一种单侧变速脱模快速成型控制系统及快速成型方法
技术领域:
本发明涉及快速成型领域,尤其涉及一种基于模糊PID算法的快速成型方法及控制系统。
背景技术:
快速成型是一项先进的制造技术,开始于20世纪80年代后期,现已广泛应用于汽车、建筑、医疗、食品和日用品等多个领域。快速成型采用逐点或者逐层的材料叠加方法,其基本思想是使用CAD构建产品的三维模型,并使用切片软件将三维模型在高度方向上进行切片得到各层截面信息,然后按照截面信息逐层进行材料叠加,最终形成模型实体。根据成型方式和使用材料的种类,快速成型可以分为四种技术类型:光固化立体成型(StereoLithography Apparatus,SLA)、熔积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)、选择性激光烧结(Selective LaserSintering,SLS)。其中,SLA是快速成型领域中出现最早、发展最成熟、应用最为广泛的技术。
随着快速成型技术的不断发展和成熟,其应用范围和影响力不断扩大。从应用上来看,快速成型机分为工业级和桌面级。工业级快速成型机涉及多种快速成型技术,桌面级快速成型机一般基于SLA和FDM。对于桌面级快速成型机,SLA虽然在成型速度上没有FDM快,但是在成型精度、产品表面质量、材料利用率等方面具有很大的优势。
对于光固化立体成型SLA,首先通过CAD构建三维模型并导出STL格式文件,然后使用切片软件进行分层处理获取各层切片。在成型初期,成型平台降低到光敏树脂液槽底部,并留有一个切片厚度的空隙。根据SLA的工艺,切片精度最高可达0.01mm。光敏树脂液槽底部贴了一张离型膜,离型膜便于树脂固化后的脱模。光源通过掩膜板在树脂液槽底部形成与切片一致的图像,并开始对区域内的光敏树脂进行固化,形成模型的第一层。接着成型平台上升指定的高度,并继续下一层的成型直到所有切片都固化完成,最终得到模型实体。光固化立体成型SLA的关键是生成图像掩膜,图像掩膜的生成方式有多种,比较典型的有液晶显示(Liquid Crystal Display,LCD)技术和数字光处理(Digital Light Processing,DLP)技术。
使用LCD技术的快速成型方式,需要将二维切片图像在液晶上显示,从而液晶屏幕上出现了和该层切片轮廓相对应的透明区域,轮廓以外则是非透明的。将紫外光从液晶屏的一侧射入,光线会从透明区域中穿过去,非透明区域的光线则被阻挡,穿过去的光线则形成和切片相对应的图像掩膜。使用LCD作为掩膜的快速成型机可以成型较大尺寸的产品,但是液晶屏吸收了大部分的紫外光,因此紫外光的利用率很低,影响树脂固化速度。同时因长时间照射,液晶可能发生损坏。另外,图像的分辨率和对比度低,使得产品表面很粗糙。因此基于LCD技术的快速成型的发展和研究受到了限制,而使用DLP技术的快速成型方式在应用中有着令人满意的效果。
DLP技术,就是把影像信息经过数字化处理再显示出来,该技术基于TI(德州仪器)公司开发的数字微镜元件(Digital Micromirror Device,DMD)来完成可视数字信息的显示。DMD芯片由数百万个微小镜片组成,每个镜片大小只有10.8nm*10.8nm,在数字信号的控制下通过高速翻转对入射光进行反射形成各种灰阶,再结合RGB三色光的分时照射,从而形成颜色丰富的图像。
DLP技术可以完成高清图像的投影显示,对比度很高,在显示黑色背景时,几乎没有光从投影系统中射出,这一特点保证了该技术可应用于光固化立体成型SLA中。光敏树脂不会因为溢出光的持续照射而发生聚合反应,从而确保了DLP技术可以实现与掩膜板相似的功能并应用于快速成型领域中。同时DMD对光的反射率很高,并且控制十分灵敏,另外紫外光不会对光路中的镜片造成损坏。
基于LCD技术和DLP技术的快速成型两者除了在图像掩膜生成方式上不同外,其他基本相同,基于DLP技术的快速成型机开发简单、成本低、应用范围广、成型精度高,适合于小型的快速成型设备,具有很好的发展和应用前景。
