三维成型机的五轴优化控制及温度预测研究

发布时间：2020-07-29 20:52

【摘要】：三维成型机作为一种新型的打印技术,因其操作简单,成本低,可打印复杂零件等优势被广泛应用在机械制造、医疗设备、珠宝等领域。但是三维成型机的硬件设备较多,内部结构复杂,因此,对于电机稳定性和热喷头温度精确度的提高显得尤为重要。本文以我校自主设计的桌面级三维成型系统为研究对象,基于该实验平台对五台电机的优化控制和热喷头的温度预测问题进行研究,从而提高系统的打印精度。主要研究内容包括:首先,在现有的实验平台上进行整体架构方案研究,根据其成型原理,分析系统的硬件结构、软件应用与机械设计,在此基础上,提取出多台电机间的协调优化和热喷头温度预测反馈两个研究点,从硬件和软件两方面给出设计方案。其次,通过建立步进电机及五轴(X、Y、Z1、Z2轴和挤出机P)联动模型,分析五轴电机的联动误差,给出优化设计思路,对模糊神经网络和PID控制算法进行研究,优劣互补,融合优化,提出一种基于模糊神经网络PID的五轴成型优化控制算法。仿真及实验测试结果表明,五轴电机稳定性明显提高,误差降低,调节时间缩短3.02s。除此之外,针对热喷头温度影响产品成型效果问题,本文提出基于粒子群优化支持向量机(PSO-SVM)的热喷头温度预测算法,利用PSO优化SVM参数,两种算法扬长避短,以打印时的外界环境温度与喷头移动速度为输入量,通过训练样本进行仿真预测。实验结果表明该算法的预测准确度较高,其平均相对误差较改进前降低了 5.6%,热喷头温度控制效果明显改善,可促进成型精度的提高。最后,对整个成型过程中所用建模、切片以及成型软件进行分析,设计操控界面,设置参数值,调试软硬件系统。在优化后的实验平台上加工出人形动画实物,实验结果表明,经本文所提方法优化后的成型产品光滑度明显提升,最大粗糙度下降0.42mm。因此,该方法可为大型三维成型机的精细控制方面提供参考。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;TP334.8
【图文】：

打印过程,基本流程

研究背景又称三维（3D）打印机，是一种以数字模型文件为基础，或塑料等可粘合材料，根据三维数据信息，采用逐层累加的的切削加工技术，是一种“自下而上”的累积成型过程[1]“3D 打印”这个名词以来，3D 打印的概念逐渐走进人们的业的快速发展，3D 打印机作为成型技术的主要设备，发展打印服务不断更新，为各厂商提供了更加宽广的发展平台0 年代末开始，3D 打印技术逐渐兴盛起来，被称为“材料“分层制造”等，根据成型原理的差异，可分为:熔融沉eling, FDM)、立体光固化成型(Stereo Lithography Apparatusective Laser Sintering, SLS)等[5-7]，其打印的基本流程如图 1具有以下优点：即时成型，可根据客户的个性化需求，实时快，可快速打印出许多复杂多样的模型；成型产品精确度高

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2 三维成型系统架构方案与分析2 三维成型系统架构方案与分析三维成型技术原理沉积成型技术简称 FDM 技术，以热熔性丝状材料为加工原料，经头，并在喷头中加热熔化成半液态，经口径较小的喷嘴挤压出，形机的控制下，根据产品截面信息选择性的将热熔材料涂抹在热床冷却后便形成图形截面。一层截面成型后，热喷头实时调整高度与覆盖，如此循环往复，截面进行层层堆积，直至形成整个打印模印过程[26]。FDM 技术的成型实质是将热熔材料进行预热熔化和挤其成型流程主要是：数据获取、数据处理、快速制造、后处理，

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构；2-热熔材料；3-挤出机；4-热喷头；5-三维产品；图 2.2 2 三维成型系统工作原理图打印方式相似，是由数据控制硬件完成打印，是一种典型的多学科交叉系统。本文研究的基统、硬件控制系统、机械系统组成。其系统组平台、挤出机构、支撑装置组成，是三维成型件控制模块和驱动电路，是整个系统最为重要的桥梁作用，负责识别从软件系统获取的 Gcod制指令，发送至驱动电路与机械系统，完成整为上下位机两部分，上位机主要是三维模型建型到单片机可识别文件的格式转换过程以及整

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