基于線寬測(cè)量的增材制造流量智能控制方法

(杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引 言

組織工程技術(shù)是目前最理想的人體器官替代與修復(fù)技術(shù)，應(yīng)用工程學(xué)、生命科學(xué)的原理和方法制備具有生物活性的人工替代物，用以維持、恢復(fù)或提高人體組織、器官的部分或全部功能[1]。植入人體組織的生物支架由基于增材制造技術(shù)的生物制造設(shè)備制備，而生物制造設(shè)備在制備支架過(guò)程中噴頭噴出漿料的流速流量均屬于開環(huán)控制，當(dāng)制備過(guò)程中出現(xiàn)誤差時(shí)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和校正，因流量不足引起的坍塌、流量過(guò)大引起的過(guò)堆，大大降低了成形件的精度和表面質(zhì)量，從而產(chǎn)生誤差影響其精度。本文提出一種基于線寬測(cè)量的增材制造流量的智能控制方法，通過(guò)傳感器反饋的實(shí)際線寬對(duì)工作臺(tái)位移速度和噴頭流量的相對(duì)關(guān)系進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)漿料的精確控制，提高實(shí)體模型或支架形狀的成形精度。

1 開環(huán)低溫成形機(jī)的缺點(diǎn)

目前開環(huán)的低溫成形機(jī)主要存在掃描線斷裂及掃描線過(guò)堆兩大缺點(diǎn)。

1.1 掃描線斷裂

低溫成形機(jī)在制備支架過(guò)程中噴頭擠出漿料流量過(guò)小或帶動(dòng)噴頭的掃描電機(jī)速度過(guò)快時(shí)，噴頭擠出的材料還未跌落粘結(jié)，就被拉走，造成填料不足，絲料斷裂，導(dǎo)致漿料在設(shè)備的工作臺(tái)上留下的掃描線寬過(guò)細(xì)不連貫，最后也難以形成成功支架。

1.2 掃描線過(guò)堆

制備支架過(guò)程中噴頭噴出的漿料流速過(guò)大時(shí)，容易增大出絲的寬度，致使絲與絲的間距減小，甚至?xí)霈F(xiàn)漿料融合的現(xiàn)象，過(guò)堆使得成形支架的孔隙率和貫通率減小，導(dǎo)致漿料在設(shè)備的工作臺(tái)上留下的掃描線寬較大造成過(guò)堆，難以成形可用的支架。

2 閉環(huán)增材制造系統(tǒng)研究方法

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提供一種基于線寬測(cè)量的智能增材制造流量控制方法。基于閉環(huán)控制理論的低溫成型機(jī)的位移速度控制系統(tǒng)[2]，通過(guò)控制成形設(shè)備的工作臺(tái)位移速度與噴頭流量的相對(duì)關(guān)系，對(duì)實(shí)體模型或支架形狀的精度、孔隙的形狀和孔隙率實(shí)現(xiàn)智能控制。

2.1 閉環(huán)系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

在制備實(shí)體模型或支架曲面時(shí)，受慣性阻力的影響，帶動(dòng)噴頭進(jìn)行掃描的電機(jī)的轉(zhuǎn)速大大降低，故采用降低漿料擠出速度的方法達(dá)到控制效果。本方法中的控制系統(tǒng)目標(biāo)為控制噴頭掃描電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制噴頭的掃描速度，進(jìn)而控制噴頭噴出的漿料在工作臺(tái)上的線寬能達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)值?？刂瓶驁D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制方框圖

噴頭擠出漿料過(guò)程中，若擠出漿料的真實(shí)值與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)偏差，傳感器檢測(cè)偏差信號(hào)，控制器及時(shí)發(fā)現(xiàn)及糾正噴頭運(yùn)行過(guò)程中擠出漿料線寬的偏差，調(diào)整噴頭掃描電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而保證預(yù)定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

圖1中，設(shè)傳感器第k次采集實(shí)際線寬為ui(k)，控制器(單片機(jī))中存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)線寬為ur，第k次采集后的偏差e(k)=ui(k)-ur，控制回路的比例系數(shù)為Kp，第k次需調(diào)整量ΔPp(k)=ui-ur，調(diào)整后的線寬值P(k)=Δp(k)+Pp(k+1)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算參數(shù)中，標(biāo)準(zhǔn)線寬一般取0.65 mm[3];標(biāo)準(zhǔn)線寬對(duì)應(yīng)的噴頭掃描電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)電壓通過(guò)逐漸減小實(shí)際漿料的線寬與標(biāo)準(zhǔn)線寬之間的差值反復(fù)標(biāo)定電壓的實(shí)驗(yàn)獲得。

