智能传感器在铸造3D打印中的应用研究

    引言

       3DP技术作为一种重要的3D打印技术[1]，其原理是通过微滴喷头将液体粘接剂 （如硅胶、树脂等） 按照零件的二维截面图形“印刷”在材料粉末表面上，通过逐层叠加，得到
最终完整的零件产品。在铸造领域，3DP技术主要应用在砂芯的快速成型制造方面，它与传统的铸造工艺相结合，创造出了全新的铸造生产模式，颠覆了铸造行业的生产方式。在多品种、小批量、工艺复杂的铸件生产方面，与传统的砂芯生产工艺相比，3DP技术的优越性无与伦比。 

    1 智能传感器概念、组成及功能

       1.1 智能传感器的概念及组成

       智能传感器[2]的概念最初由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出并形成，1978年研发出产品。由于宇宙飞船上需要用大量的传感器不断向地面发送温度、位置、速度和姿态等
数据信息，用一台大型计算机很难同时处理如此庞杂的数据，于是提出了CPU分散化，从而产生出智能传感器。

       智能传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代传感器技术，涉及了微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术及模糊控制理论
等学科，是一种多学科的综合性技术[3]。

       智能传感器采用超大规模集成电路，集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能，利用嵌入式软件协调内部操作，在完成输入信号的非线性补偿、零点错误、温度补偿、故障诊断等基础上，还可完成对工业过程的控制，使控制系统的功能进一步分散，降低了系统的复杂性，简化了系统结构。智能传感器一般由基本传感器和信息处理单元组成[4]，如图1所示，二者通常集成在一起封装为一个整体，根据应用领域的不同也可以分开设置。可以对传感器的测量数据进行计算、存储、数据处理，同时，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。概括来说，智能传感器具备学习、推理、感知、通讯，以及管理等功能。在这两大组成部分当中，基本传感器是基础，信息处理单元是核心。基本传感器的性能很大程度上决定着智能传感器的性能，随着微机械加工工艺的逐步成熟以及微处理器的补偿作用，基本传感器的某些缺陷得到较大程度的改善；信息处理单元以微处理器为核心，微处理器充分发挥了各种软件（如功能模块） 的功能，可以完成硬件难以完成的任务，能够接收基本传感器的电信号，并对该信号进行处理运算，如数字滤波、线性补偿、标度变换、零点标定等，从而大大降低了传感器制造的难度，提高了传感器的性能，降低了传感器的成本。

       1.2 智能传感器的功能

       智能传感器的功能[5]是通过比较人的感官和大脑的协调动作提出的，具有视觉、触觉、听觉、味觉以及储存、思维和逻辑判断能力等人工智能。主要功能有以下几点。 

       （1）自补偿和计算

       智能传感器的自补偿和计算功能有效有效弥补了传感器的温度飘移和非线性，即使传感器的加工不太精密，只要能保证其重复性良好，通过传感器的计算功能也能获得较精确
的测量结果，另外还可进行统计处理、能够重新标定某个敏感元件，使它重新有效。

        （2）自诊断功能

       智能传感器通过微处理器能够实现自诊断功能，包括两个方面：① 外部环境引起的工作不可靠；② 传感器内部故障造成的性能下降。其直观的指示方式，可持续显示诊断结果和工作状态。无论内外因素，诊断信息都能使系统在故障出现之前报警，从而减少系统停机时间，提高生产效率。 

       （3）强大的通讯接口功能

       智能传感器输出的数据通过总线传输，能够与其他数字化控制仪表或上位机直接通讯，使智能传感器可作为集散控制系统的组成单元，并受上位机的控制。 

       （4）现场学习功能

       智能传感器具有自适应、自学习功能，能为各种场合快速而方便地设置最佳灵敏度。例如：对于智能型的光电传感器能对检测过程取样，自动计算出光信号阈值，匹配最佳设
置，并且能在工作过程中自动调整其参数设置，以补偿环境条件的变化。通过自学习的功能可以补偿部件老化造成的参数漂移，延长器件或装置的使用寿命和扩大其应用范围。 

       （5）提供模拟和数字输出

       智能传感器能够提供模拟输出、数字输出或同时提供两种输出信号，各自具有独立的检测通道，二者互不影响。 

       （6）数据处理功能

       根据内部的程序自动处理数据，例如：进行统计处理、剔出异常数据等。 

       （7）掉电保护功能

       由于微型计算机的RAM的内部数据在掉电时会自动消失，这给仪器的使用带来很大的不便。为此在智能传感器内部装有备用电源，当系统掉电时，能自动把后备电源接入RAM，以保证数据不丢失。 

    2 智能传感器在铸造3D打印设备中的应用

       2.1 铸造3D打印机的结构及原理

       铸造3D打印机[6]主要应用3DP技术，其关键结构包括：打印头、铺砂器、工作箱、驱动辊道、升降机构、混砂系统、液料系统、清扫机构等单元。工作过程如下：首先，通过切片软件对零件的三维模型进行切片，转换成二维图像，导入计算机系统进行图像解析，为打印做好准备；然后，由混砂系统将砂子与粘结剂按比例混合搅拌均匀，并填充到铺砂器当中，铺砂器在Y方向做往复运动，在运动过程中，通过震动将砂子均匀的铺设在工作箱底板上，每铺好一层砂子，工作箱底板下降一定的高度，同时，打印头沿X方向运动，并根据解析的每一层图形数据进行选择性的喷墨，从而在砂面上打印出与零件截面一致的图案，经过铺砂器与打印头的往复交替工作，最终在工作箱内部打印出完整的砂芯产品。

