發(fā)布時間：2017-07-29 23:20

  本文關(guān)鍵詞：MEM（FDM）成型絲寬精度模糊控制系統(tǒng)設計及應用

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【摘要】：隨著增材制造的迅速發(fā)展,人類對產(chǎn)品的需求有了更高的要求,成本低、周期短、質(zhì)量好、個性化的產(chǎn)品越來越受到青睞。其中,熔融擠出成型作為增材制造的典型工藝,自動化的成型過程、廣泛的成型材料、體積小且維護方便的成型設備,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)域得到了廣泛的應用;但同時,由于其成型材料是半固態(tài)到固態(tài)過程的轉(zhuǎn)化,成型過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、抗干擾能力強等優(yōu)點,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,使得成型絲的寬度值難以測量,為成型系統(tǒng)的設計增添了障礙。本文通過對MEM成型工藝的深入研究,設計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)采用間接法在線測量MEM成型絲寬度,實現(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,直接測量成型絲的寬度難度大;本文根據(jù)擠出速度、掃描速度、成型絲寬度三者的匹配關(guān)系,通過檢測掃描速度和擠出速度間接測量出成型絲寬度,該方法可靠易實現(xiàn)且避免引入不必要的誤差,為系統(tǒng)的設計提供一種新的方法,也為增材制造領(lǐng)域的相似工藝提供一種新的思路。(2)近似建立模糊控制系統(tǒng)的數(shù)學模型,保證控制精度的同時提高系統(tǒng)的設計效率。MEM成型系統(tǒng)的被控對象為步進電機驅(qū)動的噴頭裝置,其中步進電機作為系統(tǒng)的主要部分,其非線性、時變、強耦合的特性,造成系統(tǒng)的參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)會隨著環(huán)境的變化而產(chǎn)生變化,從而給系統(tǒng)的設計帶來難題;本文指出對步進電機進行適當?shù)暮喕芴岣呦到y(tǒng)的設計效率,縮短設計的周期。(3)設計模糊自整定PID控制器以提高系統(tǒng)控制精度。常規(guī)PID控制器具有算法簡單、性能良好和可靠性高的優(yōu)點,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)當前實際情況實時調(diào)整控制參數(shù)而不受精確數(shù)學模型的局限,具有良好的魯棒性和自適應性,動態(tài)響應品質(zhì)及控制效果良好,適用于MEM成型絲寬的系統(tǒng)控制。(4)完成系統(tǒng)的硬件和軟件設計。對成型控制系統(tǒng)進行硬件電路搭建,并編寫和調(diào)試主程序、速度檢測程序、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)的設計。(5)應用模糊控制系統(tǒng)完成實體制造,并與原控制系統(tǒng)的成型件進行對比分析,得出結(jié)論:模糊控制系統(tǒng)能有效改善MEM成型絲寬的精度問題,解決原系統(tǒng)在掃描曲率半徑小于3mm的路徑時不滿足精度要求的問題,成型精度提高90%,為產(chǎn)品的成型質(zhì)量提供保障,達到預期效果;同時,給增材制造領(lǐng)域其它相似成型技術(shù)的精度控制提供有價值的參考。
【關(guān)鍵詞】：MEM 成型絲寬度 間接測量 模糊控制 單片機
【學位授予單位】：杭州電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP273.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-18
• 1.1 增材制造概述12-13
• 1.2 增材制造的應用13
• 1.3 增材制造精度控制的研究現(xiàn)狀13-16
• 1.4 研究意義和主要研究內(nèi)容16-18
• 1.4.1 研究意義16
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容16-18
• 第2章 熔融擠出成型18-25
• 2.1 熔融擠出成型機的結(jié)構(gòu)18-21
• 2.1.1 硬件系統(tǒng)18-20
• 2.1.2 軟件系統(tǒng)20-21
• 2.2 成型材料的選取21-22
• 2.3 成型絲寬度間接測量法的提出22-24
• 2.3.1 成型絲寬度的直接測量22-23
• 2.3.2 成型絲寬度的間接測量23
• 2.3.3 間接測量法條件的驗證23-24
• 2.4 本章小結(jié)24-25
• 第3章 MEM成型絲寬模糊控制系統(tǒng)建模25-32
• 3.1 兩相混合式步進電機的工作原理25-27
• 3.1.1 兩相混合式步進電機的結(jié)構(gòu)25-26
• 3.1.2 兩相混合式步進電機的工作原理26-27
• 3.2 步進電機升降速控制技術(shù)27-29
• 3.2.1 升降速控制技術(shù)的必要性27-28
• 3.2.2 升降速離散逼近控制技術(shù)28-29
• 3.3 MEM成型絲寬模糊控制系統(tǒng)的工作原理29
• 3.4 建立系統(tǒng)各部分的數(shù)學模型29-31
• 3.4.1 驅(qū)動器系統(tǒng)的建模29-30
• 3.4.2 步進電機系統(tǒng)的建模30-31
• 3.4.3 擠出螺桿系統(tǒng)的建模31
• 3.4.4 光電編碼器系統(tǒng)的建模31
• 3.5 本章小結(jié)31-32
• 第4章 模糊控制器設計及其MATLAB仿真32-43
• 4.1 常規(guī)PID控制理論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 模糊控制理論33-35
• 4.3 模糊自整定PID控制器的設計35-40
• 4.3.1 定義變量和模糊化36-37
• 4.3.2 建立模糊控制規(guī)則庫37-38
• 4.3.3 模糊推理和輸出解模糊化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 本章小結(jié)42-43
• 第5章 MEM成型絲寬模糊控制系統(tǒng)的實現(xiàn)43-56
• 5.1 控制系統(tǒng)硬件設計43-49
• 5.1.1 處理器的選型43-44
• 5.1.2 處理器及其外圍電路44-47
• 5.1.3 編碼器的選型47-48
• 5.1.4 步進電機驅(qū)動器的選型48-49
• 5.2 硬件抗干擾措施49
• 5.3 控制系統(tǒng)軟件設計49-55
• 5.3.1 單片機C語言簡介49-50
• 5.3.2 開發(fā)軟件Keil簡介50-51
• 5.3.3 系統(tǒng)軟件組成51
• 5.3.4 主程序模塊51-53
• 5.3.5 速度檢測模塊53
• 5.3.6 模糊PID控制器模塊53-54
• 5.3.7 脈沖輸出模塊54-55
• 5.4 本章小結(jié)55-56
• 第6章 成型試驗和分析56-60
• 6.1 成型試驗平臺搭建56-57
• 6.2 試驗及結(jié)果分析57-59
• 6.3 本章小結(jié)59-60
• 第7章 總結(jié)和展望60-62
• 7.1 本文總結(jié)60
• 7.2 展望60-62
• 致謝62-63
• 參考文獻63-67
• 附錄67

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本文編號：591572