智能傳感器在鑄造3D打印中的應(yīng)用研究

趙寧輝，劉 軼

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，銀川 750021）

0 引言

3DP技術(shù)作為一種重要的3D打印技術(shù)[1]，其原理是通過微滴噴頭將液體粘接劑（如硅膠、樹脂等）按照零件的二維截面圖形“印刷”在材料粉末表面上，通過逐層疊加，得到最終完整的零件產(chǎn)品。在鑄造領(lǐng)域，3DP技術(shù)主要應(yīng)用在砂芯的快速成型制造方面，它與傳統(tǒng)的鑄造工藝相結(jié)合，創(chuàng)造出了全新的鑄造生產(chǎn)模式，顛覆了鑄造行業(yè)的生產(chǎn)方式。在多品種、小批量、工藝復(fù)雜的鑄件生產(chǎn)方面，與傳統(tǒng)的砂芯生產(chǎn)工藝相比，3DP技術(shù)的優(yōu)越性無與倫比。

1 智能傳感器概念、組成及功能

1.1 智能傳感器的概念及組成

智能傳感器[2]的概念最初由美國(guó)宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出并形成，1978年研發(fā)出產(chǎn)品。由于宇宙飛船上需要用大量的傳感器不斷向地面發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，用一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)很難同時(shí)處理如此龐雜的數(shù)據(jù)，于是提出了CPU分散化，從而產(chǎn)生出智能傳感器。

智能傳感器技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代傳感器技術(shù)，涉及了微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電路與系統(tǒng)、傳感技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及模糊控制理論等學(xué)科，是一種多學(xué)科的綜合性技術(shù)[3]。

智能傳感器采用超大規(guī)模集成電路，集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，利用嵌入式軟件協(xié)調(diào)內(nèi)部操作，在完成輸入信號(hào)的非線性補(bǔ)償、零點(diǎn)錯(cuò)誤、溫度補(bǔ)償、故障診斷等基礎(chǔ)上，還可完成對(duì)工業(yè)過程的控制，使控制系統(tǒng)的功能進(jìn)一步分散，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。智能傳感器一般由基本傳感器和信息處理單元組成[4]，如圖1所示，二者通常集成在一起封裝為一個(gè)整體，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同也可以分開設(shè)置?？梢詫?duì)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，同時(shí)，還可以通過反饋回路對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。概括來說，智能傳感器具備學(xué)習(xí)、推理、感知、通訊，以及管理等功能。在這兩大組成部分當(dāng)中，基本傳感器是基礎(chǔ)，信息處理單元是核心。基本傳感器的性能很大程度上決定著智能傳感器的性能，隨著微機(jī)械加工工藝的逐步成熟以及微處理器的補(bǔ)償作用，基本傳感器的某些缺陷得到較大程度的改善；信息處理單元以微處理器為核心，微處理器充分發(fā)揮了各種軟件(如功能模塊）的功能，可以完成硬件難以完成的任務(wù)，能夠接收基本傳感器的電信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，如數(shù)字濾波、線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換、零點(diǎn)標(biāo)定等，從而大大降低了傳感器制造的難度，提高了傳感器的性能，降低了傳感器的成本。

圖1 智能傳感器的組成

1.2 智能傳感器的功能

智能傳感器的功能[5]是通過比較人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作提出的，具有視覺、觸覺、聽覺、味覺以及儲(chǔ)存、思維和邏輯判斷能力等人工智能。主要功能有以下幾點(diǎn)。

（1）自補(bǔ)償和計(jì)算

智能傳感器的自補(bǔ)償和計(jì)算功能有效有效彌補(bǔ)了傳感器的溫度飄移和非線性，即使傳感器的加工不太精密，只要能保證其重復(fù)性良好，通過傳感器的計(jì)算功能也能獲得較精確的測(cè)量結(jié)果，另外還可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、能夠重新標(biāo)定某個(gè)敏感元件，使它重新有效。

（2）自診斷功能

智能傳感器通過微處理器能夠?qū)崿F(xiàn)自診斷功能，包括兩個(gè)方面：①外部環(huán)境引起的工作不可靠；②傳感器內(nèi)部故障造成的性能下降。其直觀的指示方式，可持續(xù)顯示診斷結(jié)果和工作狀態(tài)。無論內(nèi)外因素，診斷信息都能使系統(tǒng)在故障出現(xiàn)之前報(bào)警，從而減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

