一種通過模糊控制提高熔融擠出制造絲寬精度的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過模糊控制提高熔融擠出制造絲寬精度的方法。本發(fā)明采用間接法實現(xiàn)成型絲寬度的反饋，即實時檢測掃描速度和擠出速度，再根據(jù)成型絲寬度與擠出速度、掃描速度的匹配關(guān)系得到當(dāng)前成型絲的寬度。設(shè)計模糊自整定PID控制器，通過調(diào)整擠出電機(jī)的運(yùn)動速度實時控制成型絲寬度，提高控制精度。
【專利說明】
一種通過模糊控制提高熔融擠出制造絲寬精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于自動化控制和增材制造(快速成型)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及將模糊控制理 論應(yīng)用到快速成型設(shè)備中，以提高成型絲精度，保證成型質(zhì)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 恪融擠出成型（Fused Depos i t i on Mode 1 ing or Me 11ed Extrus i on Manufacturing)是增材制造(AM)的典型代表，具有成型材料廣泛、制造成本低廉和成型過 程環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已成為應(yīng)用最廣泛的工藝之一。但該技術(shù)成型精度不高在一定程度上限制 了它的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。目前提高熔融擠出成型精度的方向有以下幾種：
[0003] 1.優(yōu)化成型工藝參數(shù)。熔融擠出成型精度受多重因素影響，具體有：分層厚度、噴 嘴直徑、噴頭溫度、環(huán)境溫度、擠出速度、掃描速度(填充速度）、填充方式、網(wǎng)格間距、理想輪 廓線的補(bǔ)償量、偏置掃描中的偏置值、開啟延遲時間、關(guān)閉延遲時間等。通過試驗取得了加 工工藝參數(shù)與成型質(zhì)量之間的關(guān)系，針對不同零件選取最優(yōu)參數(shù)，可以在一定程度上提高 成型精度。但前期試驗工作量大，成型周期長，材料耗費(fèi)嚴(yán)重。
[0004] 2.成型機(jī)硬件升級。增加電機(jī)控制卡通道，控制三軸互不干擾的運(yùn)動;采用可控硅 和溫控器結(jié)合的加熱系統(tǒng)，分別控制填充溫度、支撐溫度和加熱室溫度;更換高精度噴頭裝 置等都能提高產(chǎn)品精度。但成本增加，使得熔融擠出成型相對廉價的優(yōu)勢不再明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種通過模糊控制提高熔融擠出制造(FDM or MEM)絲寬精度的方法。
[0006] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：
[0007] 步驟1:通過試驗得到成型絲寬度與擠出速度、掃描速度的匹配關(guān)系，給出修正系 數(shù)。為系統(tǒng)間接測量成型絲寬度提供理論基礎(chǔ)。
[0008] 步驟2:設(shè)計模糊自整定PID控制器，確定模糊輸入輸出變量和模糊分割，依據(jù)模糊 控制規(guī)則實施模糊推理，最后將推理結(jié)果清晰化。為保證控制的實時性，將模糊控制器的設(shè) 計階段獨(dú)立出來，離線計算所有輸入量對應(yīng)的精確量，匯總成模糊控制總表。
[0009] 步驟3:建立熔融擠出成型機(jī)噴頭系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行MATLAB仿真分析，確 定常規(guī)PID控制器的初始參數(shù)。
[0010] 步驟4:搭建系統(tǒng)。使用編碼器實時檢測掃描速度，根據(jù)步驟1中成型絲寬度與掃描 速度、擠出速度的匹配關(guān)系間接測量當(dāng)前成型絲寬度，并將結(jié)果反饋到比較器與成型絲寬 度的給定值D進(jìn)行比較得出偏差e以及偏差變化率c;將 6和(：送入控制器單片機(jī)，單片機(jī)通過 量化和查模糊控制總表得出精確量，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化成頻率信號輸出給驅(qū)動器，從而改變擠 出電機(jī)速度，使材料擠出速度和當(dāng)前掃描速度相匹配，保證成型絲寬度滿足精度要求。
[0011] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明通過實時檢測掃描速度，讀取擠出速度，根據(jù)兩者與絲 寬的匹配關(guān)系間接得到實際絲寬，實現(xiàn)反饋，與直接測量相比該方法易實現(xiàn)且避免引入不 必要誤差。系統(tǒng)將給定絲寬和實際絲寬進(jìn)行比較得到偏差，并將其送入模糊PID控制器;控 制器通過量化和查詢在離線狀態(tài)下計算好的模糊控制表快速給出精確量，作用于驅(qū)動器， 從而控制擠出電機(jī)的運(yùn)動速度;使擠出速度與掃描速度相匹配，保證成型絲寬度恒定，提高 成型質(zhì)量。
