[發(fā)明專利]一種基于微流擠出工藝的漿料擠出裝置及其控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910006537.1
• 申請日: 2019-01-04
• 公開（公告）號: CN109465945B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設計）人: 段國林;劉志鵬;周婧;蔡瑾;張靜;夏曉光;王安邦
• 申請（專利權）人: 河北工業(yè)大學
• 主分類號: B28B1/00
• 分類號: B28B1/00;B33Y10/00;B33Y30/00;B33Y50/02
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

1.一種帶有基于微流擠出工藝的漿料擠出裝置的增材制造裝置的控制方法，其特征為

帶有基于微流擠出工藝的漿料擠出裝置的增材制造裝置的組成包括基于微流擠出工藝的漿料擠出裝置、支撐立柱、Z軸滑塊、Z軸導軌、成型平臺、X軸滑塊、X軸導軌、Y軸雙滑塊、Y軸雙導軌和底座；

所述的底座的后側中部固定有支撐立柱，支撐立柱的上部固定有Z軸導軌；所述的Z軸導軌上設置Z軸滑塊，Z軸滑塊上固定有漿料擠出裝置；2個Y軸導軌平行，垂直于底座的底邊；每個Y軸導軌上設置有1個Y軸滑塊；所述的X軸導軌兩端的下部分別和1個Y軸滑塊相連；所述的X軸導軌上設置X軸滑塊；X軸滑塊上設置有成型平臺；所述的X軸導軌、和Y軸雙導軌和Z軸導軌均設置有一個驅動電機；所述的漿料擠出裝置中的基座固定在Z軸滑塊上；

所述的基于微流擠出工藝的漿料擠出裝置的組成包括基座、步進電動缸、壓力傳感器和注射器；

其中，所述的基座的正面上方固定有步進電動缸，步進電動缸推桿的底部中心，通過卡扣固定有壓力傳感器；基座的下部，通過螺釘固定有圓形的卡套；注射器通過圓形卡套進行固定；步進電動缸推桿、紐扣型壓力傳感器和注射器由上到下，并且三者共軸；

控制方法包括如下步驟：

步驟1：設定各個模塊的中斷優(yōu)先級,完成中斷優(yōu)先級初始化，啟動漿料擠出裝置，系統(tǒng)隨即運行；

其中，設定中斷優(yōu)先等級從高到低為：速度匹配決策控制模塊、儲料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊；

步驟2：設定擠出進給初始轉速v，單位r/s，驅動步進電動缸達到初始轉速v；

其中，漿料的擠出速度要求對應有不同的步進電動缸初始轉速，目標漿料擠出速度為v₀，v₀根據用戶對打印效率的要求自行給出，則根據公式，

單位r/s；(1)其中，A₀為擠出頭截面積，單位mm²；

A_P為料筒截面積，單位mm²；

P_h為步進電動缸導程，單位mm/r；

得到步進電動缸的初始轉速v，操作時，將所要求的目標漿料擠出速度v₀配置到PC，PC根據公式(1)自動生成步進電動缸初始轉速v，單位r/s，通過步進電機驅動器驅動步進電動缸電缸轉速達到v，此時步進電動缸推桿推動注射器柱塞推桿將儲料裝置內的陶瓷漿料擠出；

步驟3：以步驟2中所設定的擠出進給初始轉速推動儲料裝置推桿，壓力傳感器與注射器柱塞推桿接觸，近似將壓力傳感器所受壓力等效于儲料裝置內部壓力；系統(tǒng)實時采集儲料裝置內部壓力信息并進行反饋，記錄前20個采樣周期壓力偏差，進行編號為e₀、e₁、e₂...e₁₈、e₁₉；采樣周期T的設定根據所需求的響應頻率確定，采樣周期為：s為系統(tǒng)時鐘；M_HZ為芯片外掛晶振的頻率；