2.2 閉環(huán)系統(tǒng)的控制方法

閉環(huán)系統(tǒng)的控制流程如圖2所示，步驟如下:

圖2 控制流程圖

1)噴頭擠出的漿料在成形設(shè)備的工作臺(tái)上，通過(guò)安裝在噴頭上的線性CCD 傳感器檢測(cè)沉積制造中擠出材料線寬的圖像，根據(jù)灰度值對(duì)獲得的圖像進(jìn)行處理，得到質(zhì)量較好的圖像，根據(jù)CCD的分辨率計(jì)算出工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)中擠出漿料的線寬;

2)將計(jì)算出的線寬數(shù)值送入單片機(jī)的寄存器中，與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)線寬數(shù)值(0.65 mm)進(jìn)行比較，計(jì)算出偏差;

3)若實(shí)際線寬小于標(biāo)準(zhǔn)線寬且差值的絕對(duì)值大于預(yù)設(shè)閾值，在工作臺(tái)上得到的漿料線寬過(guò)窄，即掃描運(yùn)動(dòng)電機(jī)電壓過(guò)大，故減小掃描運(yùn)動(dòng)電機(jī)電壓至標(biāo)準(zhǔn)電壓，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而減小工作臺(tái)與噴頭的相對(duì)移動(dòng)速度，增大實(shí)際線寬[4]。其中標(biāo)準(zhǔn)電壓通過(guò)逐漸減小實(shí)際漿料的線寬與標(biāo)準(zhǔn)線寬之間的差值反復(fù)標(biāo)定電壓的實(shí)驗(yàn)獲得;

4)若實(shí)際線寬大于標(biāo)準(zhǔn)線寬差值的絕對(duì)值大于預(yù)設(shè)閾值，由于在制備實(shí)體模型或支架曲面時(shí)，受慣性阻力的影響，帶動(dòng)噴頭進(jìn)行掃描的電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)法達(dá)到理想值，故采用減少漿料擠出速度的方法達(dá)到控制效果。通過(guò)單片機(jī)控制電磁杠桿活動(dòng)壓縮軟管減少漿料擠出速度，以降低送料速度，從而減小實(shí)際線寬;

5)步驟3和步驟4中的掃描運(yùn)動(dòng)電機(jī)電壓調(diào)整幅度、電磁杠桿運(yùn)動(dòng)幅度和搓絲電機(jī)調(diào)速的幅度，需根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)算調(diào)整;

6)若實(shí)際線寬與標(biāo)準(zhǔn)線寬的誤差小于設(shè)定閾值，即得到的線寬數(shù)據(jù)滿足要求，不做任何動(dòng)作，進(jìn)入下一次檢測(cè);

7)得到精度更高的成形實(shí)體模型或支架。

2.3 閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)攝像頭采集支架漿料的實(shí)際線寬作為反饋信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)線寬對(duì)比，主控采用單片機(jī)，結(jié)合德州儀器高性能10位DA 芯片TLC5615 輸出模擬電壓的功能，從而有效地實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。單片機(jī)控制噴頭掃描電機(jī)電壓使得漿料線寬達(dá)到控制，其中單片機(jī)控制噴頭掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速電壓范圍為0.0 10.0V。實(shí)際線寬與計(jì)算線寬誤差如表1所示。

線寬的算術(shù)平均誤差為:

表1 實(shí)際線寬與計(jì)算線寬誤差分析

本文的研究目標(biāo)是采集支架漿料線寬誤差為10%，其目標(biāo)值為0.65 mm，因此通過(guò)實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。兩路CMOS 攝像頭處理性能優(yōu)勢(shì)明顯，不僅克服了單CMOS 攝像頭圖像采集死角的缺點(diǎn)，而且在一定程度上補(bǔ)償了光源造成的視覺誤差，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算獲得出絲的寬度，一改原有低溫成形機(jī)缺少反饋的缺點(diǎn)，本方案硬件可移植性強(qiáng)，能夠作為輔助工具應(yīng)用于絕大部分低溫成形機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了組織工程、增材制造技術(shù)以及開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)合3種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)提出了閉環(huán)的增材智能控制方法;攝像頭采集支架漿料線寬得到算術(shù)平均誤差為0.013的支架漿料線寬，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)增材制造設(shè)備流量的智能控制。

[1]王莉莎.展示中國(guó)組織工程研究最優(yōu)秀的成果[J].中國(guó)組織工程研究，2012，16(9):1 700.

[2]劉丁.自動(dòng)控制理論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:26-32.

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[4]趙磊，王哈力，何緒鋒，等.基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(16):196-198.