MEM(FDM)成型絲寬精度模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用.pdf

1、隨著增材制造的迅速發(fā)展，人類對(duì)產(chǎn)品的需求有了更高的要求，成本低、周期短、質(zhì)量好、個(gè)性化的產(chǎn)品越來(lái)越受到青睞。其中，熔融擠出成型作為增材制造的典型工藝，自動(dòng)化的成型過(guò)程、廣泛的成型材料、體積小且維護(hù)方便的成型設(shè)備，使其在建筑、輕工、考古、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、人文藝術(shù)和航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；但同時(shí)，由于其成型材料是半固態(tài)到固態(tài)過(guò)程的轉(zhuǎn)化，成型過(guò)程受到多重因素影響，成型絲的精度難以得到保證。
　　閉環(huán)控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾

2、能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而其基本條件是要有反饋環(huán)節(jié)；由于熔融擠出技術(shù)成型材料的熱塑性和膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，使得成型絲的寬度值難以測(cè)量，為成型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增添了障礙。本文通過(guò)對(duì)MEM成型工藝的深入研究，設(shè)計(jì)出了成型絲寬度模糊控制系統(tǒng)，以提高成型絲的精度，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。具體的解決方案如下：
　　（1）采用間接法在線測(cè)量MEM成型絲寬度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)。由于成型材料的熱塑性和膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，直接測(cè)量成型絲的寬度難度大；本文根據(jù)擠出速度、掃描速

3、度、成型絲寬度三者的匹配關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)掃描速度和擠出速度間接測(cè)量出成型絲寬度，該方法可靠易實(shí)現(xiàn)且避免引入不必要的誤差，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種新的方法，也為增材制造領(lǐng)域的相似工藝提供一種新的思路。
　?。?）近似建立模糊控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，保證控制精度的同時(shí)提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。MEM成型系統(tǒng)的被控對(duì)象為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的噴頭裝置，其中步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的主要部分，其非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合的特性，造成系統(tǒng)的參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)會(huì)隨著環(huán)境的變化而產(chǎn)生變化

4、，從而給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)難題；本文指出對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化能提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)的周期。
　　（3）設(shè)計(jì)模糊自整定PID控制器以提高系統(tǒng)控制精度。常規(guī)PID控制器具有算法簡(jiǎn)單、性能良好和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是受到精確系統(tǒng)模型的制約，控制效果不能滿足本系統(tǒng)的性能要求；模糊自整定PID控制器能根據(jù)當(dāng)前實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)而不受精確數(shù)學(xué)模型的局限，具有良好的魯棒性和自適應(yīng)性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)及控制效果良好，適用于MEM成型絲寬的

5、系統(tǒng)控制。
　　（4）完成系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。對(duì)成型控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路搭建，并編寫和調(diào)試主程序、速度檢測(cè)程序、模糊PID控制程序和脈沖輸出程序，完成MEM成型絲寬模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
　?。?）應(yīng)用模糊控制系統(tǒng)完成實(shí)體制造，并與原控制系統(tǒng)的成型件進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論：模糊控制系統(tǒng)能有效改善MEM成型絲寬的精度問(wèn)題，解決原系統(tǒng)在掃描曲率半徑小于3mm的路徑時(shí)不滿足精度要求的問(wèn)題，成型精度提高90％，為產(chǎn)品的成型質(zhì)量提供保