儲料裝置中的漿料受到正壓力被不斷地擠出，將存儲在內存中的前20個采樣周期壓力信息數(shù)據求得偏差，進行記錄標記為e₀、e₁、e₂...e₁₈、e₁₉，

其中e₀＝P₁-P₀、e₁＝P₂-P₁、e₂＝P₃-P₂...e₁₉＝P₂₀-P₁₉????????(2)

步驟4：重點判斷采樣壓力偏差e₁₅、e₁₆、e₁₇、e₁₈、e₁₉是否在±5范圍內；

依次比較壓力偏差是否在設定的穩(wěn)定范圍±5內，且重點比較采樣壓力偏差e₁₅、e₁₆、e₁₇、e₁₈、e₁₉是否在±5范圍內，且當壓力偏差e₁₅、e₁₆、e₁₇、e₁₈、e₁₉都在±5認為壓力偏差在穩(wěn)定范圍內，繼續(xù)進行漿料擠出進程；

若所記錄的壓力偏差數(shù)值沒有在±5范圍內，且采樣壓力偏差e₁₅、e₁₆、e₁₇、e₁₈、e₁₉大于5，則認為漿料擠出過程出現(xiàn)“堵塞”或“斷絲”現(xiàn)象，將步進電動缸驅動模塊的使能引腳從高電平拉低設定為低電平，中斷步進電動缸運行，暫停漿料擠出動作；此時重新設定漿料擠出速度，將擠出速度增大10r/s，然后比較采樣壓力實時偏差e是否在±5范圍內，重復步驟4；重復2～3次，此階段完成裙邊的打印；轉入實體打??；

步驟5：漿料擠出裝置進行實體打印，提取掃描速度信息，判斷打印機掃描速度是否發(fā)生改變；

進行G-code代碼的翻譯，首先識別字符F，將字符F后的數(shù)據，記為v₀、v₁、v_k、v_k+1，并進行存儲，實現(xiàn)掃描速度信息的提取；判斷前后兩段路徑掃描速度是否發(fā)生改變，若前一段路徑的掃描速度v_k不等于后一段路徑的掃描速度v_k+1，則進入速度匹配決策控制模塊，然后進入儲料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊；若掃描速度未發(fā)生改變，前一段路徑掃描速度v_k等于后一段路徑掃描速度v_k+1，則進入儲料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊；

當進入速度匹配決策控制模塊時：

步驟(1)：掃描速度發(fā)生改變，即v_k≠v_k+1，速度匹配決策控制模塊發(fā)出中斷請求；

速度匹配決策控制模塊發(fā)出中斷請求，且速度匹配決策控制模塊中斷優(yōu)先等級高于儲料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊中斷優(yōu)先等級，速度匹配決策控制模塊優(yōu)先執(zhí)行動作；

其中，待裝置進入穩(wěn)定的漿料擠出過程中后，儲料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊持續(xù)維持其內部壓力穩(wěn)定，在穩(wěn)定閾值±5內，當掃描速度發(fā)生改變，執(zhí)行步驟(1)，此時儲料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊所執(zhí)行的操作被暫停；

步驟(2)：速度匹配決策控制模塊更新漿料擠出速度；

速度匹配決策控制模塊提取內存中新的掃描速度，記為v_k，依據公式

其中，v_P'為漿料擠出直線進給速度，單位mm/s,

x_P為步進電動缸推桿進給移動距離，單位mm，

t₀為步進電動缸推桿運動時間，單位s，

L₀為X、Y方向步進電機移動距離，單位mm，

A₀為擠出針頭的截面積，單位mm²，

A₁為儲料筒的截面積，單位mm²，

更新漿料擠出速度v_P'，并將v_P'存儲到內存中；

步驟(3)：依據更新后的漿料擠出速度v_P'對步進電動缸轉速v進行更新調整，重新賦值，得到更新后的步進電動缸轉速v'，并進行轉速調節(jié)；

其中步進電動缸轉速v'根據公式

其中，v'為步進電動缸轉速，單位r/s，

v_P'為漿料擠出直線進給速度，單位mm/s，

P_h為步進電動缸導程，單位mm/r，

計算得到，并對步進電動缸轉速v進行重新賦值，令v＝v'，驅動步進電動缸調整轉速達到新的目標轉速v，完成速度匹配的步驟；

步驟(4)：完成速度匹配，跳出速度匹配決策控制模塊，轉入到成料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊，控制儲料裝置內部壓力穩(wěn)定在推薦值±5范圍內；

