(杭州電子科技大學(xué)生命信息與儀器工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

0 引 言

組織工程技術(shù)是目前最理想的人體器官替代與修復(fù)技術(shù)，應(yīng)用工程學(xué)、生命科學(xué)的原理和方法制備具有生物活性的人工替代物，用以維持、恢復(fù)或提高人體組織、器官的部分或全部功能[1]。植入人體組織的生物支架由基于增材制造技術(shù)的生物制造設(shè)備制備，而生物制造設(shè)備在制備支架過程中噴頭噴出漿料的流速流量均屬于開環(huán)控制，當(dāng)制備過程中出現(xiàn)誤差時無法對其進行實時調(diào)整和校正，因流量不足引起的坍塌、流量過大引起的過堆，大大降低了成形件的精度和表面質(zhì)量，從而產(chǎn)生誤差影響其精度。本文提出一種基于線寬測量的增材制造流量的智能控制方法，通過傳感器反饋的實際線寬對工作臺位移速度和噴頭流量的相對關(guān)系進行控制，從而實現(xiàn)漿料的精確控制，提高實體模型或支架形狀的成形精度。

1 開環(huán)低溫成形機的缺點

目前開環(huán)的低溫成形機主要存在掃描線斷裂及掃描線過堆兩大缺點。

1.1 掃描線斷裂

低溫成形機在制備支架過程中噴頭擠出漿料流量過小或帶動噴頭的掃描電機速度過快時，噴頭擠出的材料還未跌落粘結(jié)，就被拉走，造成填料不足，絲料斷裂，導(dǎo)致漿料在設(shè)備的工作臺上留下的掃描線寬過細(xì)不連貫，最后也難以形成成功支架。

1.2 掃描線過堆

制備支架過程中噴頭噴出的漿料流速過大時，容易增大出絲的寬度，致使絲與絲的間距減小，甚至?xí)霈F(xiàn)漿料融合的現(xiàn)象，過堆使得成形支架的孔隙率和貫通率減小，導(dǎo)致漿料在設(shè)備的工作臺上留下的掃描線寬較大造成過堆，難以成形可用的支架。

2 閉環(huán)增材制造系統(tǒng)研究方法

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文提供一種基于線寬測量的智能增材制造流量控制方法。基于閉環(huán)控制理論的低溫成型機的位移速度控制系統(tǒng)[2]，通過控制成形設(shè)備的工作臺位移速度與噴頭流量的相對關(guān)系，對實體模型或支架形狀的精度、孔隙的形狀和孔隙率實現(xiàn)智能控制。

2.1 閉環(huán)系統(tǒng)的框架設(shè)計

在制備實體模型或支架曲面時，受慣性阻力的影響，帶動噴頭進行掃描的電機的轉(zhuǎn)速大大降低，故采用降低漿料擠出速度的方法達(dá)到控制效果。本方法中的控制系統(tǒng)目標(biāo)為控制噴頭掃描電機的轉(zhuǎn)速，從而控制噴頭的掃描速度，進而控制噴頭噴出的漿料在工作臺上的線寬能達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)值?？刂瓶驁D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制方框圖

噴頭擠出漿料過程中，若擠出漿料的真實值與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)值出現(xiàn)偏差，傳感器檢測偏差信號，控制器及時發(fā)現(xiàn)及糾正噴頭運行過程中擠出漿料線寬的偏差，調(diào)整噴頭掃描電機的轉(zhuǎn)速，從而保證預(yù)定目標(biāo)的實現(xiàn)。

圖1中，設(shè)傳感器第k次采集實際線寬為ui(k)，控制器(單片機)中存儲的標(biāo)準(zhǔn)線寬為ur，第k次采集后的偏差e(k)=ui(k)-ur，控制回路的比例系數(shù)為Kp，第k次需調(diào)整量ΔPp(k)=ui-ur，調(diào)整后的線寬值P(k)=Δp(k)+Pp(k+1)。

根據(jù)經(jīng)驗，計算參數(shù)中，標(biāo)準(zhǔn)線寬一般取0.65 mm[3];標(biāo)準(zhǔn)線寬對應(yīng)的噴頭掃描電機的標(biāo)準(zhǔn)電壓通過逐漸減小實際漿料的線寬與標(biāo)準(zhǔn)線寬之間的差值反復(fù)標(biāo)定電壓的實驗獲得。

