基于數控加工的熔融沉積成型精度控制

井石磊，王宏斌，崔寶光

（1.陜西工商職業學院，西安 710114；2.西北農林科技大學，陜西 咸陽 712100）

熔融沉積成型無需激光器配合，只需通過計算機即可實現增量加工[1]。在熔融沉積成型加工過程中，精度是影響加工質量的關鍵因素，熔融沉積成型精度控制作為提高熔融沉積成型精度的關鍵，具有十分重要的研究意義。目前，我國熔融沉積成型精度控制方法較為落后，主要通過磨削軋輥原始凸度的方法加以控制，很難適應熔融沉積成型多變的軋制情況，很容易出現誤差大等問題[2]。在后續的研究中，相關學者提出了動態分配負荷系數的方法，雖然在熔融沉積成型精度控制方面取得了一定的研究成果，但軋出的實體零件仍無法滿足高精度要求，因此，優化設計熔融沉積成型精度控制方法是時下的熱點研究話題[3]。其控制整體流程十分復雜，對數學模型的精度有極高要求，且需要結合先進的控制理念。數控加工作為一種精細化加工方法，尤其在細小零件精度處理方面具有很高的適用性[4]?；诖?，有理由將數控加工應用于熔融沉積成型的精度控制，設計出一種新型的控制方法，降低控制偏度系數，從根本上提高熔融沉積成型精度。

1 基于數控加工的熔融沉積成型精度控制方法

文中設計的熔融沉積成型精度控制整體示意如圖1 所示。下文針對圖1 中的3 點主要流程進行詳細闡述。

圖1 熔融沉積成型精度控制方法示意Fig.1 Schematic diagram of fused deposition modeling accuracy control method

1.1 基于數控加工計算熔融沉積成型預設定

在熔融沉積成型精度控制過程中，文中基于數控加工的自動編程功能，根據熔融沉積成型的圖紙，對其加以相應的數據處理，進而編寫加工程序單[5]?；跀悼丶庸さ娜廴诔练e成型預設定編制具體代碼，如圖2 所示。

圖2 熔融沉積成型預設定編制代碼Fig.2 Fused deposition modeling pre-set code

根據圖2 中的程序代碼，可以生成熔融沉積成型的具體參數，并根據預期成型的長度、寬度、厚度以及材質等信息，進行相應的校驗與修改[6]。以計算的方式獲取程序校驗與修改所需的各項數據。首先，計算熔融沉積成型比例凸度（V），表達式見式（1）。

式中：L為是軋輥直徑；S為軋輥的熱磨損系數。在此基礎上，計算彎輥力（H），見式（2）。

式中：U為熔融溫度。通過式（2）可得出彎輥力，為校驗與修改程序中的數據變量提供基礎。根據獲取的參數得知，部分數據在熔融沉積成型精度控制過程中會被頻繁使用[7]。綜上所述，文中使用自動控制模式，使用輸入脈沖頻率精確控制熔融沉積成型預設定的數據變量。完成控制過程的變量數據定義后，可在自動控制模式下應用單Single MHz 環路載波獲得靈敏度，并通過調整載波鎖定靈敏度，完成精確的熔融沉積控制。在自動化控制模式下，載波捕獲靈敏度的計算表達見式（3）。

式中：Y為控制類型參數；J為熔融沉積成型內部殘余應力。根據上述計算公式，可基于數控加工計算得出熔融沉積成型預設定值。

1.2 熔融沉積成型精度自學習

完成上述研究后，可知其控制過程是動態變化的，因此，熔融沉積成型精度控制屬于短期自學習過程，可通過精度自學習調整其控制偏差?；诖?，設計精度自學習模型，假定該模型表達式為式（4）。

式中：ε為彎輥力偏差；?為彎輥力微調值。通過精度自學習模型[8—10]，自動調節熔融沉積成型精度控制中產生的偏差，進一步提高熔融沉積成型控制精度。

1.3 控制熔融沉積成型精度

通過熔融沉積成型精度自學習，綜合分析其精度控制的歷史趨勢。以此為依據，設其精度控制方程式為（5）。

式中：k'為比例凸度下的熔融沉積成型前饋無功功率；s為控制特征；W為精度反饋彎輥力修正量。通過式（5）可以將精度控制過程內包含的控制信息無縫承接。同時，可以通過計算機識別文中獲得的控制方程式，并通過控制方程實現對熔融成型的精確控制。采用上面提出的控制方法，并使用自動頻率跟蹤功能[11—13]，擴展了頻率跟蹤核心的控制信息，并控制了A/D 轉換輸出精度檢查接口。將波形設備生成的信號用作時鐘信號，在可變負載條件下，驅動頻率之間存在負相關，因此，最小值是跟蹤點參考頻率的最大值。為了提高控制精度，此文檔記錄了每個控制信號的精度，以獲取實時控制狀態。如果記錄的當前值高于最后一條記錄的值，則保留當前值，否則保留最后的值。假設超聲波驅動器的振動諧波頻率在該范圍內，則與該狀態下控制信息的頻率相對應的頻率值是關鍵變量[14—15]。通過控制方法的實際應用，可以收集適當的過程控制信息，以了解板類型的實時控制情況，進而控制其精度。目前，已經開發了基于CNC處理控制鑄造精度的方法。

2 實例分析

2.1 實驗準備

此次實驗選擇某材料作為實驗對象，實例分析內容為熔融沉積成型精度控制。數控加工采用西門子數控臥式車床，型號為 CAK6150，將主軸轉速設為600 r/min，進給量設為 0.08 mm/r，切削深度設為0.8 mm（單邊），并保持其余切削參數不變。使用一套2100 mm 的半連續加工生產線以及平整分卷機組。彎輥力設計為 500～13000 kN；軋制力設計為-50～500 kN。在此次實例分析中，將控制偏度系數作為實驗測試指標，控制偏度系數越低，表明該控制方法的控制精度越高。首先，使用文中設計方法，控制熔融沉積成型精度，通過Matlab 軟件測其控制偏度系數，設為實驗組；再使用傳統方法，控制熔融沉積成型精度，通過Matlab 軟件測其控制偏度系數，設為對照組。在此次實驗中，設置實驗時間為10 h，記錄實驗結果。

2.2 結果與分析

根據實驗結果得出2 種控制方法的控制偏度系數，具體結果如表1 所示。

表1 控制偏度系數對比Tab.1 Control skewness coefficient comparison table

為了使實驗組和對照組的控制偏度系數結果對比明顯，將2 組數據構建成折線圖，如圖3 所示。

圖3 實驗組和對照組的控制偏度系數比較Fig.3 Comparison chart of control skewness coefficient between experimental group and control group

分析圖3 可得，在相同的測試時間內，文中設計控制方法的控制偏度系數比對照組低，控制精度更高，能夠實現對熔融沉積成型精度的精準控制，具有現實應用價值，值得被大力推廣。

3 結語

通過一個分析示例，證明了設計管理方法在實際應用中的適用性，并在此基礎上證實了對這種優化方法的需求，因此，文中描述的設計可以消除傳統控制熔融成型精度較低的缺點。文中未驗證控制不對稱系數測量結果的準確性和可靠性，這進一步增加了控制不對稱系數測量結果的不可靠性，可以在該領域的未來研究中進行補充。同時，需要進行深入研究，優化熔融成型工藝的設計，以提升熔融成型的精度，改善零件成型加工質量。