基于數(shù)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(yè)學(xué)院，西安 710114；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 咸陽(yáng) 712100）

熔融沉積成型無(wú)需激光器配合，只需通過(guò)計(jì)算機(jī)即可實(shí)現(xiàn)增量加工[1]。在熔融沉積成型加工過(guò)程中，精度是影響加工質(zhì)量的關(guān)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(guān)鍵，具有十分重要的研究意義。目前，我國(guó)熔融沉積成型精度控制方法較為落后，主要通過(guò)磨削軋輥原始凸度的方法加以控制，很難適應(yīng)熔融沉積成型多變的軋制情況，很容易出現(xiàn)誤差大等問(wèn)題[2]。在后續(xù)的研究中，相關(guān)學(xué)者提出了動(dòng)態(tài)分配負(fù)荷系數(shù)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(shí)體零件仍無(wú)法滿足高精度要求，因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)熔融沉積成型精度控制方法是時(shí)下的熱點(diǎn)研究話題[3]。其控制整體流程十分復(fù)雜，對(duì)數(shù)學(xué)模型的精度有極高要求，且需要結(jié)合先進(jìn)的控制理念。數(shù)控加工作為一種精細(xì)化加工方法，尤其在細(xì)小零件精度處理方面具有很高的適用性[4]?；诖?，有理由將數(shù)控加工應(yīng)用于熔融沉積成型的精度控制，設(shè)計(jì)出一種新型的控制方法，降低控制偏度系數(shù)，從根本上提高熔融沉積成型精度。

1 基于數(shù)控加工的熔融沉積成型精度控制方法

文中設(shè)計(jì)的熔融沉積成型精度控制整體示意如圖1 所示。下文針對(duì)圖1 中的3 點(diǎn)主要流程進(jìn)行詳細(xì)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(shù)控加工計(jì)算熔融沉積成型預(yù)設(shè)定

在熔融沉積成型精度控制過(guò)程中，文中基于數(shù)控加工的自動(dòng)編程功能，根據(jù)熔融沉積成型的圖紙，對(duì)其加以相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而編寫(xiě)加工程序單[5]。基于數(shù)控加工的熔融沉積成型預(yù)設(shè)定編制具體代碼，如圖2 所示。

圖2 熔融沉積成型預(yù)設(shè)定編制代碼Fig.2 Fused deposition modeling pre-set code

根據(jù)圖2 中的程序代碼，可以生成熔融沉積成型的具體參數(shù)，并根據(jù)預(yù)期成型的長(zhǎng)度、寬度、厚度以及材質(zhì)等信息，進(jìn)行相應(yīng)的校驗(yàn)與修改[6]。以計(jì)算的方式獲取程序校驗(yàn)與修改所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。首先，計(jì)算熔融沉積成型比例凸度（V），表達(dá)式見(jiàn)式（1）。

式中：L為是軋輥直徑；S為軋輥的熱磨損系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算彎輥力（H），見(jiàn)式（2）。

式中：U為熔融溫度。通過(guò)式（2）可得出彎輥力，為校驗(yàn)與修改程序中的數(shù)據(jù)變量提供基礎(chǔ)。根據(jù)獲取的參數(shù)得知，部分?jǐn)?shù)據(jù)在熔融沉積成型精度控制過(guò)程中會(huì)被頻繁使用[7]。綜上所述，文中使用自動(dòng)控制模式，使用輸入脈沖頻率精確控制熔融沉積成型預(yù)設(shè)定的數(shù)據(jù)變量。完成控制過(guò)程的變量數(shù)據(jù)定義后，可在自動(dòng)控制模式下應(yīng)用單Single MHz 環(huán)路載波獲得靈敏度，并通過(guò)調(diào)整載波鎖定靈敏度，完成精確的熔融沉積控制。在自動(dòng)化控制模式下，載波捕獲靈敏度的計(jì)算表達(dá)見(jiàn)式（3）。

式中：Y為控制類(lèi)型參數(shù)；J為熔融沉積成型內(nèi)部殘余應(yīng)力。根據(jù)上述計(jì)算公式，可基于數(shù)控加工計(jì)算得出熔融沉積成型預(yù)設(shè)定值。

1.2 熔融沉積成型精度自學(xué)習(xí)

完成上述研究后，可知其控制過(guò)程是動(dòng)態(tài)變化的，因此，熔融沉積成型精度控制屬于短期自學(xué)習(xí)過(guò)程，可通過(guò)精度自學(xué)習(xí)調(diào)整其控制偏差?；诖耍O(shè)計(jì)精度自學(xué)習(xí)模型，假定該模型表達(dá)式為式（4）。

