CN113071102A - 3d打印机耗材检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印机耗材检测装置及检测方法，该装置包括：壳体；导料通道，导料通道设置在壳体上；转动件，转动件设置在壳体上，转动件朝向导料通道的一侧穿过导料通道上的开口后位于导料通道内；第一检测件，第一检测件设置在壳体上，当导料通道内流入耗材时，转动件在耗材产生的摩擦力下转动，第一检测件用于探测转动件的脉冲信号。本申请提供的上述方案，通过在导料通道上设置转动件和第一检测件，当耗尽进入导料通道后带动转动件转动后，转动件就能够在第一检测件上产生周期性脉冲信号，通过放大电路及滤波电路处理分析脉冲频率信号，就可以实时检测到耗材是否移动进料，从而就能够及时发现进料是否出现异常。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印机技术领域，特别是涉及一种3D打印机耗材检测装置及检测方法。
背景技术
在计算机数字技术智能化的推动下，3D打印技术应用的领域越来越广，特别是FDM(“Fused Deposition Modeling”的简写形式，即为熔融沉积成型)热熔技术，越来越受到爱好者的青睐。FDM成型技术是将固态的低熔点丝状材料加热到半熔融状态，打印头吐丝成面，即为上位机软件将模型切片分割后的层，再逐层堆积成型。因此打印喷头的出料质量对3D打印的效果起着重要影响，在其整个加工过程中，耗材进丝的稳定是决定3D打印精度和表面质量的重要因素。
但是现在市面上的3D打印机大部分都是一种断料检测模块，如专利公开号CN206870376U，只能检测进料通道导料孔内是否有耗材，无法检测耗材是否在正常进料。耗材料盘缠料、耗材折断而停留在进料通道，耗材堵头而被刨料等异常无法检测。专利公开号CN207523036U通过光学成像装置检测耗材是否移动，但也未能检测耗材进料是否异常，若进料耗材打滑，进料量与实际指令输入量不一致，耗材进料速度余量等问题未能检测。专利公开号CN 107825703 A通过光栅检测耗材移动，未能检测耗材进料速度及进料量，预警耗材余量和发现耗材打滑问题。
其中耗材打滑问题为，挤出齿轮与耗材之间挤压力不足，导致进料时耗材打滑，实际进料量比挤出量低。此时断料检测到有耗材且耗材移动，但断料检测也无法探测出异常并做相应处理。此时会造成挤出不足模型打印缺料问题。缠料问题为，料盘上耗材打结，耗材被牵扯住而无法继续进入打印头正常打印，将造成缺料挤出不足等问题。此时断料检测内仍有耗材但不进料移动，故断料检测无法探测出异常并做相应处理；堵头问题为，打印头处堵头，此时断料检测到有耗材但不进料移动，断料检测也无法探测出异常并做相应处理。此时会造成挤出不足模型打印缺料问题。刨料问题为，上述缠料或堵头时，因耗材无法正常进料，也会出现挤出齿轮刨削耗材。另外若挤出齿轮温度偏高，将耗材烫软，刨削或刨断耗材，此时后续耗材也不会进入挤出打印头内。此时断料检测到有耗材但不进料移动，断料检测也无法探测出异常并做相应处理。此时会造成挤出不足模型打印缺料问题。耗材折断问题为，现有断料检测装置一般安装固定在挤出结构前端，在挤出机构和断料检测模块之间有一段间隔区，可方便耗材用完时，断料检测报警停止打印后，才能够间隔区将挤出结构剩余耗材抽取并更换耗材。但若打印中检测区耗材折断，此时后续耗材无法在挤出结构牵引下进料，而此时断料检测到有耗材但不进料移动，断料检测也无法探测出异常并做相应处理。此时会造成挤出不足模型打印缺料问题。
目前打印模型时间较长，操作人员无法时常查看打印状态，打印中若进料异常导致而未能及时处理，将损坏已打印部分，且造成耗材的极大浪费。
发明内容
基于此，有必要针对现有的3D打印机无法及时发现进料异常的问题，提供一种3D打印机耗材检测装置及检测方法。
本发明提供了一种3D打印机耗材检测装置，包括：
壳体；
导料通道，所述导料通道设置在所述壳体上；
转动件，所述转动件设置在所述壳体上，所述转动件朝向所述导料通道的一侧穿过所述导料通道上的开口后位于所述导料通道内；