但是,目前国内外的光固化快速成型SLA同时还存在一些问题,例如成本高、可靠性和稳定性还有待完善,采用的是垂直上拉脱模,成型速度和成型质量也都不甚完美。
发明内容
本申请提供了一种单侧变速脱模快速成型控制系统,通过基于模糊PID算法的单侧变速脱模方法,有效缩短了脱模时间、减少了对模型的影响,并通过对DLP光引擎的UV灯电源控制减少杂散光对成型精度的影响,同时还减少了热量的产生,另外,通过温度采集和控制功能实现了辅助散热,提高了系统的稳定性。
第一方面,本申请提供一种单侧变速脱模快速成型控制系统,包括上位机模块、主控制器模块、DLP显示模块、温度采集和控制模块、光源控制模块和机械控制模块,其中,
所述上位机模块用于与主控制器模块进行通信,将测试命令和数控代码发送到主控制器模块进行模块测试和成型控制;
所述主控制器模块用于对所述上位机模块发送来的命令进行处理并控制与所述命令相关的模块执行所述命令;
DLP显示模块包括DLP光引擎模组,用于生成图像掩膜;
温度采集和控制模块用于采集和控制DLP光引擎灯珠的温度并进行辅助散热;
光源控制模块用于控制DLP光引擎灯珠的亮暗状态,脱模过程中关闭光源,树脂固化过程中打开光源;
机械控制模块包括平面反光镜、第一步进电机(4)、第二步进电机(5)、第一限位传感器(1)、第二限位传感器(2)、第三限位传感器(3)、树脂液槽、成型平台和外围屏蔽罩,所述平面反光镜用于增加光引擎投射光的距离,第一步进电机(4)用于控制成型平台,第二步进电机(5)用于控制树脂液槽,第一限位传感器(1)和第二限位传感器(2)分别用于限定成型平台的下界和上界位置,第三限位传感器(3)用于树脂液槽的平衡位置标定,树脂液槽用于盛放光敏树脂,所述树脂液槽可以从一侧抽出;所述外围屏蔽罩用于在成型防止外界光线对树脂固化产生影响;
所述单侧变速脱模为:每一层固化完成后,通过第二步进电机(5)拉动树脂液槽从单侧向下运动,使树脂液槽和平衡位置之间形成一个夹角,当所述夹角度数达到预设的阈值时加快第二步进电机的转速,直到完全脱模时停止。
优选地,所述上位机模块与主控制器模块使用USB协议通信。
优选地,所述DLP光引擎灯珠为紫外LED灯珠。
优选地,所述脱模过程基于模糊PID算法。
第二方面,本申请还提供一种利用上述控制系统实现快速成型的方法,包括以下步骤:
(1)将光敏树脂加到树脂液槽内,然后打开上位机模块,并分别使用USB数据线和HDMI数据线连接主控制器模块和光引擎;
(2)在上位机模块中选择切片和数控代码所在的文件夹,然后对数控代码进行修正,接着进行成型初始化;
(3)上位机模块控制DLP光引擎按顺序显示切片图像,使图像投影到树脂液槽底面进行光敏树脂固化,一层固化完成后,通过第二步进电机(5)拉动树脂液槽从单侧向下运动,使树脂液槽和平衡位置之间形成一个夹角,当所述夹角度数达到预设的预脱模夹角度数时加快第二步进电机的转速,直到完全脱模时停止;(4)脱模完成后第一步进电机(4)带动成型平台向上运动一个切片的厚度,同时第二步进电机(5)快速向上运动使树脂液槽回到原始平衡位置准备下一次固化;
(5)循环执行步骤(1)-(4),直到所有切片都固化完成;
在执行步骤中(1)-(4)期间,定期采集DLP光引擎灯珠的温度并和温度阈值进行比较,超过则进行辅助风冷散热,并在脱模过程中关闭灯珠和辅助散热。
附图说明
图1是本发明的DLP-RPCS系统示意图;
图2是机械控制模块的结构示意图;
图3是DLP光引擎光路原理示意图
图4是单侧变速脱模方法示意图
图5是PID控制系统示意图
图6是模糊PID控制系统示意图
图7是PID算法和模糊PID算法的仿真结果对比示意图
具体实施方式
现在将参照附图详细说明本发明构思的特定实施例。
