一種通過預(yù)測掃描速度控制增材制造流量精度方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過預(yù)測掃描速度控制增材制造流量精度方法。本發(fā)明通過檢測軸伺服電機，從而控制改變擠出電機，建立一種掃描速度與出料速度的關(guān)系，降低由機械結(jié)構(gòu)所帶來的不必要誤差。在控制噴頭運動的各軸電機上安裝編碼器實時檢測電機速度，通過編碼器反饋給單片機的信號決定是否要改變擠出電機的速度，從而使掃描速度與出料速度時刻匹配，保證擠出絲寬的穩(wěn)定性，為提高絲寬精度提供一種新的方法。
【專利說明】-種通過預(yù)測掃描速度控制増材制造流量精度方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動化控制、檢測技術(shù)和快速成形設(shè)備領(lǐng)域，具體設(shè)及將一種與檢測 技術(shù)相關(guān)的閉環(huán)控制加入到已有的快速成形設(shè)備中，提高成型絲寬的精度，并進(jìn)而提高成 型件的精度。

【背景技術(shù)】
[0002] 作為增材制造(A^O的典型代表，烙融沉積成型技術(shù)(簡稱FD^O是當(dāng)前發(fā)展前景比 較廣闊的快速成形技術(shù)，擁有工藝簡潔、制造速度快和原材料獲取方便等優(yōu)點。但是精度不 高一直是抑M的受垢病的主要原因，阻礙了抑M在高精度模型方面的應(yīng)用W及進(jìn)一步的普 及。目前對FDM的精度改進(jìn)一般有W下幾種方向： 1.對模型分層精細(xì)化。計算機軟件將=維模型分層后，把各層數(shù)據(jù)送入成型機進(jìn)行逐 層打印。各層圖像更精確，則分析得出的數(shù)據(jù)更詳細(xì)，打印出來的精度更好。但是該需要大 量復(fù)雜的數(shù)字圖像處理過程，提高了軟件要求，導(dǎo)致成本變高，使得FDM相對廉價的優(yōu)勢不 再那么明顯。
[0003] 2.對成型機噴頭工藝改進(jìn)。主要是研究材料在進(jìn)入噴頭W及W絲狀噴出的該個過 程，設(shè)及噴頭內(nèi)部溫度、機械構(gòu)造和料的流動受力等，保證出料的穩(wěn)定與順暢。由于噴頭結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，多個因素之間相互聯(lián)系，往往改動一個，會帶來其他因素的變化，比較難W實現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通過預(yù)測掃描速度控制增材制造流量精度方 法。
[0005] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為： 一種通過預(yù)測掃描速度控制增材制造流量精度方法包括W下步驟： 1)用編碼器去檢測X、Y軸伺服電機速度。
[0006] 2)將編碼器測量到的信號反饋給外部單片機，編碼器的A+、A-、B+、B-、5V和SG分 別與單片機上的I/O 口相連，設(shè)置I/O功能為計數(shù)模式，便于單片機讀取。
[0007] 3)單片機內(nèi)部對信號進(jìn)行處理，并選擇是否要發(fā)送信號給擠出電機驅(qū)動器，具體 是；單片機I/O接受脈沖信號并做比對，在單位時間內(nèi)統(tǒng)計的脈沖數(shù)與設(shè)定值不同時，表明 當(dāng)前的伺服電機速度已經(jīng)發(fā)生變化，噴頭在做其它路徑方式。進(jìn)行判別并選擇不同路徑所 對應(yīng)的頻率輸出給擠出電機驅(qū)動器，從而改變出料速度，使得其它路徑的線寬接近主路徑 的線寬。
[000引 4)驅(qū)動器接單片機發(fā)出信號并向擠出電機發(fā)出變速指令，驅(qū)動器與單片機相連 接，單片機5V引腳接驅(qū)動器的公共陽端，脈沖輸出引腳接驅(qū)動器的脈沖信號端，方向引腳 接驅(qū)動器的方向信號端，可選擇性的在脈沖引腳和方向引腳上串接小電阻起保護(hù)作用。
[0009] 5)擠出電機接收驅(qū)動器發(fā)出的變速信號改變速度，最終改變出料速度，驅(qū)動器上 的A+、A-、B+和B-連接到擠出電機上對應(yīng)的端口。
