多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统及方法，包括喷头驱动电路、多通道选通电路、压电信号采集电路及监测单元，喷头驱动电路用于提供驱动信号使压电喷头喷射；多通道选通电路用于提供多通道轮流选通信号实现压电喷头多喷孔轮流监测；压电信号采集电路利用自感应检测方式采集压电喷头流道腔体内的残余振动信号；监测单元包括驱动电压监测、液体粘度监测、供墨压力监测和液滴喷射速度计算模块，用于监测压电喷头工作状态。本发明专利技术能有效识别故障类型及产生原因，提高监测准确性，便于用户采用有效措施；同时无需外部传感器，通过轮流监测的方式降低了硬件成本；可在喷头工作过程中进行监测，提高监测灵活性。

Fault identification and condition monitoring system and method of multi-channel piezoelectric 3D printing nozzle

【技术实现步骤摘要】
多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统及方法
本专利技术属于先进制造
，具体涉及一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统及方法。
技术介绍
3D打印是从上世纪九十年代中期开始发展起来的一种革命性的制造方法。其基于材料累积成型的原理，从零件三维CAD模型出发，将模型进行离散化切片分层处理，然后将二维数据逐层制造最终累积成三维实体，实现工件成型制造。微滴喷射技术广泛应用在3D打印中，然而由于喷头属于精密器件，极易发生驱动电压超限、高粘堵头和供墨压力失衡等喷射故障，这类故障目前只能在观墨设备下被发现，不但需要大量的时间来维修喷头，而且严重了影响打印质量。目前国内外对喷头喷射状态进行检测的研究有：(1)韩国顺天乡大学利用压电喷头的自感应方式提取喷头流道腔体内的残余振动信号进行分析，采用方差的算法对喷头喷射状态进行检测，该方法通过单一算法特征参数实现喷射故障监测，对于有些喷射故障下特征参数重合混叠的情况无法有效识别出故障类型，也不能对液滴速度进行监测；(2)杭州电子科技大学通过CCD高速相机进行墨滴喷射的图像采集，利用区域增长法来提取墨滴形态，并计算墨滴的速度和体积，该方法只能在特定位置对喷头进行检测，过程繁琐。以上方法中存在如下问题：无法有效识别出具体故障类型，不利于采取对应措施；只能在固定位置进行检测，影响检测效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统及方法，能有效识别故障类型并计算液滴速度，提高检测准确性，能在喷头打印运动的过程中进行检测，不受喷头位置限制，大大提高了检测的灵活性。本专利技术采用以下技术方案：一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统，包括喷头驱动电路、多通道选通电路、压电信号采集电路及监测单元，喷头驱动电路用于提供驱动信号使压电喷头喷射；多通道选通电路用于提供多通道轮流选通信号实现压电喷头多喷孔轮流监测；压电信号采集电路利用自感应检测方式采集压电喷头流道腔体内的残余振动信号；监测单元包括驱动电压监测、液体粘度监测、供墨压力监测和液滴喷射速度计算模块，用于监测压电喷头工作状态。具体的，压电信号采集电路包括喷头电路和等效电路，等效电路包括分压电阻R2和喷头的等效电容Ce，喷头电路包括分压电阻R1和喷头的静态电容Cp，且Cp＝Ce，R1＝R2，输入的驱动电压Vin分两路，一路经电阻R2和电容Ce接地，另一路经电阻R1和电容Cp接地，等效电路中电容端电压V2和喷头电路中电容端电压V1经压电信号采集电路处理后的输出信号Vout与数据采集系统连接，用于输出最终结果。具体的，多通道选通电路包括等效电路、驱动信号发生器、多通道选通开关和多喷孔喷头，压电信号采集电路分两路，一路与多通道选通开关连接，用于提取喷头电路中喷头电容端电压，另一路与等效电路中等效电容Cne的远地端连接，用于提取等效电路中等效电容端电压；多通道选通开关接收选通信号，并与多喷孔喷头连接。