基于聲發(fā)射的熔融沉積成型3d打印監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)與過(guò)程監(jiān)控領(lǐng)域，特別涉及一種基于聲發(fā)射傳感器的熔融沉積成型3D打印監(jiān)控系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]3D打印技術(shù)又稱(chēng)快速原型(Rapid Pr o t o t y p e )或增材制造(Add i t i v emanufacturing)技術(shù)，根據(jù)成型方式的不同分為選擇性激光燒結(jié)(SLS)，恪融沉積成型(FDM)，光固化成型(SLA)，疊層實(shí)體成型(LOM)等。FDM與SLA、L0M、SLS的區(qū)別在于FDM沒(méi)有采用激光系統(tǒng)。FDM是將絲狀的熱熔性材料(熱熔絲)加熱熔化，并在送絲機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，從一個(gè)帶有微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來(lái)。FDM打印機(jī)的打印噴頭受計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)水平分層數(shù)據(jù)做二維平面運(yùn)動(dòng)。熱熔絲熔化后從噴嘴噴出，沉積在打印機(jī)的工作臺(tái)或者前一層已固化的材料上，在溫度低于固化溫度后開(kāi)始固化，每一層截面完成后，通過(guò)移動(dòng)打印噴頭或工作臺(tái)，繼續(xù)進(jìn)行下一層的打印，如此重復(fù)，通過(guò)材料的層層堆積形成最終成品。每層截面的厚度越薄，打印的時(shí)間越長(zhǎng)，打印的精度越高。
[0003]現(xiàn)有熔融沉積成型3D打印機(jī)的缺點(diǎn)主要在于:打印過(guò)程的穩(wěn)定性和打印出來(lái)產(chǎn)品質(zhì)量的一致性較差，且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)打印過(guò)程的閉環(huán)監(jiān)控，從而在打印過(guò)程中，無(wú)法檢測(cè)并識(shí)別出例如工件翹離工作臺(tái)和工件嚴(yán)重收縮變形等典型故障與失效模式并及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)與識(shí)別在熔融沉積成型3D打印過(guò)程中出現(xiàn)的故障與失效模式，并實(shí)現(xiàn)在故障與失效模式出現(xiàn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警的監(jiān)控系統(tǒng)。
[0005]基于聲發(fā)射的熔融沉積成型3D打印監(jiān)控系統(tǒng)，包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、信號(hào)采集-處理模塊和PC機(jī)，聲發(fā)射傳感器緊貼于3D打印機(jī)座上的可加熱工作臺(tái)上表面，聲發(fā)射傳感器安裝于打印區(qū)域外，聲發(fā)射傳感器的輸出端與前置放大器的輸入端連接，前置放大器的輸出端與信號(hào)采集-處理模塊的輸入端連接，信號(hào)采集-處理模塊的輸出端與PC機(jī)連接；
通過(guò)聲發(fā)射傳感器采集3D打印過(guò)程的聲發(fā)射原始波形信號(hào)，信號(hào)采集-處理模塊檢測(cè)由聲發(fā)射原始波形信號(hào)所觸發(fā)的離散聲發(fā)射波擊(AE hits)，并利用數(shù)值計(jì)算和快速傅里葉變換分別提取每個(gè)聲發(fā)射波擊的時(shí)域特征值和頻域特征值；
利用PC機(jī)構(gòu)建支持向量機(jī)，將聲發(fā)射波擊的頻域特征值和時(shí)域特征值作為支持向量機(jī)的輸入?yún)?shù);在訓(xùn)練過(guò)程中，支持向量機(jī)根據(jù)輸入?yún)?shù)的突變和其對(duì)應(yīng)的打印狀態(tài)或故障與失效模式進(jìn)行對(duì)比學(xué)習(xí)、分類(lèi)和模式識(shí)別訓(xùn)練;支持向量機(jī)對(duì)頻域特征值和時(shí)域特征值的突變進(jìn)行模式識(shí)別與分類(lèi)，每個(gè)突變類(lèi)型對(duì)應(yīng)一種3D打印機(jī)的打印狀態(tài)或故障與失效模式;若支持向量機(jī)將輸入?yún)?shù)的突變識(shí)別為對(duì)應(yīng)的故障與失效模式，則發(fā)出故障與失效警報(bào)。突變類(lèi)型與打印狀態(tài)或失效模式的對(duì)應(yīng)在初始化時(shí)人工完成。
