基于线宽测量的增材制造流量智能控制方法

(杭州电子科技大学生命信息与仪器工程学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

组织工程技术是目前最理想的人体器官替代与修复技术，应用工程学、生命科学的原理和方法制备具有生物活性的人工替代物，用以维持、恢复或提高人体组织、器官的部分或全部功能[1]。植入人体组织的生物支架由基于增材制造技术的生物制造设备制备，而生物制造设备在制备支架过程中喷头喷出浆料的流速流量均属于开环控制，当制备过程中出现误差时无法对其进行实时调整和校正，因流量不足引起的坍塌、流量过大引起的过堆，大大降低了成形件的精度和表面质量，从而产生误差影响其精度。本文提出一种基于线宽测量的增材制造流量的智能控制方法，通过传感器反馈的实际线宽对工作台位移速度和喷头流量的相对关系进行控制，从而实现浆料的精确控制，提高实体模型或支架形状的成形精度。

1 开环低温成形机的缺点

目前开环的低温成形机主要存在扫描线断裂及扫描线过堆两大缺点。

1.1 扫描线断裂

低温成形机在制备支架过程中喷头挤出浆料流量过小或带动喷头的扫描电机速度过快时，喷头挤出的材料还未跌落粘结，就被拉走，造成填料不足，丝料断裂，导致浆料在设备的工作台上留下的扫描线宽过细不连贯，最后也难以形成成功支架。

1.2 扫描线过堆

制备支架过程中喷头喷出的浆料流速过大时，容易增大出丝的宽度，致使丝与丝的间距减小，甚至会出现浆料融合的现象，过堆使得成形支架的孔隙率和贯通率减小，导致浆料在设备的工作台上留下的扫描线宽较大造成过堆，难以成形可用的支架。

2 闭环增材制造系统研究方法

针对现有技术的不足，本文提供一种基于线宽测量的智能增材制造流量控制方法。基于闭环控制理论的低温成型机的位移速度控制系统[2]，通过控制成形设备的工作台位移速度与喷头流量的相对关系，对实体模型或支架形状的精度、孔隙的形状和孔隙率实现智能控制。

2.1 闭环系统的框架设计

在制备实体模型或支架曲面时，受惯性阻力的影响，带动喷头进行扫描的电机的转速大大降低，故采用降低浆料挤出速度的方法达到控制效果。本方法中的控制系统目标为控制喷头扫描电机的转速，从而控制喷头的扫描速度，进而控制喷头喷出的浆料在工作台上的线宽能达到预设的目标值。控制框图如图1所示。

图1 系统控制方框图

喷头挤出浆料过程中，若挤出浆料的真实值与预设的标准值出现偏差，传感器检测偏差信号，控制器及时发现及纠正喷头运行过程中挤出浆料线宽的偏差，调整喷头扫描电机的转速，从而保证预定目标的实现。

图1中，设传感器第k次采集实际线宽为ui(k)，控制器(单片机)中存储的标准线宽为ur，第k次采集后的偏差e(k)=ui(k)-ur，控制回路的比例系数为Kp，第k次需调整量ΔPp(k)=ui-ur，调整后的线宽值P(k)=Δp(k)+Pp(k+1)。

根据经验，计算参数中，标准线宽一般取0.65 mm[3];标准线宽对应的喷头扫描电机的标准电压通过逐渐减小实际浆料的线宽与标准线宽之间的差值反复标定电压的实验获得。

2.2 闭环系统的控制方法

闭环系统的控制流程如图2所示，步骤如下:

图2 控制流程图

1)喷头挤出的浆料在成形设备的工作台上，通过安装在喷头上的线性CCD 传感器检测沉积制造中挤出材料线宽的图像，根据灰度值对获得的图像进行处理，得到质量较好的图像，根据CCD的分辨率计算出工作台运动中挤出浆料的线宽;

2)将计算出的线宽数值送入单片机的寄存器中，与预设的标准线宽数值(0.65 mm)进行比较，计算出偏差;

3)若实际线宽小于标准线宽且差值的绝对值大于预设阈值，在工作台上得到的浆料线宽过窄，即扫描运动电机电压过大，故减小扫描运动电机电压至标准电压，降低电机转速，从而减小工作台与喷头的相对移动速度，增大实际线宽[4]。其中标准电压通过逐渐减小实际浆料的线宽与标准线宽之间的差值反复标定电压的实验获得;

4)若实际线宽大于标准线宽差值的绝对值大于预设阈值，由于在制备实体模型或支架曲面时，受惯性阻力的影响，带动喷头进行扫描的电机的转速无法达到理想值，故采用减少浆料挤出速度的方法达到控制效果。通过单片机控制电磁杠杆活动压缩软管减少浆料挤出速度，以降低送料速度，从而减小实际线宽;

5)步骤3和步骤4中的扫描运动电机电压调整幅度、电磁杠杆运动幅度和搓丝电机调速的幅度，需根据试验结果进行测算调整;

6)若实际线宽与标准线宽的误差小于设定阈值，即得到的线宽数据满足要求，不做任何动作，进入下一次检测;

7)得到精度更高的成形实体模型或支架。

2.3 闭环系统的实验结果

通过摄像头采集支架浆料的实际线宽作为反馈信号与标准线宽对比，主控采用单片机，结合德州仪器高性能10位DA 芯片TLC5615 输出模拟电压的功能，从而有效地实时控制电机转速。单片机控制喷头扫描电机电压使得浆料线宽达到控制，其中单片机控制喷头扫描电机转速电压范围为0.0 10.0V。实际线宽与计算线宽误差如表1所示。

线宽的算术平均误差为:

表1 实际线宽与计算线宽误差分析

本文的研究目标是采集支架浆料线宽误差为10%，其目标值为0.65 mm，因此通过实验达到预期目标。两路CMOS 摄像头处理性能优势明显，不仅克服了单CMOS 摄像头图像采集死角的缺点，而且在一定程度上补偿了光源造成的视觉误差，能够实时计算获得出丝的宽度，一改原有低温成形机缺少反馈的缺点，本方案硬件可移植性强，能够作为辅助工具应用于绝大部分低温成形机。

3 结束语

本文研究了组织工程、增材制造技术以及开环与闭环控制系统，结合3种技术的优势提出了闭环的增材智能控制方法;摄像头采集支架浆料线宽得到算术平均误差为0.013的支架浆料线宽，从而实现了对增材制造设备流量的智能控制。

[1]王莉莎.展示中国组织工程研究最优秀的成果[J].中国组织工程研究，2012，16(9):1 700.

[2]刘丁.自动控制理论[M].北京:机械工业出版社，2007:26-32.

[3]索海瑞，岳秀艳，史廷春，等.组织工程支架的低温沉积制造工艺参数研究[J].机电工程，2009，26(3):57-60.

[4]赵磊，王哈力，何绪锋，等.基于单片机的交流伺服电机转速控制系统研究[J].现代电子技术，2009，32(16):196-198.