       2.2 智能传感器在铸造3D打印机中的应用

       2.2.1 打印室的环境温湿度检测

       铸造3D打印机所使用的原材料为砂子和粘结剂，由于原材料的物化特性，对温湿度的波动比较敏感，使得打印机对打印环境的温湿度要求较为苛刻，通常来说打印机在打印过程中需要做到恒温恒湿，传统的措施是采用温湿度传感器采集打印室内部的温湿度，通过上位机开发相应的算法程序来控制空调、加湿器等装置，以实现温湿度的调节。但以上措施在实际使用当中，调节效果并不是很好，主要是因为没有相应的大量数据分析，无法找到较为合适的控制参数。而智能型的温湿度传感器，其自身不仅能够采集温湿度的数据，还可以对采集的数据进行分析、归档，并根据数据分析的结果，通过内部集成算法直接输出调节结果，来调节空调、加湿器等装置，利用传感器自学习的功能，分析找出适合砂型打印的最佳温度范围，然后自动匹配相关参数，同时，上位机无需单独开发温控调节算法，控制程序得到了简化。 

       2.2.2 打印头喷墨质量监控

       喷头作为铸造3D打印机的核心元件，成本高，但使用寿命却较短，严重增加后期维护保养的成本。通常情况下，造成打印头报废的原因都是喷孔堵塞，引起局部或大范围的丢帧，一般采用丢帧率来判断喷头是否已经报废，但这一指标通过传统传感器无法进行检测，只能通过打印测试页来人为判断丢帧率。将智能传感器集成在喷头内部，对喷头的激励电压、墨滴墨量、喷孔喷墨质量等参数进行实时监控，并根据监控数据及喷墨情况自动调节喷墨电压，来控制墨滴形状、喷墨量、墨滴喷射速度等参数[7]，从而改善并提高打印质量，且当出现喷孔堵塞的情况时能够及时提醒处理及维护，有效提高了喷头的使用寿命，降低维护成本。

       2.2.3 砂面划痕检测

       铺砂器在铺设砂面的过程中，由于砂子中存在一些杂质或刮砂板发生形变，都会造成砂面拉砂，在砂面留下划痕，严重影响成型质量及精度。采用智能型测距传感器，可以有效解决以上问题，具体措施是在打印头上安装微距离传感器，当铺砂器铺完砂子，打印头扫描的同时，对砂面进行划痕检测，一旦出现划痕，可立即让系统做出处理措施，并对采集到的数据做统计分析，便于找出砂面产生划痕的原因，有助于提高产品打印的质量。

       2.2.4 称重计量

       打印机在打印过程中，混砂是必不可少的一个环节，混砂质量的好坏直接决定了砂芯的硬化速度、强度等参数。因 此，要求混砂系统必须具有高精度、高可靠性、高稳定性。混砂系统通常采用多传感器称重的方式对砂子进行计量，传统称重传感器由于存在数据采集的延时性，以及下砂碟阀动作响应的延时，往往造成实际下砂量偏大，使得砂子与粘结剂的配比不再准确，严重更影响打印砂芯的质量。使用智能称重传感器[8]，其内部电路结构如图2所示，由于其具有自诊断、自学习的特点，可根据测量的数据实时调节系统的下砂量，并能够通过数据统计，自动匹配出最佳的 PID 参 数，从而有效解决称重不准的问题，节约成本的同时提高了砂芯质量。 

    3 结束语

       3D打印技术与传统铸造工艺相结合，是一种革命性的创新与尝试，让传统铸造业这种落后产能逐渐转变为高新技术产业，对行业的意义十分重大。而基于微电子技术发展起来的智能传感器技术，同样，给当今信息化时代，注入了新的动能，让5G网络、物联网、云技术等新兴技术找到了有力支撑点。将智能传感器应用到铸造3D打印技术中，势必会加速
这种技术的发展，为行业带来深远而又巨大的影响。

       参考文献：
       [1]李小丽,马剑雄,李萍,等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表,2014,35(1):1-5.
       [2] 杨大丽.传感器技术的应用与发展趋势分析[J]. 科技信息（科学·教研）,2007(24):362. 
       [3] 张子栋,吴雪冰, 吴慎山.智能传感器原理及应用[J]. 河南科技学院学报(自然科学版),2008,36(2):116-119.
       [4] 陆明珠,刘军海,苏启生.智能传感器的结构及其应用[J]. 传感器世界,1996(8):36-37.
       [5] 姜书汉.智能传感器的主要功能和应用发展[J].物联网技术,2011(5):34-35.
       [6] 耿佩.浅析3D打印技术在铸造成形中的应用[J]. 中国铸造装备与技术, 2016(1):8-9. 
       [7] 何茂伟.面向喷印工艺的液滴状态优化模型与智能控制方法研究[D].沈阳.中国科学院沈阳自动化研究所,2015.
       [8] 朱子健.基于先进数据处理技术的智能称重传感器研究[D]. 南京:南京航空航天大学,2005.

       第一作者简介：赵宁辉 （1988-），男，宁夏石嘴山人，大学本科，助理工程师，研究领域为3D打印机电气系统设计研发。