【附圖說明】
[0012]圖1為模糊自整定PID控制器結(jié)構(gòu)框圖。
[0013] 圖2為6，(：，(1邱，(1燈，(11((1的隸屬函數(shù)。
[0014]圖3為成型絲寬度模糊控制系統(tǒng)框圖。
[0015]圖4為模糊控制系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017] 在熔融擠出成型實際加工過程中發(fā)現(xiàn)，噴頭在掃描拐角或曲率半徑較小的圓弧路 徑時，由于機(jī)械構(gòu)造和掃描電機(jī)工作特性影響，掃描速度和擠出速度的匹配關(guān)系被打破;即 掃描速度減小而擠出材料速度無變化，導(dǎo)致單位時間內(nèi)擠出到工作臺上的材料增多，使得 成型絲寬度變大。
[0018] 本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提高成型絲寬度精度。具體有：
[0019] 步驟1:通過試驗得到成型絲寬度與擠出速度、掃描速度的匹配關(guān)系，即
[0020] 〇 - a ? d^u / v (1)
[0021]其中，D為成型絲寬度，d為擠出絲直徑，u為材料擠出速度，v為噴頭掃描速度，a為 修正系數(shù)。
[0022] 選定擠出絲直徑d，分別設(shè)定不同的擠出速度u和掃描速度V，進(jìn)行MEM成型試驗，測 量出實際成型絲寬度D;再與理論寬度比較得出修正系數(shù)a，使成型絲寬度與擠出速度、掃描 速度滿足關(guān)系式(1)，為系統(tǒng)間接測量成型絲寬度提供理論基礎(chǔ)。
[0023] 步驟2:設(shè)計模糊自整定PID控制器，控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，分為模糊化、模 糊規(guī)則、模糊推理和清晰化等幾部分。
[0024] 2.1確定模糊輸入輸出變量和模糊分割
[0025]選擇偏差e和偏差變化率c作為模糊控制器輸入量，dKP，dKi，dKd為輸出量;然后進(jìn) 行模糊分割，即檢測輸入量偏差e和偏差變化率c的變化范圍[a，b]，根據(jù)公式(2)將連續(xù)變 量轉(zhuǎn)換到區(qū)間為[_6,6]的范圍內(nèi)。
(2)
[0027]最后將轉(zhuǎn)換得到的精確量根據(jù)表1實現(xiàn)變量的離散化，完成模糊分割。
[0028]表1輸入量的模糊分割
[0030]得到輸入變量dPc的論域均為：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2,3,4,5,6}。輸出量 dKp，dKi，dKd的模糊論域也取為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，語言變量模糊子集 均為{他，匪，吧，2￡，？3，？1^8}，子集元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。 [0031]三角形隸屬函數(shù)形狀僅與它的直線斜率有關(guān)，運(yùn)算較簡單，所占內(nèi)存空間也小，比 較適合于步進(jìn)電機(jī)的控制。本發(fā)明采用三角形隸屬函數(shù)實現(xiàn)輸入輸出量的模糊化，如圖2所 不。
[0032] 2.2建立模糊控制規(guī)則庫
[0033]模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，它根據(jù)經(jīng)驗和知識推理，將人的大量成功控 制策略整理，加工和提煉;再結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)，用輸入、輸出變量的模糊狀態(tài)給以描述，得出控 制規(guī)則，如表2所示。
[0034]表2系統(tǒng)模糊控制規(guī)則
[0036] 2.3模糊推理
[0037]根據(jù)各個模糊集合的隸屬函數(shù)分布，對每條模糊規(guī)則計算其模糊蘊(yùn)含關(guān)系。例如， 對于dKP的控制規(guī)則：正[〈6 = ￡以11(1〈0 = (^>]1'肥^[(11(1) = 1^]，其模糊蘊(yùn)含關(guān)系為：
[0038] Pi = EiXCiXUi；
[0039]同理可得dUKd的模糊蘊(yùn)含關(guān)系分別為：
[0040] Ii = EiXCiXVi
[0041] Di = EiXCiXffi
[0042] 其中，i = l，2,3,…，49;
[0043] Ei--偏差e的語言變量值；
[0044] Ci--偏差變化率c的語言變量值；
[0045] Ui一一輸出量(11(49語言變量值；
[0046] Vi一一輸出量dKi的語言變量值；
[0047] ffi--輸出量dKd的語言變量值。
[0048]則dKPS的模糊關(guān)系為：
[0049] 尸=:〇€
[0050] 同理，dKi，dKd總的模糊關(guān)系分別為：
[0051] 1 = [JII 49.
