一种复合水泥材料3D打印机系统及其使用方法技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种复合水泥材料3D打印机系统及其使用方法
本专利技术涉及3D打印
，尤其是一种复合水泥材料3D打印机系统及其使用方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的技术方案如下：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，kp、ki、kd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，Tp、TD分别代表积分环节参数、微分环节参数；设tp时刻液状材料挤出量的被估计状态为Xp，应变片测力传感器受系统噪声序列Wp-1驱动，驱动机理由下述状态方程描述为：Xp＝Φp,p-1Xp-1+Γp-1Wp-1(3)其中，Xp-1为tp-1时刻的液状材料挤出量，Φp,p-1为tp-1时刻至tp时刻的一步转移概率矩阵，Γp-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：Zp＝HpXp+Vp(4)其中，Hp为量测矩阵，Vp为量测噪声序列；其中，E[·]代表对应数列的数学期望，Wp为系统激励噪声序列，Wj为历史时刻系统激励噪声序列，Qp为系统噪声序列的方差阵，并假设为非负定矩阵，Rp为量测噪声序列的方差矩阵，并假设为正定矩阵，Vj为历史时刻量测噪声序列，δpj为克罗内克符号，若p＝j时，δpj＝1，若p≠j时，δpj＝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，Kp为另一比例系数，Pp/(p-1)为当前时刻与上一时刻的比例系数，Pp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tp时刻的c轴电机的最大运行速度为Smax，目标每次时间间隔液状材料挤出量为mp，当前实际每次时间间隔液状材料挤出量为Xp，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Vx、Vy，x轴伺服电机和y轴伺服电机的原有运行速度分别为Vxo、Vyo，比例系数为kxy，c轴电机的运行速度为Vc，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，mj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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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，kp、ki、kd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，Tp、TD分别代表积分环节参数、微分环节参数；
设tp时刻液状材料挤出量的被估计状态为Xp，所述应变片测力传感器受系统噪声序列Wp-1驱动，驱动机理由下述状态方程描述为：
Xp＝Φp,p-1Xp-1+Γp-1Wp-1(3)
其中，Xp-1为tp-1时刻的液状材料挤出量，Φp,p-1为tp-1时刻至tp时刻的一步转移概率矩阵，Γp-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：
Zp＝HpXp+Vp(4)
其中，Hp为量测矩阵，Vp为量测噪声序列；



其中，E[·]代表对应数列的数学期望，Wp为系统激励噪声序列，Wj为历史时刻系统激励噪声序列，Qp为系统噪声序列的方差阵，并假设为非负定矩阵，Rp为量测噪声序列的方差矩阵，并假设为正定矩阵，Vj为历史时刻量测噪声序列，δpj为克罗内克符号，若p＝j时，δpj＝1，若p≠j时，δpj＝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，Kp为另一比例系数，Pp/(p-1)为当前时刻与上一时刻的比例系数，Pp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tp时刻的所述c轴电机的最大运行速度为Smax，目标每次时间间隔液状材料挤出量为mp，当前实际每次时间间隔液状材料挤出量为Xp，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Vx、Vy，x轴伺服电机和y轴伺服电机的原有运行速度分别为Vxo、Vyo，比例系数为kxy，c轴电机的运行速度为Vc，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，mj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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨洋，张秋菊，宁萌，
申请(专利权)人：江苏集萃复合材料装备研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32