式中：ε為彎輥力偏差；?為彎輥力微調(diào)值。通過(guò)精度自學(xué)習(xí)模型[8—10]，自動(dòng)調(diào)節(jié)熔融沉積成型精度控制中產(chǎn)生的偏差，進(jìn)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(guò)熔融沉積成型精度自學(xué)習(xí)，綜合分析其精度控制的歷史趨勢(shì)。以此為依據(jù)，設(shè)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(wú)功功率；s為控制特征；W為精度反饋彎輥力修正量。通過(guò)式（5）可以將精度控制過(guò)程內(nèi)包含的控制信息無(wú)縫承接。同時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)識(shí)別文中獲得的控制方程式，并通過(guò)控制方程實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)頻率跟蹤功能[11—13]，擴(kuò)展了頻率跟蹤核心的控制信息，并控制了A/D 轉(zhuǎn)換輸出精度檢查接口。將波形設(shè)備生成的信號(hào)用作時(shí)鐘信號(hào)，在可變負(fù)載條件下，驅(qū)動(dòng)頻率之間存在負(fù)相關(guān)，因此，最小值是跟蹤點(diǎn)參考頻率的最大值。為了提高控制精度，此文檔記錄了每個(gè)控制信號(hào)的精度，以獲取實(shí)時(shí)控制狀態(tài)。如果記錄的當(dāng)前值高于最后一條記錄的值，則保留當(dāng)前值，否則保留最后的值。假設(shè)超聲波驅(qū)動(dòng)器的振動(dòng)諧波頻率在該范圍內(nèi)，則與該狀態(tài)下控制信息的頻率相對(duì)應(yīng)的頻率值是關(guān)鍵變量[14—15]。通過(guò)控制方法的實(shí)際應(yīng)用，可以收集適當(dāng)?shù)倪^(guò)程控制信息，以了解板類(lèi)型的實(shí)時(shí)控制情況，進(jìn)而控制其精度。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于CNC處理控制鑄造精度的方法。

2 實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)選擇某材料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)例分析內(nèi)容為熔融沉積成型精度控制。數(shù)控加工采用西門(mén)子數(shù)控臥式車(chē)床，型號(hào)為 CAK6150，將主軸轉(zhuǎn)速設(shè)為600 r/min，進(jìn)給量設(shè)為 0.08 mm/r，切削深度設(shè)為0.8 mm（單邊），并保持其余切削參數(shù)不變。使用一套2100 mm 的半連續(xù)加工生產(chǎn)線以及平整分卷機(jī)組。彎輥力設(shè)計(jì)為 500～13000 kN；軋制力設(shè)計(jì)為-50～500 kN。在此次實(shí)例分析中，將控制偏度系數(shù)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)，控制偏度系數(shù)越低，表明該控制方法的控制精度越高。首先，使用文中設(shè)計(jì)方法，控制熔融沉積成型精度，通過(guò)Matlab 軟件測(cè)其控制偏度系數(shù)，設(shè)為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)方法，控制熔融沉積成型精度，通過(guò)Matlab 軟件測(cè)其控制偏度系數(shù)，設(shè)為對(duì)照組。在此次實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10 h，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出2 種控制方法的控制偏度系數(shù)，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 控制偏度系數(shù)對(duì)比Tab.1 Control skewness coefficient comparison table

為了使實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的控制偏度系數(shù)結(jié)果對(duì)比明顯，將2 組數(shù)據(jù)構(gòu)建成折線圖，如圖3 所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的控制偏度系數(shù)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(cè)試時(shí)間內(nèi)，文中設(shè)計(jì)控制方法的控制偏度系數(shù)比對(duì)照組低，控制精度更高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熔融沉積成型精度的精準(zhǔn)控制，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，值得被大力推廣。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一個(gè)分析示例，證明了設(shè)計(jì)管理方法在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，并在此基礎(chǔ)上證實(shí)了對(duì)這種優(yōu)化方法的需求，因此，文中描述的設(shè)計(jì)可以消除傳統(tǒng)控制熔融成型精度較低的缺點(diǎn)。文中未驗(yàn)證控制不對(duì)稱系數(shù)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，這進(jìn)一步增加了控制不對(duì)稱系數(shù)測(cè)量結(jié)果的不可靠性，可以在該領(lǐng)域的未來(lái)研究中進(jìn)行補(bǔ)充。同時(shí)，需要進(jìn)行深入研究，優(yōu)化熔融成型工藝的設(shè)計(jì)，以提升熔融成型的精度，改善零件成型加工質(zhì)量。