第一检测件，所述第一检测件设置在所述壳体上，当所述导料通道内流入耗材时，所述转动件在所述耗材产生的摩擦力下转动，所述第一检测件用于探测所述转动件的脉冲信号。
在其中一个实施例中，所述第一检测件包括速度传感器和若干个磁性件，所述速度传感器设置在所述壳体上，若干个所述磁性件均匀分布在所述转动件的侧面。
在其中一个实施例中，所述转动件包括齿轮，所述齿轮设置在所述壳体上，所述磁性件设置在所述齿轮上的啮合齿的侧面。
在其中一个实施例中，还包括第二检测件，所述第二检测件设置在所述壳体上，用于探测料盘剩余耗材重量。
在其中一个实施例中，所述第二检测件包括压敏电阻。
本发明还提供了一种3D打印机耗材检测方法，该方法包括：
在导料通道上的开口处设置齿轮，同时在齿轮的啮合齿的侧面上均匀设置M个磁性件；
在齿轮远离导料通道的一侧设置速度传感器；
执行端引导耗材在导料通道内移动，耗材移动带动齿轮转动，齿轮上的磁性件产生周期性的磁场变化信号；
速度传感器收集磁场变化信号，并得到脉冲信号周期T；
根据脉冲信号周期T获得实际耗材进料量，并将得到实际耗材进料量发送给主控端；
主控端对比挤出指令进料量与实际耗材进料量之间的差值是否超过阈值，若没有超过阈值，则判断进料正常。
在其中一个实施例中，所述根据脉冲信号周期T获得实际耗材进料量包括：
所述速度传感器收集M个磁性件产生脉冲信号t，其中，
根据齿轮的外径D，得到齿轮的周长C；
计算一个脉冲下耗材移动距离L，其中，
n为变量脉冲个数。
在其中一个实施例中，所述在执行端引导耗材在导料通道内移动之前，该方法还包括：
主控端从切片模型中解析得到打印模型所需耗材重量；
获取实际挂载耗材重量，主控端对比实际挂载耗材重量和所需耗材重量之间的差值是否超过阈值，若没有超过阈值，则主控端正常发出挤出进料指令，若超过阈值，则主控端发出异常报警或暂停打印指令。
在其中一个实施例中，所述获取实际挂载耗材重量包括：
通过压敏电阻获取实际挂载耗材重量。
在其中一个实施例中，所述在执行端引导耗材在导料通道内移动之前，该方法还包括：
主控端从切片模型中解析得到预设耗材重量降低曲线C2；
获取实际耗材重量降低曲线C1，主控端对比实际耗材重量降低曲线C1和预设耗材重量降低曲线C2之间的差值是否超过阈值，若超过阈值，则主控端发出异常报警或暂停打印指令。
本发明的有益效果包括：
本发明通过在导料通道上设置转动件和第一检测件，当耗尽进入导料通道后带动转动件转动后，转动件就能够在第一检测件上产生周期性脉冲信号，通过放大电路及滤波电路处理分析脉冲频率信号，就可以实时检测到耗材是否移动进料，从而就能够及时发现进料是否出现异常。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的3D打印机耗材检测装置；
图2为图1的剖视图；
图3为图1中的齿轮与磁性件的连接示意图；
图4为本发明一实施例提供的3D打印机耗材检测流程示意图；
图5为本发明一实施例提供的耗材重量降低曲线相关性的示意图；
图6为本发明一实施例提供的耗材重量降低曲线非相关性的示意图。
图中标记如下：
01、壳体；10、速度传感器；101、磁性件；20、齿轮；201、啮合齿；30、导料通道；301、开口；40、耗材。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语、“水平的”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
如图1并结合图2所示，本发明一实施例中，提供了一种3D打印机耗材检测装置，包括：壳体01、导料通道30、转动件以及第一检测件，其中，导料通道30设置在壳体01上，转动件设置在壳体01上，转动件朝向导料通道30的一侧穿过导料通道30上的开口301后位于导料通道30内，第一检测件设置在壳体01上，当导料通道30内流入耗材40时，转动件在耗材40产生的摩擦力下转动，第一检测件用于探测转动件的脉冲信号。
采用上述技术方案，当耗尽进入导料通道后带动转动件转动后，转动件就能够在第一检测件上产生周期性脉冲信号，通过放大电路及滤波电路处理分析脉冲频率信号，就可以实时检测到耗材是否移动进料，从而就能够及时发现进料是否出现异常。