當進入儲料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊時：

步驟(1)：儲料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊提取壓力信息，并儲存在內部緩存中；

進入儲料裝置內部壓力穩(wěn)定控制模塊，此時讀取每個采樣周期前后兩次壓力值，并存儲到緩存中，記為P_k和P_k+1；

步驟(2)：計算儲料裝置內部壓力偏差e_F(k)與內部壓力偏差變化Δe_F(k)；

儲料裝置內部壓力偏差e_F(k)＝P_k+1-P_k，

其中P_k、P_k+1分別為一個采樣周期前后兩次測得的壓力數(shù)據；

儲料裝置內部壓力偏差變化由公式Δe_F(k)＝e_F(k+1)-e_F(k)，

其中e_F(k)、e_F(k+1)分別為每個采樣周期結束后所得到的內部壓力偏差；

步驟(3)：對儲料裝置內部壓力偏差e_F(k)與內部壓力偏差變化Δe_F(k)進行模糊化處理；

其中模糊化處理過程為，令e_F(k)與Δe_F(k)分別乘以量化因子與得到e_F(k)與Δe_F(k)分別對應在Fuzzy模糊子集中的模糊變量；

步驟(4)：進行模糊推理，推理得到模糊輸出變量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D，并對模糊輸出變量進行解模糊處理；

其中，模糊推理機依據模糊控制參數(shù)規(guī)則表和模糊輸入變量，推理出對應的模糊輸出變量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D；

步驟(5)：根據傳統(tǒng)PID控制器接收實際輸出參數(shù)ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D，進行增量式PID控制運算，得到模糊PID參數(shù)自整定壓力控制模塊輸出調節(jié)量Δu(k)；

傳統(tǒng)PID控制器接收上一步驟(4)中得到的控制參數(shù)實際變量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D，并對初始控制參數(shù)K_P、K_I、K_D的數(shù)值進行重新賦值，令K_P＝K_P+ΔK_P，K_I＝K_I+ΔK_I，K_D＝K_D+ΔK_D；

利用增量式PID控制規(guī)律，

Δu(k)＝q₀e(k)+q₁e(k-1)+q₂e(k-2)?(5)

其中，q₀＝K_P(1+K_I+K_D)，

q₁＝-K_P(1+2K_D)，

q₂＝K_PK_D，

e(k)、e(k-1)、e(k-2)為存儲在內存中的壓力偏差，

得到最終的模糊PID參數(shù)自整定控制器輸出變量Δu(k)；

步驟(6)：判斷模糊PID參數(shù)自整定控制模塊輸出變量Δu(k)的正負，若Δu(k)≥0，則令漿料擠出裝置步進電動缸轉速增加；若Δu(k)＜0，則令漿料擠出裝置步進電動缸轉速減??；

步驟(7)：判斷下一采樣周期內壓力偏差e_F(k+1)是否在設定的閾值內；

其中閾值的設定為±5或±10之內；

步驟6：識別G-code中的打印結束標志字符串，判斷打印進程是否結束；

若未識別到出現(xiàn)字符串“停止?jié){料擠出和關閉各軸步進電動機”，則返回步驟5,重復執(zhí)行步驟5；若識別到出現(xiàn)字符串“停止?jié){料擠出和關閉各軸步進電動機”，則失能步進電動缸，跳出漿料擠出控制系統(tǒng)，結束打印進程。

2.如權利要求1所述的帶有基于微流擠出工藝的漿料擠出裝置的增材制造裝置的控制方法，其特征為所述的步驟3中的采樣周期T為100ms。