进一步的，等效电路包括分压电阻Rr和等效电容Cne，第n个喷孔的自感应电压信号Vn与等效电路的等效电压信号Vr经过压电信号采集电路进行处理，处理后的输出信号Vnout与数据采集系统连接，用于输出最终结果；驱动信号发生器提供的输入电压Vnin分两路，一路经被测量喷孔电路的分压电阻Rn及喷孔电路后接地，用于使喷头喷射产生自感应信号Vn，另一路经等效电路的分压电阻Rr与等效电容Cne后接地，用于输出等效电压信号Vr，且Rr＝Rn。本专利技术的另一技术方案是，一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测方法，利用所述的多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统，采用自感应检测方式将压电喷头流道腔体内的残余振动信号转化为电压信号进行采集分析后得到故障发生时对应的特征参数，建立喷射故障与特征参数以及液滴速度与特征参数之间的算法模型，当驱动电压监测、液体粘度监测、供墨压力监测和液滴喷射速度计算模块中各个因素对应的特征参数超过阈值则表明发生故障。具体的，驱动电压监测由自感应信号中的尖角幅值作为特征参数进行判断，尖角幅值为采集到的自感应信号的第一个尖角幅值，通过喷头驱动电路对某一选定喷孔进行喷射，采用压电信号采集电路和数据采集系统对压电喷头流道腔体内的压力波信号进行提取采集，当喷头驱动电压过小导致液滴喷射速度低于正常值或驱动电压过大使得主液滴周围产生卫星液滴时，驱动电压对应的指示灯亮起，表明是由电压导致的液滴喷射故障。具体的，液体粘度监测由自感应信号中的阻尼比作为特征参数进行判断，阻尼比由采集到的自感应信号尾部的残余振动的衰减阻尼比计算所得，通过喷头驱动电路对某一选定喷孔进行喷射，采用压电信号采集电路和数据采集系统对压电喷头流道腔体内的压力波信号进行提取采集，当被喷射液体粘度过大导致液滴喷射速度低于正常值或液滴粘度很小使得主液滴尾部的液柱较长时，液体粘度对应的指示灯亮起，表明是由粘度导致的液滴喷射故障。具体的，供墨压力监测由自感应信号中的相位作为特征参数进行判断，相位由采集到的自感应信号相位计算所得，通过喷头驱动电路对某一选定喷孔进行喷射，采用压电信号采集电路和数据采集系统对压电喷头流道腔体内的压力波信号进行提取采集，当供墨压力负压过小时导致喷孔有液滴聚集无法喷射或当供墨压力负压过大导致喷孔内吸入气泡无法喷射时，供墨压力对应的指示灯亮起，表明是由压力导致的液滴喷射故障。具体的，液滴喷射速度计算方案由回归模型计算获得，通过喷头驱动电路对某一选定喷孔进行喷射，采用压电信号采集电路和数据采集系统对压电喷头流道腔体内的压力波信号进行提取采集，当喷射条件在正常范围内时，表明处于正常喷射状态，通过回归模型计算出的速度值反映液滴的喷射速度。进一步的，其特征在于，特征值判断步骤如下：S1、读取压电信号，依次对时域尖角幅值特征值、残余振动阻尼比特征值和频域相位特征值进行判断；S2、当时域尖角幅值特征值、残余振动阻尼比特征值和频域相位特征值均正常时，计算液滴速度后结束；S3、当时域尖角幅值特征值、残余振动阻尼比特征值和频域相位特征值中的任意一个产生异常时，直接结束。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统，采用分时复用的检测方案，通过设计多通道选通电路来实现多喷孔的轮流检测，大大降低了硬件成本及电路功耗，同时也保证了检测效率，所用的检测电路能将压电喷头流道腔体内的微小压力波信号转化为自感应电压信号进行提取分析，提高检测准确度，能在喷头打印运动的过程中进行检测，不受喷头位置限制，大大提高了检测的灵活性。进一步的，检测电路整体尺寸小，利用压电喷头自身的压电效应，无需外加传感器，便于安装在喷头上进行监测，进一步可以将检测电路封装到喷头内部，为压电喷头的制造提供技术支撑。