[0006]進(jìn)一步，信號(hào)采集-處理模塊的輸出信號(hào)輸入PC機(jī)的采集模塊中，采集模塊持續(xù)記錄每個(gè)聲發(fā)射波擊的頻域特征值和時(shí)域特征值，并判斷頻域特征值和時(shí)域特征值是否有突變;若頻域特征值突變，則記錄該頻域特征值所處的頻帶和該頻域特征值所對(duì)應(yīng)聲發(fā)射波擊的產(chǎn)生時(shí)刻;若時(shí)域特征值突變，則記錄該時(shí)域特征值的數(shù)值大小和該時(shí)域特征值所對(duì)應(yīng)聲發(fā)射波擊的產(chǎn)生時(shí)刻，得到突變產(chǎn)生的時(shí)間信息。
[0007]進(jìn)一步，支持向量機(jī)的輸入?yún)?shù)是每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的時(shí)域特征值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差以及頻域特征值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差;每個(gè)時(shí)間段的時(shí)長(zhǎng)可根據(jù)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求由操作者自行設(shè)選定。
[0008]進(jìn)一步，聲發(fā)射波擊的時(shí)域特征值包括幅值(A)、均方根(RMS)、擊數(shù)(Counts )、絕對(duì)能量(Absolute Energy)；頻域特征值包括幅值頻率(Peak Frequency)、頻率矩心(Frequency Centroid)。
[0009]進(jìn)一步，聲發(fā)射傳感器采用寬頻帶型差分輸入聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器的響應(yīng)頻率范圍為I OOKHz至I OOOKHz。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:基于聲發(fā)射波擊中的時(shí)域特征值和頻域特征值作為本發(fā)明監(jiān)控系統(tǒng)的故障與失效模式檢測(cè)與識(shí)別的輸入?yún)?shù)，大大降低了數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)空間的占用，減輕了監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，提升監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)與識(shí)別在熔融沉積成型3D打印過(guò)程中出現(xiàn)的典型故障與失效模式并報(bào)警。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為可加熱工作臺(tái)上的俯視圖。
[0013]圖3為本發(fā)明在3D打印過(guò)程中基于聲發(fā)射波擊提取的時(shí)域特征值和頻域特征值示意圖。
[0014]1、信號(hào)采集-處理模塊;2、PC機(jī);3、前置放大器;4、打印噴頭;5、可加熱工作臺(tái)；6、3D打印機(jī)座;7、打印區(qū)域;8、聲發(fā)射傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0015]3D打印是一種增材制造加工方式，與傳統(tǒng)機(jī)械加工中減材制造的基本原理不同，相應(yīng)的故障與失效模式也不同。因此，為了達(dá)到滿(mǎn)意的監(jiān)控效果，需在經(jīng)過(guò)較多理論分析，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，傳感器安裝與調(diào)試后，才能得到合適的硬件設(shè)備選型，安裝方案及相應(yīng)傳感器系統(tǒng)中的參數(shù)優(yōu)化。