在一些实施例中，如图3并结合图2所示，本申请中的第一检测件包括速度传感器10和若干个磁性件101，速度传感器10设置在壳体01上，若干个磁性件101均匀分布在转动件的侧面；其中，转动件包括齿轮20，齿轮20设置在壳体01上，磁性件101设置在齿轮20上的啮合齿201的侧面。
具体地，上述速度传感器10选用霍尔元件，齿轮20选用磁性齿轮，当齿轮20旋转时，齿轮20上的啮合齿201上的齿顶齿根的凹凸变化将引起速度传感器10之间的间隙变化，利用磁电式速度传感器，即可探测到周期性脉冲电势变化，得到脉冲信号，再经过放大电路将微弱电信号放大处理，经过滤波电路排除干扰信号，检测电路分析得到周期性脉冲信号，通过放大电路及滤波电路处理分析脉冲频率信号，就可以实时检测到耗材是否移动进料，从而就能够及时发现进料是否出现异常。
进一步地，上述脉冲信号与对应齿轮20上的磁性件101的数量密切相关，如图3所示，本申请在齿轮20上的啮合齿201上均匀设置8个磁性件101(此处磁性件的个数仅为示例，不限于此数量及布置，实际为提高灵敏度，应密集布置)，即可得到8个脉冲信号t为一个周期T，
再通过齿轮外径D计算可得到齿轮周长C，从而能够得到一个脉冲下耗材移动距离L，即：
其中n为变量脉冲个数，进而就可以通过探测脉冲获得实际耗材进料量L。
当得到实际耗材进料量L时，此时，主控端从切片文件中解析可以得到打印机出进料量L1，再对比探测信号反馈得出的进料量L可得到偏差值L0，主控端预先设定正常阈值，若处理得到的偏差值L0超出正常阈值(取挤出量±10％)，则主控端分析输出进料异常结果，同时发出进料异常报警或暂停打印指令，及时停止避免不必要的损失；若处理得到的偏差值L0在正常阈值内，则表明挤出进料正常。通过此闭环反馈控制，可实时监测进料异常，提高了断料检测装置的有效性和可靠性，可有效检测耗材是否用完、耗材缠料、堵头、耗材折断、刨料等问题。
在一些实施例中，为了方便探测料盘剩余耗材重量，本申请中的3D打印机耗材检测装置还包括第二检测件，该第二检测件设置在壳体01上，用于探测料盘剩余耗材重量。
具体地，上述第二检测件包括压敏电阻，该压敏电阻安装在耗材挂载处，压敏电阻通过转换电路运算可得到当前所挂载耗材重量，打印模型前，主控端可以从切片文件中(切片模型后会在切片文档中生成此信息)解析得到打印此模型所需耗材重量；
主控端对比挂载耗材重量及所需耗材用量，可得到偏差值。主控端预先设定正常阈值，若处理得到的偏差值超出正常阈值(取值为正数，所需耗材10％以上)，则可判断得出所余耗材能否支持打印完模型，主控端也可发出相应报警提示更换耗材。若耗材足够方可正常开始打印，否则提示更换装载耗材，直到挂载耗材重量在设定阈值内，形成闭环控制，做到提前预判，避免到缺料时才发现，延误了打印时间。
本发明还提供了一种3D打印机耗材检测方法，该方法包括：
在导料通道上的开口处设置齿轮，同时在齿轮的啮合齿的侧面上均匀设置M个磁性件；
在齿轮远离导料通道的一侧设置速度传感器；
执行端引导耗材在导料通道内移动，耗材移动带动齿轮转动，齿轮上的磁性件产生周期性的磁场变化信号；
速度传感器收集磁场变化信号，并得到脉冲信号周期T；
根据脉冲信号周期T获得实际耗材进料量，并将得到实际耗材进料量发送给主控端；
主控端对比挤出指令进料量与实际耗材进料量之间的差值是否超过阈值，若没有超过阈值，则判断进料正常。
具体地，如图4并结合图2、图3所示，当整体装置装配好后，耗材移动带动磁性齿轮转动，齿轮20上的啮合齿201上的齿顶齿根的凹凸变化将引起速度传感器10之间的间隙变化，利用磁电式速度传感器，即可探测到周期性脉冲电势变化，得到脉冲信号，再经过放大电路将微弱电信号放大处理，经过滤波电路排除干扰信号，检测电路分析得到周期性脉冲信号T，然后根据脉冲信号周期T获得实际耗材进料量，并将得到实际耗材进料量发送给主控端，此时，主控端从切片文件解析到的挤出指令的进料量，主控端对比挤出指令进料量与实际耗材进料量之间的差值是否超过阈值，若没有超过阈值，则判断进料正常，若处理得到的偏差值超出正常阈值，则主控端分析输出进料异常结果，同时发出进料异常报警或暂停打印指令，及时停止避免不必要的损失。