（3）強(qiáng)大的通訊接口功能

智能傳感器輸出的數(shù)據(jù)通過總線傳輸，能夠與其他數(shù)字化控制儀表或上位機(jī)直接通訊，使智能傳感器可作為集散控制系統(tǒng)的組成單元，并受上位機(jī)的控制。

（4）現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)功能

智能傳感器具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，能為各種場(chǎng)合快速而方便地設(shè)置最佳靈敏度。例如：對(duì)于智能型的光電傳感器能對(duì)檢測(cè)過程取樣，自動(dòng)計(jì)算出光信號(hào)閾值，匹配最佳設(shè)置，并且能在工作過程中自動(dòng)調(diào)整其參數(shù)設(shè)置，以補(bǔ)償環(huán)境條件的變化。通過自學(xué)習(xí)的功能可以補(bǔ)償部件老化造成的參數(shù)漂移，延長(zhǎng)器件或裝置的使用壽命和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

（5）提供模擬和數(shù)字輸出

智能傳感器能夠提供模擬輸出、數(shù)字輸出或同時(shí)提供兩種輸出信號(hào)，各自具有獨(dú)立的檢測(cè)通道，二者互不影響。

（6）數(shù)據(jù)處理功能

根據(jù)內(nèi)部的程序自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，例如：進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理、剔出異常數(shù)據(jù)等。

（7）掉電保護(hù)功能

由于微型計(jì)算機(jī)的RAM的內(nèi)部數(shù)據(jù)在掉電時(shí)會(huì)自動(dòng)消失，這給儀器的使用帶來很大的不便。為此在智能傳感器內(nèi)部裝有備用電源，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，能自動(dòng)把后備電源接入RAM，以保證數(shù)據(jù)不丟失。

2 智能傳感器在鑄造3D打印設(shè)備中的應(yīng)用

2.1 鑄造3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

鑄造3D打印機(jī)[6]主要應(yīng)用3DP技術(shù)，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括：打印頭、鋪砂器、工作箱、驅(qū)動(dòng)輥道、升降機(jī)構(gòu)、混砂系統(tǒng)、液料系統(tǒng)、清掃機(jī)構(gòu)等單元。工作過程如下：首先，通過切片軟件對(duì)零件的三維模型進(jìn)行切片，轉(zhuǎn)換成二維圖像，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行圖像解析，為打印做好準(zhǔn)備；然后，由混砂系統(tǒng)將砂子與粘結(jié)劑按比例混合攪拌均勻，并填充到鋪砂器當(dāng)中，鋪砂器在Y方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，通過震動(dòng)將砂子均勻的鋪設(shè)在工作箱底板上，每鋪好一層砂子，工作箱底板下降一定的高度，同時(shí)，打印頭沿X方向運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)解析的每一層圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性的噴墨，從而在砂面上打印出與零件截面一致的圖案，經(jīng)過鋪砂器與打印頭的往復(fù)交替工作，最終在工作箱內(nèi)部打印出完整的砂芯產(chǎn)品。

2.2 智能傳感器在鑄造3D打印機(jī)中的應(yīng)用

2.2.1 打印室的環(huán)境溫濕度檢測(cè)

鑄造3D打印機(jī)所使用的原材料為砂子和粘結(jié)劑，由于原材料的物化特性，對(duì)溫濕度的波動(dòng)比較敏感，使得打印機(jī)對(duì)打印環(huán)境的溫濕度要求較為苛刻，通常來說打印機(jī)在打印過程中需要做到恒溫恒濕，傳統(tǒng)的措施是采用溫濕度傳感器采集打印室內(nèi)部的溫濕度，通過上位機(jī)開發(fā)相應(yīng)的算法程序來控制空調(diào)、加濕器等裝置，以實(shí)現(xiàn)溫濕度的調(diào)節(jié)。但以上措施在實(shí)際使用當(dāng)中，調(diào)節(jié)效果并不是很好，主要是因?yàn)闆]有相應(yīng)的大量數(shù)據(jù)分析，無法找到較為合適的控制參數(shù)。而智能型的溫濕度傳感器，其自身不僅能夠采集溫濕度的數(shù)據(jù)，還可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸檔，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，通過內(nèi)部集成算法直接輸出調(diào)節(jié)結(jié)果，來調(diào)節(jié)空調(diào)、加濕器等裝置，利用傳感器自學(xué)習(xí)的功能，分析找出適合砂型打印的最佳溫度范圍，然后自動(dòng)匹配相關(guān)參數(shù)，同時(shí)，上位機(jī)無需單獨(dú)開發(fā)溫控調(diào)節(jié)算法，控制程序得到了簡(jiǎn)化。

