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。本發明采用間接法實現成型絲寬度的反饋，即實時檢測掃描速度和擠出速度，再根據成型絲寬度與擠出速度、掃描速度的匹配關系得到當前成型絲的寬度。設計模糊自整定PID控制器，通過調整擠出電機的運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
技術領域
[0001] 本發明屬于自動化控制和增材制造(快速成型)技術領域，具體涉及將模糊控制理 論應用到快速成型設備中，以提高成型絲精度，保證成型質量。
【背景技術】
[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 程環保等優點，已成為應用最廣泛的工藝之一。但該技術成型精度不高在一定程度上限制 了它的進一步發展和應用。目前提高熔融擠出成型精度的方向有以下幾種：
[0003] 1.優化成型工藝參數。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、環境溫度、擠出速度、掃描速度(填充速度）、填充方式、網格間距、理想輪 廓線的補償量、偏置掃描中的偏置值、開啟延遲時間、關閉延遲時間等。通過試驗取得了加 工工藝參數與成型質量之間的關系，針對不同零件選取最優參數，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，材料耗費嚴重。
[0004] 2.成型機硬件升級。增加電機控制卡通道，控制三軸互不干擾的運動;采用可控硅 和溫控器結合的加熱系統，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 置等都能提高產品精度。但成本增加，使得熔融擠出成型相對廉價的優勢不再明顯。
【發明內容】
[0005] 本發明針對現有技術的不足，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] 本發明解決技術問題所采取的技術方案為：
[0007] 步驟1:通過試驗得到成型絲寬度與擠出速度、掃描速度的匹配關系，給出修正系 數。為系統間接測量成型絲寬度提供理論基礎。
[0008] 步驟2:設計模糊自整定PID控制器，確定模糊輸入輸出變量和模糊分割，依據模糊 控制規則實施模糊推理，最后將推理結果清晰化。為保證控制的實時性，將模糊控制器的設 計階段獨立出來，離線計算所有輸入量對應的精確量，匯總成模糊控制總表。
[0009] 步驟3:建立熔融擠出成型機噴頭系統的近似數學模型，進行MATLAB仿真分析，確 定常規PID控制器的初始參數。
[0010] 步驟4:搭建系統。使用編碼器實時檢測掃描速度，根據步驟1中成型絲寬度與掃描 速度、擠出速度的匹配關系間接測量當前成型絲寬度，并將結果反饋到比較器與成型絲寬 度的給定值D進行比較得出偏差e以及偏差變化率c;將 6和(：送入控制器單片機，單片機通過 量化和查模糊控制總表得出精確量，并將結果轉化成頻率信號輸出給驅動器，從而改變擠 出電機速度，使材料擠出速度和當前掃描速度相匹配，保證成型絲寬度滿足精度要求。
[0011] 本發明的有益效果:本發明通過實時檢測掃描速度，讀取擠出速度，根據兩者與絲 寬的匹配關系間接得到實際絲寬，實現反饋，與直接測量相比該方法易實現且避免引入不 必要誤差。系統將給定絲寬和實際絲寬進行比較得到偏差，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下計算好的模糊控制表快速給出精確量，作用于驅動器， 從而控制擠出電機的運動速度;使擠出速度與掃描速度相匹配，保證成型絲寬度恒定，提高 成型質量。
【附圖說明】
[0012]圖1為模糊自整定PID控制器結構框圖。
[0013] 圖2為6，(：，(1邱，(1燈，(11((1的隸屬函數。
[0014]圖3為成型絲寬度模糊控制系統框圖。
[0015]圖4為模糊控制系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 以下結合附圖對本發明作進一步說明。
[0017] 在熔融擠出成型實際加工過程中發現，噴頭在掃描拐角或曲率半徑較小的圓弧路 徑時，由于機械構造和掃描電機工作特性影響，掃描速度和擠出速度的匹配關系被打破;即 掃描速度減小而擠出材料速度無變化，導致單位時間內擠出到工作臺上的材料增多，使得 成型絲寬度變大。
[0018] 本發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。
[0022] 選定擠出絲直徑d，分別設定不同的擠出速度u和掃描速度V，進行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a，使成型絲寬度與擠出速度、掃描 速度滿足關系式(1)，為系統間接測量成型絲寬度提供理論基礎。
[0023] 步驟2:設計模糊自整定PID控制器，控制器的結構框圖如圖1所示，分為模糊化、模 糊規則、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 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]，根據公式(2)將連續變 量轉換到區間為[_6,6]的范圍內。
(2)
[0027]最后將轉換得到的精確量根據表1實現變量的離散化，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大，負中，負小，零，正小，正中，正大。 [0031]三角形隸屬函數形狀僅與它的直線斜率有關，運算較簡單，所占內存空間也小，比 較適合于步進電機的控制。本發明采用三角形隸屬函數實現輸入輸出量的模糊化，如圖2所 不。
[0032] 2.2建立模糊控制規則庫
[0033]模糊控制規則是模糊控制器的核心，它根據經驗和知識推理，將人的大量成功控 制策略整理，加工和提煉;再結合當前系統，用輸入、輸出變量的模糊狀態給以描述，得出控 制規則，如表2所示。
[0034]表2系統模糊控制規則
[0036] 2.3模糊推理
[0037]根據各個模糊集合的隸屬函數分布，對每條模糊規則計算其模糊蘊含關系。例如， 對于dKP的控制規則：正[〈6 = ￡以11(1〈0 = (^>]1'肥^[(11(1) = 1^]，其模糊蘊含關系為：
[0038] Pi = EiXCiXUi；
[0039]同理可得dUKd的模糊蘊含關系分別為：
[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的模糊關系為：
[0049] 尸=:〇€
[0050] 同理，dKi，dKd總的模糊關系分別為：
[0051] 1 = [JII 49.