如图1所示,本发明的DLP-RPCS系统包括上位机模块、主控制器模块(MCU)、DLP显示模块、温度采集和控制模块、光源控制模块和机械控制模块,各个模块之间相互配合实现成型功能。
上位机模块使用USB与MCU进行通信,将测试命令和数控代码发送到MCU端进行模块测试和成型控制。本发明图像显示部分采用的是直接投影,通过扩展屏幕对切片进行显示,上位机模块启动时会创建一个第二屏用于扩展屏幕。
主控制器模块对上位机模块发送来的命令进行处理,直接控制相关模块的执行。主控制器被开发为一个通用的USB HID设备,可以时刻与PC机建立通信连接。
DLP显示模块包括DLP光引擎模组,用于生成图像掩膜。
温度采集和控制模块用于采集和控制DLP光引擎灯珠的温度,树脂固化过程中灯珠功率较高产热较大,为了防止因温度过高对光路产生影响,需要实时采集灯珠的温度并在必要时进行辅助散热。
光源控制模块用于控制DLP光引擎灯珠的亮暗状态,脱模过程中关闭光源,树脂固化过程中打开光源,这样不仅减少了灯珠热量的产生,还减少了杂散光对成型的影响,提高了成型精度。
机械控制模块包括平面反光镜、第一步进电机、第二步进电机、线性导轨、滚珠丝杆、第一限位传感器、第二限位传感器、第三限位传感器、树脂液槽、成型平台、外围屏蔽罩。平面反光镜用于增加光引擎投射光的距离,这样可以在树脂液槽底部形成更大的图像掩模,从而可以对较大的模型进行成型。第一步进电机4和第二步进电机5分别用于控制成型平台和树脂液槽,第二步进电机5带动传动连杆可向下拉动树脂液槽。第一限位传感器1和第二限位传感器2分别用于限定成型平台的下界和上界位置,第三限位传感器3用于树脂液槽的平衡位置标定。树脂液槽用于盛放光敏树脂,为了方便树脂的回收,树脂液槽可以从一侧抽出。在进行成型时,为了防止外界光线对树脂固化产生影响,在机械外围增加了屏蔽罩。图2是机械控制模块的结构示意图。
国内目前没有专门用于光固化快速成型的DLP光引擎,且国外的价格较贵。为了降低开发成本,使用迅达光电的DLP光引擎并进行相应设计以满足快速成型要求。
图3是DLP光引擎的光路原理。光源31为RGB三色光组成的白光,采用的都是LED灯。白光经过滤光片32将其中的红外光和紫外光过滤掉,然后通过会聚透镜33聚合并投射到色轮34上。色轮通过马达高速旋转,其表面有红、绿、蓝滤光片,可以将白光分离成红、绿、蓝三种基色光。接着通过修整透镜35对这三基色光进行均匀化,使其经过SILFLEX-VIS反射镜36可以均匀地照射在DMD芯片37上。DMD芯片根据要显示的图像的数字信号对其表面的成千上万个微镜进行控制,反射出的光通过投影镜头38,在投影屏幕39上即可显示出彩色的图像。
通过以上对光路原理的分析,本发明对DLP光引擎作以下修改:(1)光敏树脂对紫外光敏感,可见光中的紫外光成分较少,因此需要将原有的RGB三色灯珠更换为紫外LED灯珠;(2)紫外光经过滤光片会被过滤掉,需要将光路中的滤光片去掉;(3)因为不需要对紫外光进行分光,因此色轮也被去掉。
由于DLP光引擎采用的LED灯的功率比较大,因此散热成为主要问题。散热需要考虑4个因素,分别是自身热阻、功耗、散热模块以及工作环境。光敏树脂的固化速度和LED灯的功耗有关,功耗越大树脂的固化速度就越快。对于目前光固化快速成型机而言,成型速度和精度至关重要。如果降低LED灯的功耗,成型时间则会增加,因此以降低LED灯的功耗来解决散热问题是不可取的。同时,我们也无法改变LED灯的热阻,因此只能从散热模块和工作环境来解决散热问题。因此,本发明在保留了光引擎原来的铝基板基础上,将一个5V的电风扇安装在铝基板的正对面。为了防止风扇转动过程中的抖动对成型产生影响,使用导热硅脂将其与光引擎粘在一起,从而增加了整个模块的稳定性。另外,为了在成型过程中实时控制光引擎的温度,以防止因温度过高导致光路损坏,增加了LED温度采集和模块。温度采集和控制模块集成在光引擎背面,感温电阻靠近LED置于铝基板上。同时,在脱模过程中光源控制模块会关闭光引擎以减弱杂散光对投影的影响。
