木塑材料3DP打印机运动控制系统轨迹跟踪研究

针对木塑材料3DP打印机运动控制系统X轴负载较大而导致CoreXY机构在进行开环控制时打印精度较差的问题,研究3DP打印机的模型预测控制(MPC)智能轨迹跟踪算法,提高打印精度和打印速度。基于黏结剂喷射(3DP)成型工艺和CoreXY机构的传动特点设计了木塑材料3DP打印机运动控制系统,提出了一种适用于3DP打印机的MPC轨迹跟踪策略。采用笛卡尔坐标系下近似圆形切片的打印轨迹作为参考轨迹,建立CoreXY机构A、B电机闭环系统的预测模型,运用MPC理论将打印速度和精度的多约束最优控制问题变为带约束的二次函数进行求解,对比参考轨迹与实际打印轨迹之间的误差,进而研究不同打印速度对轨迹跟踪效果的影响。对仿真结果进行分析计算得出,打印速度在80~400 mm/s范围内,3DP打印机的喷胶位点均可实现对参考轨迹的较准确跟踪,A、B电机皮带位移最大横向误差分别为0.0097和0.0060 mm,X、Y轴横向误差的平均绝对误差分别为0.357和0.362 mm。对比PID控制,MPC控制策略的各项衡量指标都更优,且参数更易整定,横向误差更小,提高了3DP打印机喷射路径的准确度和效率。随着打印速度的降低,MPC控制器的横向误差逐渐减小,系统的轨迹跟踪效果更准确和稳定,最终绘制参考轨迹与实际轨迹形状基本重合。

3DP分层切片中基于点云射线投影的NURBS曲面切片算法

给出用于三维打印机的分层切片算法。利用打印模型点云图像不同方向的分形维数参数和切片层数来确定切片方向;通过建立点云在切平面映射的NURBS曲线来拟合模型轮廓线,然后产生打印机使用的指令G代码。设计λ进制数来确定切片方向。λ进制数由两个要素组成,其一是分形维数D,其二是切片层数N,D和N都是越小越好。确定了打印方向后,可进行切片处理,得到切平面。点云图像的散乱点映射到切平面,这些点用带一定偏移量的射线来划分,射线与点云交点就是形成NURBS曲线的控制点。详细给出控制点寻找以及建立NURBS曲线及曲面的过程。首先引入分形维数参数D作为重要参数来确定切片方向,使用λ进制体系优化打印方向,提出高效的射线分割算法来分割点云,并使用NURBS曲线拟合来获得精确的边界轮廓。通过两个模型验证该算法误差都在公差允许范围内,优化了打印方向,提高了打印速度。