陶瓷零件低温挤压成型过程分析和控制

摘要

快速原型制造(Rapid Protyping Manufacturing，RPM)因高柔性、技术的高度集成性、快速性、自由成型制造以及材料广泛性等特点得到了快速发展，并被广泛用于陶瓷材料的成型过程中。现有典型成型工艺生产出的三维实体零件中有机物含量较高，后期处理过程中成型零件收缩率大，脱脂过程复杂、耗时、污染环境，不符合当前所提倡的绿色制造要求。本文采用低温陶瓷挤压成型(Freeze-form Extrusion Fabrication，FEF)工艺，使用水基陶瓷膏体，只利用少量的有机粘结剂，在恒定挤出力的作用下，能够成型具有较高精度的三维实体零件。但在膏体材料的准备过程中以及挤出过程中不可避免的存在结块破裂、气泡释放以及液相迁移等干扰因素，使得挤出力发生变化，导致最终成型的零件出现欠填充或过填充的现象。本文采用基于MCS—51单片机的自校正控制器对挤出力进行自适应控制，以满足实际加工需要。
　　陶瓷低温挤出过程属于单输入单输出(SISO)的一阶惯性控制对象，且其参数具有慢时变的特性。采用最小方差自适应控制，运用遗忘因子递推最小二乘辨识法进行模型参数在线递推估计，将辨识得到的估计值用于当前周期下最小方差自适应控制器的设计，并计算得到最优控制量，不断采样系统输出，形成挤出力的自适应控制。通过仿真确定了该控制算法的有效性和可行性，能够实现预期控制目标。
　　设计基于MCS—51单片机的自适应控制系统，确定系统的整体设计方案，完成系统的硬件设计与实现，搭建实验测试平台;编制上、下位机的控制软件以实现自适应控制算法。上位机采用普通PC机，基于VB设计出简洁的人机交互界面;下位机采用模块化程序设计思想，运用Keil C51编写自适应控制算法源程序。
　　实验表明，应用最小方差自适应方法设计的自校正控制器能够对阶跃信号以及给定波形如方波、三角波、正弦波进行跟踪输出，自适应性强，鲁棒性好，具有一定的抗扰动能力。对比所成型的正方形薄壁零件，采用自适应控制后可使零件具有较高的精度，满足加工工艺要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 快速原型制造

1．1．2 陶瓷低温挤压成型制造

1．2 研究现状及存在的问题

1．3 自适应控制

1．3．1 自适应控制的提出

1．3．2 自适应控制的概况

1．4 本文研究的内容

2．1 挤压成型装置介绍

2．1．1 三维运动结构

2．1．2 挤出装置

2．2 控制系统建模

2．3 模型阶次分析

2．3．1 膏体的制备

2．3．2 膏体的装载

2．3．3 实验介绍

2．3．4 实验分析

2．4 本章小结

3 挤出过程的模型辨识

3．1 系统辨识

3．2 模型参数辨识

3．2．1 参数模型

3．2．2 最小二乘法

3．2．3 递推最小二乘法

3．2．4 遗忘因子递推最小二乘法

3．3 辨识算法仿真分析

3．4 本章小结

4．1 自校正控制

4．2 最小方差自校正控制

4．2．1 最小方差自校正控制律

4．2．2 自适应闭环系统分析

4．2．3 自适应控制器设计

4．3 控制器仿真与分析

4．4 本章小结

5 挤出力自适应控制系统硬件及软件设计

5．1 控制系统概述

5．2 系统总体方案设计

5．3 控制系统硬件设计

5．3．1 STC89C54RD+单片机

5．3．2 双电源供电设计

5．3．3 最小系统电路设计

5．3．4 通信接口设计

5．3．5 A／D和D／A转换电路设计

5．3．6 键盘接口电路设计

5．3．7 系统硬件总体电路图

5．4 控制系统软件设计

5．5 上位机软件设计与实现

5．5．1 软件开发环境

5．5．2 MSComm串口通信控件

5．5．3 可视化界面设计

5．6 下位机软件设计与实现

5．6．1 程序设计概述

5．6．2 各功能模块的设计与实现

5．7 实验结果与分析

5．8 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文与参与项目