[0010] 本發(fā)明通過檢測軸伺服電機，從而控制改變擠出電機，建立一種掃描速度與出料 速度的關(guān)系，降低由機械結(jié)構(gòu)所帶來的不必要誤差。在控制噴頭運動的各軸電機上安裝 編碼器實時檢測電機速度，通過編碼器反饋給單片機的信號決定是否要改變擠出電機的速 度，從而使掃描速度與出料速度時刻匹配，保證擠出絲寬的穩(wěn)定性，為提高絲寬精度提供一 種新的方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為伺服電機的工作特性圖。
[0012] 圖2為噴頭掃描路徑圖。
[0013] 圖3為絲寬放大圖。
[0014] 圖4為本發(fā)明的流程圖。

【具體實施方式】
[0015] W下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0016] 本發(fā)明的目的在于盡量避免噴頭實際運動軌跡對絲寬精度的影響，其技術(shù)依據(jù)是 工作平臺工作方式的機械構(gòu)造。噴頭運動速度的根源是X、Y軸的2個伺服電機的速度合 成，因此噴頭的運動受到伺服電機工作特性的影響。
[0017] 如圖1所示，電機轉(zhuǎn)速從初始速度達(dá)到設(shè)定n時需要一個加速時間。電機帶動軸 承自轉(zhuǎn)使噴頭在X (Y)軸方向上前進(jìn)。根據(jù)機械傳動螺旋與導(dǎo)程的關(guān)系，可W得到如下的 關(guān)系式： V =從我P為 其中V為軸向速度，n為電機轉(zhuǎn)速，Ph為了導(dǎo)程。可見，軸向速度與電機速度呈線性關(guān) 系。當(dāng)噴頭在掃描曲線或者直角路徑時，需要通過兩個電機的瞬時速度變化來完成變向，而 該個瞬時即是上述的加速時間。當(dāng)該個加速時間相比于整個過程而言不能被忽略時，就會 在該段時間內(nèi)出現(xiàn)掃描速度是變化量而出料速度保持不變的情況，造成該段時間內(nèi)掃描速 度與出料速度不匹配。但是穩(wěn)定的絲寬是由固定出料速度配合設(shè)定的掃描速度得到的。所 W，兩者速度的不匹配最終會導(dǎo)致線寬的變化。上述情況普遍存在于直角路徑和曲線路徑。 直角路徑需要更多的加速時間，因為它的速度變化量比較大。相比而言，曲線路徑則變化較 為緩慢，帶來的線寬誤差相對于直角路徑要小一些。
[0018] 參見圖4,本發(fā)明的具體方法是； 1)用編碼器去檢測X、Y軸伺服電機速度，方法是使用聯(lián)軸器把編碼器的軸與電機軸連 接，檢測電機當(dāng)前速度。
[0019] 2)將編碼器測量到的信號反饋給外部單片機，編碼器的A+、A-、B+、B-、5V和SG分 別與單片機上的I/O 口相連，設(shè)置I/O功能為計數(shù)模式，便于單片機讀取。
[0020] 3)單片機內(nèi)部對信號進(jìn)行處理，并選擇是否要發(fā)送信號給擠出電機驅(qū)動器。當(dāng)伺 服電機速度變化時，編碼器反饋的信號頻率就會發(fā)生相應(yīng)改變，主要體現(xiàn)在脈沖數(shù)上的改 變。單片機I/O接受脈沖信號并做比對，在單位時間內(nèi)統(tǒng)計的脈沖數(shù)與設(shè)定值不同時，表明 當(dāng)前的伺服電機速度已經(jīng)發(fā)生變化，噴頭在做其他路徑方式巧Ij于主路徑的路徑方式，如果 主路徑是直線路徑，則曲線路徑和直角路徑則為其他路徑)。程序進(jìn)行判別并選擇不同路徑 所對應(yīng)的頻率輸出給擠出電機驅(qū)動器，從而改變出料速度，使得其他路徑的線寬接近直線 路徑的線寬。該個相應(yīng)的頻率可W通過擠出電機速度與路徑線寬的實驗獲得。
[0021] 4)驅(qū)動器接單片機發(fā)出信號并向擠出電機發(fā)出變速指令，驅(qū)動器與單片機相連 接，單片機5V引腳接驅(qū)動器的公共陽端，脈沖輸出引腳接驅(qū)動器的脈沖信號端，方向引腳 接驅(qū)動器的方向信號端，可選擇性的在脈沖引腳和方向引腳上串接小電阻起保護(hù)作用。 [002引 5)擠出電機接收驅(qū)動器發(fā)出的變速信號改變速度，最終改變出料速度，驅(qū)動器上 的A+、A-、B+和B-連接到擠出電機上對應(yīng)的端口。