[0052] ° = [J °, 扣1 .
[0053]選擇Mamadani型模糊邏輯推理系統(tǒng)，得出控制量的模糊輸出結(jié)果。假設(shè)當(dāng)前狀態(tài) 輸入量是e '和c '時，經(jīng)模糊化后得到的模糊集合是E '和C '，則模糊輸出結(jié)果為：
[0054] dKP=(E，XC，）? P;
[0055] dKi=(E，XC，）? I;
[0056] dKd=(E，XC，）? D。
[0057] 2.4輸出解模糊化和建立模糊控制表
[0058] 模糊輸出結(jié)果是模糊量，不能直接用于控制被控對象，需要先轉(zhuǎn)化成執(zhí)行器可以 執(zhí)行的精確量，此過程稱為解模糊。本發(fā)明采用重心法，實現(xiàn)模糊輸出量的精確化。
[0059] 在實際控制中，模糊化、模糊推理和解模糊化等整個過程計算繁瑣，耗時較多，在 線進(jìn)行不能滿足控制系統(tǒng)的實時性要求，影響控制精度。因此，將模糊控制器的設(shè)計階段獨(dú) 立出來，用離線計算的方式進(jìn)行，對論域E和C上的所有情況分別進(jìn)行模糊推理和解模糊化， 得到所有輸入情況下對應(yīng)的輸出精確量，匯總成模糊控制總表，如表3所示。
[0060] 表 3

[0063] 步驟3:建立熔融擠出成型機(jī)噴頭系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型
[0064] 成型機(jī)噴頭模糊控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)通過編碼器實時檢測掃描速度，根 據(jù)步驟1中成型絲寬度與掃描速度、擠出速度的匹配關(guān)系間接測量當(dāng)前成型絲寬度的實際 值，并將實際值反饋到比較器與成型絲寬度的給定值 D進(jìn)行比較得出偏差e及偏差變化率c; 將6和(3送入單片機(jī)，經(jīng)模糊PID控制器驅(qū)動兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動螺桿，擠出成 型材料。
[0065] 噴頭系統(tǒng)主要由速度控制器、步進(jìn)電機(jī)和螺桿幾部分組成。為方便運(yùn)算，對系統(tǒng)進(jìn) 行如下簡化：（1)忽略流體的粘彈性；（2)忽略步進(jìn)電機(jī)定子極間和端部的漏磁、永磁體回路 的漏磁；（3)忽略步進(jìn)電機(jī)磁滯渦流和飽和產(chǎn)生的影響；（4)忽略步進(jìn)電機(jī)定子線圈自感產(chǎn) 生的諧波分量。
[0066] 則由模糊PID控制器實現(xiàn)的轉(zhuǎn)速控制的傳遞函數(shù)為：
(3)
[0068]兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型主要由電壓電流方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動 方程組成，即：
(7)
[0073] 式中：113，1^，"，"分別為4、8相的相電壓和相電流;1?為繞組電阻汰為繞組電感 ;1^ 為反電勢系數(shù)；《為電機(jī)轉(zhuǎn)速;Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù);9為轉(zhuǎn)子角位置輸出；為電磁轉(zhuǎn)矩;Tl為負(fù)載 轉(zhuǎn)矩;J為總轉(zhuǎn)動慣量;D為粘滯摩擦系數(shù)。
[0074]按單相勵磁方式，由（6)式可得步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動方程為：
(8)
[0076]設(shè)t = 0，
，轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡位置。僅有一相電源接通，無其它電流通路，振蕩過 程中ia不變，則增量運(yùn)動方程為：
(9)
[0078] 因S0 = 02-0jpj、，方程線性化為：
(10)
[0080]通過拉氏變換，并將初值0代入得：
(II)