[0052] ° = [J °, 扣1 .
[0053]選擇Mamadani型模糊邏輯推理系統，得出控制量的模糊輸出結果。假設當前狀態 輸入量是e '和c '時，經模糊化后得到的模糊集合是E '和C '，則模糊輸出結果為：
[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] 模糊輸出結果是模糊量，不能直接用于控制被控對象，需要先轉化成執行器可以 執行的精確量，此過程稱為解模糊。本發明采用重心法，實現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 線進行不能滿足控制系統的實時性要求，影響控制精度。因此，將模糊控制器的設計階段獨 立出來，用離線計算的方式進行，對論域E和C上的所有情況分別進行模糊推理和解模糊化， 得到所有輸入情況下對應的輸出精確量，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噴頭系統的近似數學模型
[0064] 成型機噴頭模糊控制系統框圖如圖3所示。系統通過編碼器實時檢測掃描速度，根 據步驟1中成型絲寬度與掃描速度、擠出速度的匹配關系間接測量當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進行比較得出偏差e及偏差變化率c; 將6和(3送入單片機，經模糊PID控制器驅動兩相混合式步進電機，使電機轉動螺桿，擠出成 型材料。
[0065] 噴頭系統主要由速度控制器、步進電機和螺桿幾部分組成。為方便運算，對系統進 行如下簡化：（1)忽略流體的粘彈性；（2)忽略步進電機定子極間和端部的漏磁、永磁體回路 的漏磁；（3)忽略步進電機磁滯渦流和飽和產生的影響；（4)忽略步進電機定子線圈自感產 生的諧波分量。
[0066] 則由模糊PID控制器實現的轉速控制的傳遞函數為：
(3)
[0068]兩相混合式步進電機的數學模型主要由電壓電流方程、電磁轉矩方程和機械運動 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；《為電機轉速;Nr為轉子齒數;9為轉子角位置輸出；為電磁轉矩;Tl為負載 轉矩;J為總轉動慣量;D為粘滯摩擦系數。
[0074]按單相勵磁方式，由（6)式可得步進電機的運動方程為：
(8)
[0076]設t = 0，
，轉子達到平衡位置。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]則步進電機的近似傳遞函數數學模型為：
(12)
[0084]對于步進電機驅動的噴頭裝置，其功能是將螺桿的旋轉運動轉化成材料的直線運 動，則傳遞函數為：
(13)
[0086]式中:P為螺桿的導程。則系統總的傳遞函數為：
v 14,
[0088]然后，進行MATLAB仿真分析，確定模糊PID控制器的初始參數KP，Ki，Kd。
[0089 ]步驟4:搭建噴頭控制系統。如圖4所示，包括單片機1、步進電機驅動器2;步進電機 3;工作臺4;擠出噴頭5 ;X方向掃描電機6 ;X方向編碼器7; Y方向掃描電機8; Y方向編碼器9。 系統使用編碼器實時檢測掃描速度，根據匹配關系間接測量當前成型絲寬度實際值，并反 饋到比較器與給定值D進行比較得出偏差e以及偏差變化率c;將 6和(：送入控制器單片機，單 片機通過量化和查模糊控制總表得出精確量，并將結果轉化成頻率信號輸出給驅動器，從 而改變擠出電機速度，使材料擠出速度和當前掃描速度相匹配，保證成型絲寬度滿足精度 要求。
【主權項】
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、掃描速度的匹配關系，給出修正系數； 步驟2:設計模糊自整定PID控制器，確定模糊輸入輸出變量和模糊分割，依據模糊控制 規則實施模糊推理，最后將推理結果清晰化;為保證控制的實時性，將模糊控制器的設計階 段獨立出來，離線計算所有輸入量對應的精確量，匯總成模糊控制總表； 步驟3:建立熔融擠出成型機噴頭系統的近似數學模型，進行MATLAB仿真分析，確定常 規PID控制器的初始參數； 步驟4:搭建噴頭控制系統;使用編碼器實時檢測掃描速度，根據步驟1中成型絲寬度與 掃描速度、擠出速度的匹配關系間接測量當前成型絲寬度，并將結果反饋到比較器與成型 絲寬度的給定值D進行比較得出偏差e以及偏差變化率c;將 6和(：送入控制器單片機，單片機 通過量化和查模糊控制總表得出精確量，并將結果轉化成頻率信號輸出給驅動器，從而改 變擠出電機速度，使材料擠出速度和當前掃描速度相匹配，保證成型絲寬度滿足精度要求。2. 根據權利要求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實現輸入輸出量的模糊化。3. 根據權利要求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
【發明人】史廷春, 高彪彪
【申請人】杭州電子科技大學