MEM（FDM）成型丝宽精度模糊控制系统设计及应用

发布时间：2017-07-29 23:20

  本文关键词：MEM（FDM）成型丝宽精度模糊控制系统设计及应用

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【摘要】：随着增材制造的迅速发展,人类对产品的需求有了更高的要求,成本低、周期短、质量好、个性化的产品越来越受到青睐。其中,熔融挤出成型作为增材制造的典型工艺,自动化的成型过程、广泛的成型材料、体积小且维护方便的成型设备,使其在建筑、轻工、考古、军事、医疗卫生、人文艺术和航空航天等领域得到了广泛的应用;但同时,由于其成型材料是半固态到固态过程的转化,成型过程受到多重因素影响,成型丝的精度难以得到保证。闭环控制系统具有控制精度高、抗干扰能力强等优点,而其基本条件是要有反馈环节;由于熔融挤出技术成型材料的热塑性和膨胀系数大等特点,使得成型丝的宽度值难以测量,为成型系统的设计增添了障碍。本文通过对MEM成型工艺的深入研究,设计出了成型丝宽度模糊控制系统,以提高成型丝的精度,保证产品的质量。具体的解决方案如下:(1)采用间接法在线测量MEM成型丝宽度,实现系统的反馈环节。由于成型材料的热塑性和膨胀系数大的特点,直接测量成型丝的宽度难度大;本文根据挤出速度、扫描速度、成型丝宽度三者的匹配关系,通过检测扫描速度和挤出速度间接测量出成型丝宽度,该方法可靠易实现且避免引入不必要的误差,为系统的设计提供一种新的方法,也为增材制造领域的相似工艺提供一种新的思路。(2)近似建立模糊控制系统的数学模型,保证控制精度的同时提高系统的设计效率。MEM成型系统的被控对象为步进电机驱动的喷头装置,其中步进电机作为系统的主要部分,其非线性、时变、强耦合的特性,造成系统的参数甚至结构会随着环境的变化而产生变化,从而给系统的设计带来难题;本文指出对步进电机进行适当的简化能提高系统的设计效率,缩短设计的周期。(3)设计模糊自整定PID控制器以提高系统控制精度。常规PID控制器具有算法简单、性能良好和可靠性高的优点,但是受到精确系统模型的制约,控制效果不能满足本系统的性能要求;模糊自整定PID控制器能根据当前实际情况实时调整控制参数而不受精确数学模型的局限,具有良好的鲁棒性和自适应性,动态响应品质及控制效果良好,适用于MEM成型丝宽的系统控制。(4)完成系统的硬件和软件设计。对成型控制系统进行硬件电路搭建,并编写和调试主程序、速度检测程序、模糊PID控制程序和脉冲输出程序,完成MEM成型丝宽模糊控制系统的设计。(5)应用模糊控制系统完成实体制造,并与原控制系统的成型件进行对比分析,得出结论:模糊控制系统能有效改善MEM成型丝宽的精度问题,解决原系统在扫描曲率半径小于3mm的路径时不满足精度要求的问题,成型精度提高90%,为产品的成型质量提供保障,达到预期效果;同时,给增材制造领域其它相似成型技术的精度控制提供有价值的参考。
【关键词】：MEM 成型丝宽度 间接测量 模糊控制 单片机
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 增材制造概述12-13
• 1.2 增材制造的应用13
• 1.3 增材制造精度控制的研究现状13-16
• 1.4 研究意义和主要研究内容16-18
• 1.4.1 研究意义16
• 1.4.2 主要研究内容16-18
• 第2章 熔融挤出成型18-25
• 2.1 熔融挤出成型机的结构18-21
• 2.1.1 硬件系统18-20
• 2.1.2 软件系统20-21
• 2.2 成型材料的选取21-22
• 2.3 成型丝宽度间接测量法的提出22-24
• 2.3.1 成型丝宽度的直接测量22-23
• 2.3.2 成型丝宽度的间接测量23
• 2.3.3 间接测量法条件的验证23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 MEM成型丝宽模糊控制系统建模25-32
• 3.1 两相混合式步进电机的工作原理25-27
• 3.1.1 两相混合式步进电机的结构25-26
• 3.1.2 两相混合式步进电机的工作原理26-27
• 3.2 步进电机升降速控制技术27-29
• 3.2.1 升降速控制技术的必要性27-28
• 3.2.2 升降速离散逼近控制技术28-29
• 3.3 MEM成型丝宽模糊控制系统的工作原理29
• 3.4 建立系统各部分的数学模型29-31
• 3.4.1 驱动器系统的建模29-30
• 3.4.2 步进电机系统的建模30-31
• 3.4.3 挤出螺杆系统的建模31
• 3.4.4 光电编码器系统的建模31
• 3.5 本章小结31-32
• 第4章 模糊控制器设计及其MATLAB仿真32-43
• 4.1 常规PID控制理论32-33
• 4.1.1 位置式PID控制算法33
• 4.1.2 增量式PID控制算法33
• 4.2 模糊控制理论33-35
• 4.3 模糊自整定PID控制器的设计35-40
• 4.3.1 定义变量和模糊化36-37
• 4.3.2 建立模糊控制规则库37-38
• 4.3.3 模糊推理和输出解模糊化38
• 4.3.4 建立模糊控制表38-40
• 4.4 模糊自整定PID控制器的MATLAB仿真40-42
• 4.5 本章小结42-43
• 第5章 MEM成型丝宽模糊控制系统的实现43-56
• 5.1 控制系统硬件设计43-49
• 5.1.1 处理器的选型43-44
• 5.1.2 处理器及其外围电路44-47
• 5.1.3 编码器的选型47-48
• 5.1.4 步进电机驱动器的选型48-49
• 5.2 硬件抗干扰措施49
• 5.3 控制系统软件设计49-55
• 5.3.1 单片机C语言简介49-50
• 5.3.2 开发软件Keil简介50-51
• 5.3.3 系统软件组成51
• 5.3.4 主程序模块51-53
• 5.3.5 速度检测模块53
• 5.3.6 模糊PID控制器模块53-54
• 5.3.7 脉冲输出模块54-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第6章 成型试验和分析56-60
• 6.1 成型试验平台搭建56-57
• 6.2 试验及结果分析57-59
• 6.3 本章小结59-60
• 第7章 总结和展望60-62
• 7.1 本文总结60
• 7.2 展望60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-67
• 附录67

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本文编号：591572