[0016]在本實(shí)施例中，如圖1所示，可加熱工作臺(tái)5水平安裝在3D打印機(jī)座6的中部;打印噴頭4垂直安裝在3D打印機(jī)座6的上端;可加熱工作臺(tái)5可在水平二維平面上運(yùn)動(dòng)，打印噴頭4可在垂直方向上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)加熱工作臺(tái)5和打印噴頭4的共同運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的3D打印。聲發(fā)射傳感器8安裝在可加熱工作臺(tái)5上的3D打印區(qū)域7外圍，如圖2所示。從而保證在3D打印的過(guò)程中，打印噴頭4不會(huì)與聲發(fā)射傳感器8發(fā)生碰撞;聲發(fā)射傳感器8與可加熱工作臺(tái)5上表面緊密接觸，在聲發(fā)射傳感器8與可加熱工作臺(tái)5的接觸面間涂有真空脂，以保證接觸面間的密封性及信號(hào)傳輸?shù)耐暾裕M(jìn)而使聲發(fā)射傳感器8可完整且準(zhǔn)確地采集到由可加熱工作臺(tái)5傳遞來(lái)的3D打印過(guò)程信號(hào)，并在一定程度上減少了3D打印機(jī)其它運(yùn)動(dòng)部件的噪聲干擾。
[0017]在本實(shí)施例中，信號(hào)采集-處理模塊I選用美國(guó)Mistras Group公司生產(chǎn)的PC1-2型高速聲發(fā)射信號(hào)采集卡，該信號(hào)采集卡帶有板載數(shù)字信號(hào)處理(DSP)模塊。聲發(fā)射傳感器8選用WD型寬頻帶型差分輸入聲發(fā)射傳感器，可在一定程度上降噪;聲發(fā)射傳感器8的響應(yīng)頻率范圍為10KHz至ΙΟΟΟΚΗζ，可保證所采集打印過(guò)程信號(hào)信息的完整性。同時(shí)，所選聲發(fā)射傳感器8能正常運(yùn)行在-66攝氏度到177攝氏度的溫度范圍內(nèi)，從而保證聲發(fā)射傳感器8在可加熱工作臺(tái)5上正常的工作并采集3D打印過(guò)程信號(hào)。
[0018]前置放大器3選用美國(guó)Mistras Group公司生產(chǎn)的PAC 2/4/6型前置放大器，帶有差分輸入端口；聲發(fā)射傳感器8的輸出端與前置放大器3的差分輸入端相連，將前置放大器3的增益調(diào)至60dB檔。
[0019]信號(hào)采集-處理模塊I的輸入端接前置放大器3的輸出端，信號(hào)采集-處理模塊I的輸出端與PC機(jī)2相連。該信號(hào)采集-處理模塊I的最高采樣頻率為40MHz，具有18位模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度，并帶有板載集成的DSP模塊。在本實(shí)施例中，信號(hào)采集-處理模塊I的信號(hào)采樣閾值設(shè)為35dB，采樣頻率設(shè)為10MHz。信號(hào)采集-處理模塊I的信號(hào)采樣閾值可根據(jù)所在具體監(jiān)控應(yīng)用場(chǎng)合的背景噪音強(qiáng)度而進(jìn)行調(diào)整;采樣頻率的選定原則為在保證通過(guò)所選定型號(hào)的聲發(fā)射傳感器8采集的聲發(fā)射信號(hào)信息完整性的同時(shí)，不使信號(hào)采集-處理模塊I的計(jì)算負(fù)擔(dān)過(guò)重。在本實(shí)施例中將采樣閾值設(shè)為35dB，采樣頻率設(shè)為1MHz為優(yōu)選方案，但本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)并不局限于本實(shí)施例的舉例。
[0020]與直接對(duì)聲發(fā)射原始波形信號(hào)進(jìn)行處理和特征提取的技術(shù)手段所不同，本發(fā)明監(jiān)控系統(tǒng)中基于聲發(fā)射原始波形信號(hào)所觸發(fā)的離散聲發(fā)射波擊，快速提取每個(gè)聲發(fā)射波擊中的時(shí)域特征值和頻域特征值。信號(hào)采集-處理模塊I從聲發(fā)射傳感器8所采集的聲發(fā)射原始波形信號(hào)中檢測(cè)離散分布的聲發(fā)射波擊，利用板載DSP模塊基于數(shù)值計(jì)算及快速傅里葉變換分別提取每個(gè)聲發(fā)射波擊的時(shí)域特征值和頻域特征值;聲發(fā)射波擊的時(shí)域特征值包括幅值(A)、均方根(RMS)、擊數(shù)(Counts)、絕對(duì)能量(Absolute Energy);頻域特征值包括幅值頻率(Peak Frequency)、頻率矩心(Frequency Centroid)。所提取的時(shí)域特征值和頻域特征值可同步顯示在PC機(jī)2的屏幕上;3D打印加工過(guò)程狀態(tài)的突然變化，會(huì)反映到所提取聲發(fā)射波擊特征值的數(shù)值大小及其分布規(guī)律的變化當(dāng)中。
[0021]PC機(jī)2中的采集模塊持續(xù)記錄每個(gè)聲發(fā)射波擊的頻域特征值和時(shí)域特征值，并判斷頻域特征值和時(shí)域特征值是否有突變;若頻域特征值突變，則記錄該頻域特征值所處的頻帶和該頻域特征值對(duì)應(yīng)聲發(fā)射波擊產(chǎn)生的時(shí)刻;若時(shí)域特征值突