本专利技术还公开了一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测方法，在喷头非正常喷射时，能够同时对驱动电压、液体粘度、供墨压力等故障因素进行检测，当上述一种或多种因素导致喷射故障发生时，均有对应的状态指示反映，能有效识别出故障类别，有利于用户及时采取处理措施；在喷头正常喷射时能计算出液滴喷射速度，便于用户优化喷射参数使液滴喷射速度控制在合适范围内。进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统，其特征在于，包括喷头驱动电路、多通道选通电路、压电信号采集电路及监测单元，喷头驱动电路用于提供驱动信号使压电喷头喷射；多通道选通电路用于提供多通道轮流选通信号实现压电喷头多喷孔轮流监测；压电信号采集电路利用自感应检测方式采集压电喷头流道腔体内的残余振动信号；监测单元包括驱动电压监测、液体粘度监测、供墨压力监测和液滴喷射速度计算模块，用于监测压电喷头工作状态。

【技术特征摘要】
1.一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统，其特征在于，包括喷头驱动电路、多通道选通电路、压电信号采集电路及监测单元，喷头驱动电路用于提供驱动信号使压电喷头喷射；多通道选通电路用于提供多通道轮流选通信号实现压电喷头多喷孔轮流监测；压电信号采集电路利用自感应检测方式采集压电喷头流道腔体内的残余振动信号；监测单元包括驱动电压监测、液体粘度监测、供墨压力监测和液滴喷射速度计算模块，用于监测压电喷头工作状态。2.根据权利要求1所述的多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统，其特征在于，压电信号采集电路包括喷头电路和等效电路，等效电路包括分压电阻R2和喷头的等效电容Ce，喷头电路包括分压电阻R1和喷头的静态电容Cp，且Cp＝Ce，R1＝R2，输入的驱动电压Vin分两路，一路经电阻R2和电容Ce接地，另一路经电阻R1和电容Cp接地，等效电路中电容端电压V2和喷头电路中电容端电压V1经压电信号采集电路处理后的输出信号Vout与数据采集系统连接，用于输出最终结果。3.根据权利要求1或2所述的多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统，其特征在于，多通道选通电路包括等效电路、驱动信号发生器、多通道选通开关和多喷孔喷头，压电信号采集电路分两路，一路与多通道选通开关连接，用于提取喷头电路中喷头电容端电压，另一路与等效电路中等效电容Cne的远地端连接，用于提取等效电路中等效电容端电压；多通道选通开关接收选通信号，并与多喷孔喷头连接。4.根据权利要求3所述的多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统，其特征在于，等效电路包括分压电阻Rr和等效电容Cne，第n个喷孔的自感应电压信号Vn与等效电路的等效电压信号Vr经过压电信号采集电路进行处理，处理后的输出信号Vnout与数据采集系统连接，用于输出最终结果；驱动信号发生器提供的输入电压Vnin分两路，一路经被测量喷孔电路的分压电阻Rn及喷孔电路后接地，用于使喷头喷射产生自感应信号Vn，另一路经等效电路的分压电阻Rr与等效电容Cne后接地，用于输出等效电压信号Vr，且Rr＝Rn。5.一种多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测方法，其特征在于，利用权利要求1至4中任一项所述的多通道压电式3D打印喷头故障识别及状态监测系统，采用自感应检测方式将压电喷头流道腔体内的残余振动信号转化为电压信号进行采集分析后得到故障发生时对应的特征参数，建立喷射故障与特征参数以及液滴速度与特征参数之间的算法模型，当驱动电压监测、液体粘度监测、供墨压力监测和液滴喷射速度计算模块中各个因素对应的特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莉，胡航锋，卢秉恒，郝德军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61