在一些实施例中，本申请中根据脉冲信号周期T获得实际耗材进料量包括：速度传感器收集M个磁性件产生脉冲信号t，其中，
根据齿轮的外径D，得到齿轮的周长C；计算一个脉冲下耗材移动距离L，其中，
n为变量脉冲个数。
具体地，本申请在齿轮20上的啮合齿201上均匀设置8个磁性件101(此处磁性件的个数仅为示例，不限于此数量及布置，实际为提高灵敏度，应密集布置)，即可得到8个脉冲信号t为一个周期T，
再通过齿轮外径D计算可得到齿轮周长C，从而能够得到一个脉冲下耗材移动距离L，即：
其中n为变量脉冲个数，进而就可以通过探测脉冲获得实际耗材进料量L。
当得到实际耗材进料量L时，此时，主控端从切片文件中解析可以得到打印机出进料量L1，再对比探测信号反馈得出的进料量L可得到偏差值L0，主控端预先设定正常阈值，若处理得到的偏差值L0超出正常阈值(取挤出量±10％)，则主控端分析输出进料异常结果，同时发出进料异常报警或暂停打印指令，及时停止避免不必要的损失；若处理得到的偏差值L0在正常阈值内，则表明挤出进料正常。通过此闭环反馈控制，可实时监测进料异常，提高了断料检测装置的有效性和可靠性，可有效检测耗材是否用完、耗材缠料、堵头、耗材折断、刨料等问题。
在一些实施例中，本申请在执行端引导耗材在导料通道内移动之前，该方法还包括：
主控端从切片模型中解析得到打印模型所需耗材重量；
获取实际挂载耗材重量，主控端对比实际挂载耗材重量和所需耗材重量之间的差值是否超过阈值，若没有超过阈值，则主控端正常发出挤出进料指令，若超过阈值，则主控端发出异常报警或暂停打印指令。
具体地，本申请在耗材挂载处安装压敏电阻，通过转换电路运算可得到当前所挂载耗材重量，或者通过计算已用耗材重量G来得出剩余耗材重量，其中，已用耗材重量G通过所用耗材已知参数直径d，密度ρ，自由落体加速度g，即可得到已用耗材重量G：
上述式中，密度ρ，耗材直径d，齿轮周长C，落体加速度g及π为已知常量，探测变量脉冲数n即可获得已用耗材重量G，在到的已用耗材重量G后再根据所挂载耗材重量减去已用耗材重量G就可以到的剩余耗材重量；
在打印模型前，控制端可以从切片文件中(切片模型后会在切片文档中生成此信息)解析得到打印此模型所需耗材重量。控制端对比挂载耗材重量和打印此模型所需耗材重量，可得到偏差值。控制端预先设定正常阈值，若处理得到的偏差值超出正常阈值(取值为正数，所需耗材10％以上)，则可判断得出所余耗材能否支持打印完模型，控制端也可发出相应报警提示更换耗材。若耗材足够方可正常开始打印，否则提示更换装载耗材，直到挂载耗材重量在设定阈值内，形成闭环控制，做到提前预判，避免到缺料时才发现，延误了打印时间。
在一些实施例中，如图5和图6所示，本申请在执行端引导耗材在导料通道内移动之前，该方法还包括：主控端从切片模型中解析得到预设耗材重量降低曲线C2；获取实际耗材重量降低曲线C1，主控端对比实际耗材重量降低曲线C1和预设耗材重量降低曲线C2之间的差值是否超过阈值，若超过阈值，则主控端发出异常报警或暂停打印指令。
具体地，通过在耗材挂载处安装压敏电阻，可以实时检测挂载耗材重量，打印模型时也可以通过压敏电阻实时检测挂载耗材重量，得到打印模型时挂载耗材重量降低曲线C1。同时，控制端从切片文件中解析可以得到模型打印耗材消耗量，生成挤出指令中耗材重量降低曲线C2。控制端实时统计运算挂载耗材重量降低曲线C1和挤出指令中耗材重量降低曲线C2，可得到相关性偏差值C0。控制端预先设定相关性正常阈值，若处理得到的偏差值C0超出正常阈值，则判定为非相关性，控制端可发出相应异常报警提示或暂停打印指令，此时异常为实际重量减少与指令减少重量不一致，表现为耗材缠料、堵头、耗材折断、刨料等问题，可实时监测上述异常并及时处理异常，及时停止避免不必要的损失，提高了耗材检测装置的有效性和可靠性。
