一种通过模糊控制提高熔融挤出制造丝宽精度的方法技术

本发明专利技术涉及一种通过模糊控制提高熔融挤出制造丝宽精度的方法。本发明专利技术采用间接法实现成型丝宽度的反馈，即实时检测扫描速度和挤出速度，再根据成型丝宽度与挤出速度、扫描速度的匹配关系得到当前成型丝的宽度。设计模糊自整定PID控制器，通过调整挤出电机的运动速度实时控制成型丝宽度，提高控制精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自动化控制和增材制造(快速成型)
，具体涉及将模糊控制理论应用到快速成型设备中，以提高成型丝精度，保证成型质量。
技术介绍
熔融挤出成型(Fused Deposition Modeling or Melted ExtrusionManufacturing)是增材制造(AM)的典型代表，具有成型材料广泛、制造成本低廉和成型过程环保等优点，已成为应用最广泛的工艺之一。但该技术成型精度不高在一定程度上限制了它的进一步发展和应用。目前提高熔融挤出成型精度的方向有以下几种：1.优化成型工艺参数。熔融挤出成型精度受多重因素影响，具体有：分层厚度、喷嘴直径、喷头温度、环境温度、挤出速度、扫描速度(填充速度)、填充方式、网格间距、理想轮廓线的补偿量、偏置扫描中的偏置值、开启延迟时间、关闭延迟时间等。通过试验取得了加工工艺参数与成型质量之间的关系，针对不同零件选取最优参数，可以在一定程度上提高成型精度。但前期试验工作量大，成型周期长，材料耗费严重。2.成型机硬件升级。增加电机控制卡通道，控制三轴互不干扰的运动；采用可控硅和温控器结合的加热系统，分别控制填充温度、支撑温度和加热室温度；更换高精度喷头装置等都能提高产品精度。但成本增加，使得熔融挤出成型相对廉价的优势不再明显。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种通过模糊控制提高熔融挤出制造(FDM or MEM)丝宽精度的方法。本专利技术解决技术问题所采取的技术方案为：步骤1：通过试验得到成型丝宽度与挤出速度、扫描速度的匹配关系，给出修正系数。为系统间接测量成型丝宽度提供理论基础。步骤2：设计模糊自整定PID控制器，确定模糊输入输出变量和模糊分割，依据模糊控制规则实施模糊推理，最后将推理结果清晰化。为保证控制的实
时性，将模糊控制器的设计阶段独立出来，离线计算所有输入量对应的精确量，汇总成模糊控制总表。步骤3：建立熔融挤出成型机喷头系统的近似数学模型，进行MATLAB仿真分析，确定常规PID控制器的初始参数。步骤4：搭建系统。使用编码器实时检测扫描速度，根据步骤1中成型丝宽度与扫描速度、挤出速度的匹配关系间接测量当前成型丝宽度，并将结果反馈到比较器与成型丝宽度的给定值D进行比较得出偏差e以及偏差变化率c；将e和c送入控制器单片机，单片机通过量化和查模糊控制总表得出精确量，并将结果转化成频率信号输出给驱动器，从而改变挤出电机速度，使材料挤出速度和当前扫描速度相匹配，保证成型丝宽度满足精度要求。本专利技术的有益效果：本专利技术通过实时检测扫描速度，读取挤出速度，根据两者与丝宽的匹配关系间接得到实际丝宽，实现反馈，与直接测量相比该方法易实现且避免引入不必要误差。系统将给定丝宽和实际丝宽进行比较得到偏差，并将其送入模糊PID控制器；控制器通过量化和查询在离线状态下计算好的模糊控制表快速给出精确量，作用于驱动器，从而控制挤出电机的运动速度；使挤出速度与扫描速度相匹配，保证成型丝宽度恒定，提高成型质量。附图说明图1为模糊自整定PID控制器结构框图。图2为e，c，dKp，dKi，dKd的隶属函数。图3为成型丝宽度模糊控制系统框图。图4为模糊控制系统的示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。在熔融挤出成型实际加工过程中发现，喷头在扫描拐角或曲率半径较小的圆弧路径时，由于机械构造和扫描电机工作特性影响，扫描速度和挤出速度的匹配关系被打破；即扫描速度减小而挤出材料速度无变化，导致单位时间内挤出到工作台上的材料增多，使得成型丝宽度变大。本专利技术的目的在于解决上述问题，提高成型丝宽度精度。具体有：步骤1：通过试验得到成型丝宽度与挤出速度、扫描速度的匹配关系，即D=a·du/v---(1)]]>其中，D为成型丝宽度，d为挤出丝直径，u为材料挤出速度，v为喷头扫描速度，a为修正系数。选定挤出丝直径d，分别设定不同的挤出速度u和扫描速度v，进行MEM成型试验，测量出实际成型丝宽度D；再与理论宽度比较得出修正系数a，使成型丝宽度与挤出速度、扫描速度满足关系式(1)，为系统间接测量成型丝宽度提供理论基础。步骤2：设计模糊自整定PID控制器，控制器的结构框图如图1所示，分为模糊化、模糊规则、模糊推理和清晰化等几部分。2.1确定模糊输入输出变量和模糊分割选择偏差e和偏差变化率c作为模糊控制器输入量，dKp，dKi，dKd为输出量；然后进行模糊分割，即检测输入量偏差e和偏差变化率c的变化范围[a，b]，根据公式(2)将连续变量转换到区间为[-6，6]的范围内。Y=12b-a(X-a+b2)---(2)]]>最后将转换得到的精确量根据表1实现变量的离散化，完成模糊分割。表1输入量的模糊分割得到输入变量e和c的论域均为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过模糊控制提高熔融挤出制造丝宽精度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1：通过试验得到成型丝宽度与挤出速度、扫描速度的匹配关系，给出修正系数；步骤2：设计模糊自整定PID控制器，确定模糊输入输出变量和模糊分割，依据模糊控制规则实施模糊推理，最后将推理结果清晰化；为保证控制的实时性，将模糊控制器的设计阶段独立出来，离线计算所有输入量对应的精确量，汇总成模糊控制总表；步骤3：建立熔融挤出成型机喷头系统的近似数学模型，进行MATLAB仿真分析，确定常规PID控制器的初始参数；步骤4：搭建喷头控制系统；使用编码器实时检测扫描速度，根据步骤1中成型丝宽度与扫描速度、挤出速度的匹配关系间接测量当前成型丝宽度，并将结果反馈到比较器与成型丝宽度的给定值D进行比较得出偏差e以及偏差变化率c；将e和c送入控制器单片机，单片机通过量化和查模糊控制总表得出精确量，并将结果转化成频率信号输出给驱动器，从而改变挤出电机速度，使材料挤出速度和当前扫描速度相匹配，保证成型丝宽度满足精度要求。

【技术特征摘要】
1.一种通过模糊控制提高熔融挤出制造丝宽精度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1：通过试验得到成型丝宽度与挤出速度、扫描速度的匹配关系，给出修正系数；步骤2：设计模糊自整定PID控制器，确定模糊输入输出变量和模糊分割，依据模糊控制规则实施模糊推理，最后将推理结果清晰化；为保证控制的实时性，将模糊控制器的设计阶段独立出来，离线计算所有输入量对应的精确量，汇总成模糊控制总表；步骤3：建立熔融挤出成型机喷头系统的近似数学模型，进行MATLAB仿真分析，确定常规PID控制器的初始参数；步骤4：搭建喷头控制系统；使用编码器实时检测扫描速度，根据步骤1中成型丝宽度与扫描速...

【专利技术属性】
技术研发人员：史廷春，高彪彪，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33