[0082]則步進(jìn)電機(jī)的近似傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型為：
(12)
[0084]對于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的噴頭裝置，其功能是將螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成材料的直線運(yùn) 動，則傳遞函數(shù)為：
(13)
[0086]式中:P為螺桿的導(dǎo)程。則系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為：
v 14,
[0088]然后，進(jìn)行MATLAB仿真分析，確定模糊PID控制器的初始參數(shù)KP，Ki，Kd。
[0089 ]步驟4:搭建噴頭控制系統(tǒng)。如圖4所示，包括單片機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器2;步進(jìn)電機(jī) 3;工作臺4;擠出噴頭5 ;X方向掃描電機(jī)6 ;X方向編碼器7; Y方向掃描電機(jī)8; Y方向編碼器9。 系統(tǒng)使用編碼器實時檢測掃描速度，根據(jù)匹配關(guān)系間接測量當(dāng)前成型絲寬度實際值，并反 饋到比較器與給定值D進(jìn)行比較得出偏差e以及偏差變化率c;將 6和(：送入控制器單片機(jī)，單 片機(jī)通過量化和查模糊控制總表得出精確量，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化成頻率信號輸出給驅(qū)動器，從 而改變擠出電機(jī)速度，使材料擠出速度和當(dāng)前掃描速度相匹配，保證成型絲寬度滿足精度 要求。
【主權(quán)項】
1. 一種通過模糊控制提高熔融擠出制造絲寬精度的方法，其特征在于該方法包括以下 步驟： 步驟1:通過試驗得到成型絲寬度與擠出速度、掃描速度的匹配關(guān)系，給出修正系數(shù)； 步驟2:設(shè)計模糊自整定PID控制器，確定模糊輸入輸出變量和模糊分割，依據(jù)模糊控制 規(guī)則實施模糊推理，最后將推理結(jié)果清晰化;為保證控制的實時性，將模糊控制器的設(shè)計階 段獨(dú)立出來，離線計算所有輸入量對應(yīng)的精確量，匯總成模糊控制總表； 步驟3:建立熔融擠出成型機(jī)噴頭系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行MATLAB仿真分析，確定常 規(guī)PID控制器的初始參數(shù)； 步驟4:搭建噴頭控制系統(tǒng);使用編碼器實時檢測掃描速度，根據(jù)步驟1中成型絲寬度與 掃描速度、擠出速度的匹配關(guān)系間接測量當(dāng)前成型絲寬度，并將結(jié)果反饋到比較器與成型 絲寬度的給定值D進(jìn)行比較得出偏差e以及偏差變化率c;將 6和(：送入控制器單片機(jī)，單片機(jī) 通過量化和查模糊控制總表得出精確量，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化成頻率信號輸出給驅(qū)動器，從而改 變擠出電機(jī)速度，使材料擠出速度和當(dāng)前掃描速度相匹配，保證成型絲寬度滿足精度要求。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過模糊控制提高熔融擠出制造絲寬精度的方法，其特 征在于:步驟2中采用三角形隸屬函數(shù)實現(xiàn)輸入輸出量的模糊化。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通過模糊控制提高熔融擠出制造絲寬精度的方法，其特 征在于:步驟2中推理結(jié)果清晰化過程中采用了重心法。
【文檔編號】G05B11/42GK105892283SQ201610248128
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】史廷春, 高彪彪
【申請人】杭州電子科技大學(xué)