否开始强制水泥打印，若是则执行获取待打印水泥零件模型的步骤，否则直到监测的当前温度范围处于适宜水泥打印的温度范围内时执行获取待打印水泥零件模型的步骤；

获取待打印水泥零件模型，选择从所述上一次运行位置开始继续打印，或者重新开始从原点开始水泥打印相关任务；

启动各轴伺服电机，所述控制器根据所述待打印水泥零件模型控制所述打印喷头的三轴打印路径，并根据应变片测力传感器采集的液状材料实时挤出量动态控制打印喷头的运行速度；

循环检测各个传感器状态并通过所述显示器面板显示实时打印数据，根据所述传感器状态制定每层打印间隔时间；

水泥打印件完成，停止打印工作，并记录各轴伺服电机当前运行位置。

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