2.2 閉環(huán)系統(tǒng)的控制方法

閉環(huán)系統(tǒng)的控制流程如圖2所示，步驟如下:

圖2 控制流程圖

1)噴頭擠出的漿料在成形設(shè)備的工作臺上，通過安裝在噴頭上的線性CCD 傳感器檢測沉積制造中擠出材料線寬的圖像，根據(jù)灰度值對獲得的圖像進行處理，得到質(zhì)量較好的圖像，根據(jù)CCD的分辨率計算出工作臺運動中擠出漿料的線寬;

2)將計算出的線寬數(shù)值送入單片機的寄存器中，與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)線寬數(shù)值(0.65 mm)進行比較，計算出偏差;

3)若實際線寬小于標(biāo)準(zhǔn)線寬且差值的絕對值大于預(yù)設(shè)閾值，在工作臺上得到的漿料線寬過窄，即掃描運動電機電壓過大，故減小掃描運動電機電壓至標(biāo)準(zhǔn)電壓，降低電機轉(zhuǎn)速，從而減小工作臺與噴頭的相對移動速度，增大實際線寬[4]。其中標(biāo)準(zhǔn)電壓通過逐漸減小實際漿料的線寬與標(biāo)準(zhǔn)線寬之間的差值反復(fù)標(biāo)定電壓的實驗獲得;

4)若實際線寬大于標(biāo)準(zhǔn)線寬差值的絕對值大于預(yù)設(shè)閾值，由于在制備實體模型或支架曲面時，受慣性阻力的影響，帶動噴頭進行掃描的電機的轉(zhuǎn)速無法達(dá)到理想值，故采用減少漿料擠出速度的方法達(dá)到控制效果。通過單片機控制電磁杠桿活動壓縮軟管減少漿料擠出速度，以降低送料速度，從而減小實際線寬;

5)步驟3和步驟4中的掃描運動電機電壓調(diào)整幅度、電磁杠桿運動幅度和搓絲電機調(diào)速的幅度，需根據(jù)試驗結(jié)果進行測算調(diào)整;

6)若實際線寬與標(biāo)準(zhǔn)線寬的誤差小于設(shè)定閾值，即得到的線寬數(shù)據(jù)滿足要求，不做任何動作，進入下一次檢測;

7)得到精度更高的成形實體模型或支架。

2.3 閉環(huán)系統(tǒng)的實驗結(jié)果

通過攝像頭采集支架漿料的實際線寬作為反饋信號與標(biāo)準(zhǔn)線寬對比，主控采用單片機，結(jié)合德州儀器高性能10位DA 芯片TLC5615 輸出模擬電壓的功能，從而有效地實時控制電機轉(zhuǎn)速。單片機控制噴頭掃描電機電壓使得漿料線寬達(dá)到控制，其中單片機控制噴頭掃描電機轉(zhuǎn)速電壓范圍為0.0 10.0V。實際線寬與計算線寬誤差如表1所示。

線寬的算術(shù)平均誤差為:

表1 實際線寬與計算線寬誤差分析

本文的研究目標(biāo)是采集支架漿料線寬誤差為10%，其目標(biāo)值為0.65 mm，因此通過實驗達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。兩路CMOS 攝像頭處理性能優(yōu)勢明顯，不僅克服了單CMOS 攝像頭圖像采集死角的缺點，而且在一定程度上補償了光源造成的視覺誤差，能夠?qū)崟r計算獲得出絲的寬度，一改原有低溫成形機缺少反饋的缺點，本方案硬件可移植性強，能夠作為輔助工具應(yīng)用于絕大部分低溫成形機。

3 結(jié)束語

本文研究了組織工程、增材制造技術(shù)以及開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)合3種技術(shù)的優(yōu)勢提出了閉環(huán)的增材智能控制方法;攝像頭采集支架漿料線寬得到算術(shù)平均誤差為0.013的支架漿料線寬，從而實現(xiàn)了對增材制造設(shè)備流量的智能控制。

[1]王莉莎.展示中國組織工程研究最優(yōu)秀的成果[J].中國組織工程研究，2012，16(9):1 700.

[2]劉丁.自動控制理論[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007:26-32.

[3]索海瑞，岳秀艷，史廷春，等.組織工程支架的低溫沉積制造工藝參數(shù)研究[J].機電工程，2009，26(3):57-60.

[4]趙磊，王哈力，何緒鋒，等.基于單片機的交流伺服電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(16):196-198.