在使用上述DLP-RPCS进行成型之前,需要使用切片软件将STL文件格式的三维模型进行切片处理,目前常用的切片软件有Cura、CreationWorkshop等。切片的厚度和每层固化时间可以进行配置,同时可根据实际成型区域的大小对三维模型进行等比缩放。另外,为了提高成型的成功率,可以在必要的位置添加支撑。切片处理后得到三维模型各层的截面图像,一般为BMP或者PNG格式,另外还生成相应的数控代码。下面是DLP-RPCS的执行流程:
(1)首先将光敏树脂加到树脂液槽内,然后打开上位机模块,并分别使用USB数据线和HDMI数据线连接MCU和光引擎。
(2)在上位机模块中选择切片和数控代码所在的文件夹,然后对数控代码进行修正,接着进行成型初始化,初始化完毕后即可开始成型。
(3)成型过程中上位机模块控制DLP光引擎按顺序显示切片图像,使图像投影到树脂液槽底面进行光敏树脂固化。一层固化完成后,通过第二步进电机5拉动树脂液槽从单侧向下运动,使树脂液槽和平衡位置之间形成一个夹角,当所述夹角度数达到预设的预脱模夹角度数时加快第二步进电机的转速,直到完全脱模时停止。
(4)脱模完成后第一步进电机4带动成型平台向上运动一个切片的厚度,同时第二步进电机5快速向上运动使树脂液槽回到原始平衡位置准备下一次固化。
(5)循环执行,直到所有切片都固化完成。在此过程中,每隔一段时间采集DLP光引擎灯珠的温度并和温度阈值进行比较,超过则进行辅助风冷散热,并在脱模过程中关闭灯珠和辅助散热。
上述步骤(3)中,脱模采用基于模糊PID算法的单侧变速脱模方法,图4是所述单侧变速脱模方法的原理图。首先让第二步进电机以较低的速度转动,通过传动连杆带动树脂液槽向下运动,当树脂液槽底部和成型平台之间产生一个夹角时加快第二步进电机的转速,直到完全脱模时停止。即,脱模初期,固化的切片使树脂液槽底部和成型平台之间粘连在一起,强行快速拉动树脂液槽脱模可能会造成脱模失败或者模型损坏,因此,脱模初期使第二步进电机慢速运动使得树脂液槽和成型平台之间有一个较小的夹角,从一侧剥离切片,这个夹角不应过大,测试发现控制在5度即可,为了区分5度小夹角和完全脱模的大夹角,我们将前者称为预脱模夹角,后者称为完全脱模夹角。完成脱模后,成型平台上升一个切片的厚度,然后第二步进电机高速反向转动使液槽回到平衡位置,准备下一次切片固化和脱模,平衡位置由第三限位传感器进行标定。本发明在第二步进电机从低速向高速运动的过程中,加入模糊PID控制算法,可避免因速度变化而造成丢步、振荡、噪声等现象,提高了运动的稳定性和抗干扰能力,从而有效提高了脱模效果。
PID算法是一种比较常见的控制方法,具有算法简单、鲁棒性高、可靠性强等特点,被广泛应用于过程控制和运动控制中。通过对输入的偏差信号e(t)进行比例、积分、微分运算得到输出控制信号u(t),图5是PID控制系统框图。
图5中,e(t)是控制偏差,即输入变量。m(t)是目标值,n(t)是实际输出值,e(t)由公式(1)得出:
e(t)=m(t)-n(t) (1)
通过计算输入变量e(t)的比例、积分、微分得到目标对象的输出控制量u(t),公式(2)是PID控制规律:
其传递函数形式为:
Kp为比例系数,Ti是积分时间常数,Td是微分时间常数。从公式中可以看出,输出u(t)不仅取决于控制偏差e(t)的比例,还取决于e(t)的积分和微分,因此必须合理设置Kp、Ti、Td才能得到满意的输出结果[37]。
比例系数Kp影响系统的响应速度,一般Kp越大,系统的响应速度越快且系统的稳态误差越小。但是可能会引起超调,振荡将会变大,系统将趋于不稳定,调整时间也会加长。相反,Kp越小,系统的响应速度变慢、反应迟钝。
积分时间常数Ti用于消除系统的稳态误差,提高系统的稳定性和控制精度。只要系统中存在误差,积分部分就会起作用直到误差消除。Ti可以减少系统的超调量和振荡次数,但是如果其值过大将会不起作用,值过小也会导致系统因振荡次数增加而趋于不稳定。