如图5相关性一致，t1时都表现为耗材重量稳定无变化，可判定实际进料正常。图6相关性不一致，判定为进料异常。从图6中判定t1时进料异常，挂载耗材重量无变化，而切片模型指令应为t2时耗材重量稳定，故判断进料异常，实际可能为缠料、堵头、耗材折断、刨料等问题。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种3D打印机耗材检测装置，其特征在于，包括：
壳体(01)；
导料通道(30)，贯穿设置在所述壳体(01)上；
转动件，设置在所述壳体(01)上，所述转动件朝向所述导料通道(30)的一侧穿过所述导料通道(30)上的开口(301)后位于所述导料通道(30)内；
第一检测件，所述第一检测件设置在所述壳体(01)上，当所述导料通道(30)内流入耗材(40)时，所述转动件在所述耗材(40)产生的摩擦力下转动，所述第一检测件用于探测所述转动件的脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的3D打印机耗材检测装置，其特征在于，所述第一检测件包括速度传感器(10)和若干个磁性件(101)，所述速度传感器(10)设置在所述壳体(01)上，若干个所述磁性件(101)均匀分布在所述转动件的侧面。
3.根据权利要求2所述的3D打印机耗材检测装置，其特征在于，所述转动件包括齿轮(20)，所述齿轮(20)设置在所述壳体(01)上，所述磁性件(101)设置在所述齿轮(20)上的啮合齿(201)的侧面。
4.根据权利要求1所述的3D打印机耗材检测装置，其特征在于，还包括第二检测件，所述第二检测件设置在所述壳体(01)上，用于探测料盘剩余耗材重量。
5.根据权利要求4所述的3D打印机耗材检测装置，其特征在于，所述第二检测件包括压敏电阻。
6.一种3D打印机耗材检测方法，其特征在于，该方法包括：
在导料通道上的开口处设置齿轮，同时在齿轮的啮合齿的侧面上均匀设置M个磁性件；
在齿轮远离导料通道的一侧设置速度传感器；
执行端引导耗材在导料通道内移动，耗材移动带动齿轮转动，齿轮上的磁性件产生周期性的磁场变化信号；
速度传感器收集磁场变化信号，并得到脉冲信号周期T；
根据脉冲信号周期T获得实际耗材进料量，并将得到实际耗材进料量发送给主控端；
主控端对比挤出指令进料量与实际耗材进料量之间的差值是否超过阈值，若没有超过阈值，则判断进料正常。
7.根据权利要求6所述的3D打印机耗材检测方法，其特征在于，所述根据脉冲信号周期T获得实际耗材进料量包括：
所述速度传感器收集M个磁性件产生脉冲信号t，其中，
根据齿轮的外径D，得到齿轮的周长C；
计算一个脉冲下耗材移动距离L，其中，
n为变量脉冲个数。
8.根据权利要求6所述的3D打印机耗材检测方法，其特征在于，所述在执行端引导耗材在导料通道内移动之前，该方法还包括：
主控端从切片模型中解析得到打印模型所需耗材重量；
获取实际挂载耗材重量，主控端对比实际挂载耗材重量和所需耗材重量之间的差值是否超过阈值，若没有超过阈值，则主控端正常发出挤出进料指令，若超过阈值，则主控端发出异常报警或暂停打印指令。
9.根据权利要求8所述的3D打印机耗材检测方法，其特征在于，所述获取实际挂载耗材重量包括：
通过压敏电阻获取实际挂载耗材重量。
10.根据权利要求6所述的3D打印机耗材检测方法，其特征在于，所述在执行端引导耗材在导料通道内移动之前，该方法还包括：
主控端从切片模型中解析得到预设耗材重量降低曲线C2；
获取实际耗材重量降低曲线C1，主控端对比实际耗材重量降低曲线C1和预设耗材重量降低曲线C2之间的差值是否超过阈值，若超过阈值，则主控端发出异常报警或暂停打印指令。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114179354A (zh) * | 2022-01-17 | 2022-03-15 | 深圳拓竹科技有限公司 | 导料机构和3d打印机 |
| CN117754869A (zh) * | 2024-01-09 | 2024-03-26 | 深圳市成大器科技有限公司 | 一种耗材回缠方法、耗材输送系统及3d打印机 |
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