2.2.2 打印頭噴墨質(zhì)量監(jiān)控

噴頭作為鑄造3D打印機(jī)的核心元件，成本高，但使用壽命卻較短，嚴(yán)重增加后期維護(hù)保養(yǎng)的成本。通常情況下，造成打印頭報(bào)廢的原因都是噴孔堵塞，引起局部或大范圍的丟幀，一般采用丟幀率來判斷噴頭是否已經(jīng)報(bào)廢，但這一指標(biāo)通過傳統(tǒng)傳感器無法進(jìn)行檢測(cè)，只能通過打印測(cè)試頁(yè)來人為判斷丟幀率。將智能傳感器集成在噴頭內(nèi)部，對(duì)噴頭的激勵(lì)電壓、墨滴墨量、噴孔噴墨質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及噴墨情況自動(dòng)調(diào)節(jié)噴墨電壓，來控制墨滴形狀、噴墨量、墨滴噴射速度等參數(shù)[7]，從而改善并提高打印質(zhì)量，且當(dāng)出現(xiàn)噴孔堵塞的情況時(shí)能夠及時(shí)提醒處理及維護(hù)，有效提高了噴頭的使用壽命，降低維護(hù)成本。

2.2.3 砂面劃痕檢測(cè)

鋪砂器在鋪設(shè)砂面的過程中，由于砂子中存在一些雜質(zhì)或刮砂板發(fā)生形變，都會(huì)造成砂面拉砂，在砂面留下劃痕，嚴(yán)重影響成型質(zhì)量及精度。采用智能型測(cè)距傳感器，可以有效解決以上問題，具體措施是在打印頭上安裝微距離傳感器，當(dāng)鋪砂器鋪完砂子，打印頭掃描的同時(shí)，對(duì)砂面進(jìn)行劃痕檢測(cè)，一旦出現(xiàn)劃痕，可立即讓系統(tǒng)做出處理措施，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，便于找出砂面產(chǎn)生劃痕的原因，有助于提高產(chǎn)品打印的質(zhì)量。

2.2.4 稱重計(jì)量

打印機(jī)在打印過程中，混砂是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，混砂質(zhì)量的好壞直接決定了砂芯的硬化速度、強(qiáng)度等參數(shù)。因此，要求混砂系統(tǒng)必須具有高精度、高可靠性、高穩(wěn)定性?；焐跋到y(tǒng)通常采用多傳感器稱重的方式對(duì)砂子進(jìn)行計(jì)量，傳統(tǒng)稱重傳感器由于存在數(shù)據(jù)采集的延時(shí)性，以及下砂碟閥動(dòng)作響應(yīng)的延時(shí)，往往造成實(shí)際下砂量偏大，使得砂子與粘結(jié)劑的配比不再準(zhǔn)確，嚴(yán)重更影響打印砂芯的質(zhì)量。使用智能稱重傳感器[8]，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，由于其具有自診斷、自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，可根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的下砂量，并能夠通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)匹配出最佳的PID參數(shù)，從而有效解決稱重不準(zhǔn)的問題，節(jié)約成本的同時(shí)提高了砂芯質(zhì)量。

圖2 智能型稱重傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語(yǔ)

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造工藝相結(jié)合，是一種革命性的創(chuàng)新與嘗試，讓傳統(tǒng)鑄造業(yè)這種落后產(chǎn)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝录夹g(shù)產(chǎn)業(yè)，對(duì)行業(yè)的意義十分重大。而基于微電子技術(shù)發(fā)展起來的智能傳感器技術(shù)，同樣，給當(dāng)今信息化時(shí)代，注入了新的動(dòng)能，讓5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)等新興技術(shù)找到了有力支撐點(diǎn)。將智能傳感器應(yīng)用到鑄造3D打印技術(shù)中，勢(shì)必會(huì)加速這種技術(shù)的發(fā)展，為行業(yè)帶來深遠(yuǎn)而又巨大的影響。