微分时间常数Td用于提高系统的响应速度和动态性能,可以反映偏差信号的变化趋势。Td的值设置适当时,可以有效减少系统的超调量和调整时间。Td的值过大,会增加系统调整时间并且会放大噪声,使系统的响应能力和抗干扰能力降低,因此不能在系统中强行加入微分部分。
在实际使用时因控制对象具有时变性、滞后性、非线性等特点,单纯使用PID算法难以实现理想控制,为此提出了模糊PID控制算法。
模糊PID算法实现的关键在于设计模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller,FLC),FLC已经成为模糊控制领域中最热门、最有用的研究对象,且已经成功应用于各种控制场合中[38]。PID算法中输入变量是控制偏差,FLC就是将这个偏差值进行模糊化,然后将模糊化后的值用模糊语言进行描述,从而得到模糊集合的一个子集。模糊集合可以用式(4)表示:
C={(x,fc(x))|x∈X} (4)
其中X表示论域,fc是隶属度函数,常见的隶属度函数有三角函数、柯西分布函数、正态分布函数等,其中三角函数结构较为简单。
FLC由模糊化接口、模糊推理机、知识库和清晰化接口组成,其中知识库包含了数据库和规则库[39]。FLC采用的是基于模糊条件语句描述的语言控制规则。FLC和传统控制器相比具有很多优点,首先其不需要为被控对象建立数学模型,并且适用于具有时间延时、非线性的控制系统中。另外,FLC具有很好的抗噪声能力,但是也存在一些需要改进的地方。它消除系统稳态误差的能力很差,所以很难实现高精度的控制。
为了提高FLC处理稳态误差的能力,需要使用积分器。没有使用积分器的FLC在处理离散和有限的输入时,必然会产生稳态误差,因此常使用模糊PID控制。模糊PID具有响应速度快、上升时间短、超调量小、鲁棒性高等特点,其经常被用于控制精度要求高、响应速度快、抗干扰能力强的系统中[40]。图6是模糊PID控制系统框图。
从图6中可以看出,输入到模糊逻辑控制器FLC中的是控制偏差值e和该偏差值的时间变化量de/dt,然后由FLC进行模糊推理并解模糊后得到dKp、dKi、dKd参数变化量,接着由PID控制器根据这三个值对Kp、Ki、Kd进行在线整定。
设置输入变量e和de/dt,输出变量dKp、dKi、dKd的模糊子集统一为{NB、NM、NS、NO、PS、PM、PB},对应的语言变量模糊子集为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大},论域范围为{-6,-5,-4-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。使用加权平均法进行解模糊,同时为了简化算法的复杂性,隶属度函数采用三角函数,对Kp、Ki、Kd分别进行整定。
表1是Kp模糊控制规则表。
表1 Kp模糊控制规则表
表2是Ki模糊控制规则表。
表2 Ki模糊控制规则表
表3是Kd模糊控制规则表。
表3 Kd模糊控制规则表
图7是PID算法和模糊PID算法的仿真结果对比,每张图的上半部分是理想效果,下半部分是实际仿真效果,设定第二步进电机的目标速度为1200r/min。通过对比两张图可以看出,采用PID控制的第二步进电机达到目标速度所使用的时间比采用模糊PID控制的第二步进电机要长,且速度增加过程中受到的干扰更大。采用模糊PID控制的第二步进电机响应速度快、振荡次数少、超调量小、稳态性能更好,从而验证了此算法相对于PID算法更具优势,可以在脱模中起到良好的效果。
上位机模块用于将测试命令和数控代码发送到MCU端进行模块测试和成型控制,本发明在实现时将测试部分和成型操作分开,从而简化了软件操作的复杂性。
以上实施例仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。