[0023] 擠出電機速度與路徑線寬實驗；W直線式填充作為例子，主路徑為直線路徑，次路 徑為直角路徑，需要考慮輪廓的模型則要加入曲線路徑。在擠出電機規(guī)定速度下首先測出 直線路徑線寬。再用示波器檢測出當(dāng)前控制擠出電機規(guī)定速度的脈沖頻率，W 100化為單 位(在實驗過程中會發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變頻率低于100化時，線寬的改變不太明顯）依次減少驅(qū)動器 輸出的頻率，用電子游標(biāo)卡尺或者更加準(zhǔn)備的方式測量出各頻率下的直角路徑和曲線路徑 線寬。該樣我們就得到了不同頻率與不同路徑關(guān)系下的線寬數(shù)據(jù)，根據(jù)該個數(shù)據(jù)就能設(shè)計 單片機程序，使得在不同路徑下通過單片機調(diào)整驅(qū)動器的輸出頻率，改變電機速度，使得擠 出的線寬相同，保證精度的穩(wěn)定性。
[0024] 結(jié)合圖進(jìn)一步說明部分： 對噴頭直角運動路徑建立物理模型并進(jìn)行分析（圖2)。噴頭的掃描運動方向是平行于 X軸和Y軸(此處假設(shè)為了方便分析，其他角度下掃描運動情況同理)。因為噴頭掃描速度是 由X軸、Y軸電機速度合成，AO路徑的掃描速度就是X軸電機的速度，OB的路徑的掃描速度 就是Y軸電機的速度。噴頭在AO路徑進(jìn)行減速，在OB路徑進(jìn)行加速動作。噴頭的掃描速 度為VI，擠出速度為V2,減速距離等于加速距離都為S，掃描速度在減速距離所用時間ti。 [002引實際減速運動下AO所用時間；^1 =巧/ <3 默認(rèn)勻速運動下AO所用時間：S =巧X毛

【權(quán)利要求】
1. 一種通過預(yù)測掃描速度控制增材制造流量精度方法，其特征在于該方法包括以下步 驟： 1) 用編碼器去檢測X、Y軸伺服電機速度； 2) 將編碼器測量到的信號反饋給外部單片機，編碼器的A+、A-、B+、B-、5V和SG分別與 單片機上的I/O 口相連，設(shè)置I/O功能為計數(shù)模式，便于單片機讀取； 3) 單片機內(nèi)部對信號進(jìn)行處理，并選擇是否要發(fā)送信號給擠出電機驅(qū)動器，具體是：單 片機I/O接受脈沖信號并做比對，在單位時間內(nèi)統(tǒng)計的脈沖數(shù)與設(shè)定值不同時，表明當(dāng)前 的伺服電機速度已經(jīng)發(fā)生變化，噴頭在做其它路徑方式；進(jìn)行判別并選擇不同路徑所對應(yīng) 的頻率輸出給擠出電機驅(qū)動器，從而改變出料速度，使得其它路徑的線寬接近主路徑的線 寬； 4) 驅(qū)動器接單片機發(fā)出信號并向擠出電機發(fā)出變速指令，驅(qū)動器與單片機相連接，單 片機5V引腳接驅(qū)動器的公共陽端，脈沖輸出引腳接驅(qū)動器的脈沖信號端，方向引腳接驅(qū)動 器的方向信號端，可選擇性的在脈沖引腳和方向引腳上串接小電阻起保護(hù)作用； 5) 擠出電機接收驅(qū)動器發(fā)出的變速信號改變速度，最終改變出料速度，驅(qū)動器上的A+、 A-、B+和B-連接到擠出電機上對應(yīng)的端口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過預(yù)測掃描速度控制增材制造流量精度方法，其特征 在于：不同路徑所對應(yīng)的頻率確定方式為： 設(shè)主路徑為直線路徑，次路徑為直角路徑，需要考慮輪廓的模型則要加入曲線路徑；在 擠出電機規(guī)定速度下首先測出直線路徑線寬；再用示波器檢測出當(dāng)前控制擠出電機規(guī)定速 度的脈沖頻率，以100Hz為單位依次減少驅(qū)動器輸出的頻率，用電子游標(biāo)卡尺或者更加準(zhǔn) 備的方式測量出各頻率下的直角路徑和曲線路徑線寬；這樣就得到了不同頻率與不同路徑 關(guān)系下的線寬數(shù)據(jù)，根據(jù)這個數(shù)據(jù)就能設(shè)計單片機程序，使得在不同路徑下通過單片機調(diào) 整驅(qū)動器的輸出頻率，改變電機速度，使得擠出的線寬相同，保證精度的穩(wěn)定性。
【文檔編號】G05D7/06GK104503491SQ201410667170
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】史廷春, 何自立 申請人:杭州電子科技大學(xué)