基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制方法及装置与流程-k8凯发

本发明属于3d打印设备，具体涉及一种基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制方法及装置。

背景技术：

1、目前，由于3d打印过程的许多副产物可能是有害的或有毒的，3d打印需要在密封的室内进行。此外，打印过程中，通常采用惰性气体“地毯”填充室，以实现尽可能地减少金属和大气中氧元素的接触。

2、然而，一些金属粉末仍然不可避免的会与氧接触，从而导致金属粉末内氧含量超过限定值产生杂质。随着3d打印机再次使用相同的粉末床，随后的打印作业将逐渐增加杂质的量，这可能会导致各种各样的问题。有数据显示，当金属粉末中的氧浓度超过200ppm时，最终产品将显著变化。拉伸强度和延展性显示出受到大气中杂质的影响。氢或氮气也可能引起另外的杂质，即使在非常小的浓度下也不利于构建质量最佳的3d打印金属物件。

3、现阶段，3d打印设备中的氧含量控制主要是通过设置氧气浓度的上下限，氧含量高于上限打开电磁阀充入氩气，氧含量低于下限关闭电磁阀，来保证氧含量在合适的区间范围内。充入氩气的流量采用人工调节，通过大小流量阀切换保证舱室内压力稳定，为了防止过多的氩气进入设备会使设备舱室内压力升高，需要打开排气阀来。此过程中会将部分氩气排出，造成较大的浪费。并且，因舱室密封情况存在不稳定性，导致充气流量可能会无法满足设备的要求。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制方法及装置，解决3d打印过程中氧浓度控制容易造成较大的惰性气体浪费，且氧浓度难以满足使用要求的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制方法，包括：

3、按照预设采样周期对所述打印舱室内的所述实时氧含量进行监测，获取当前打印舱室内的实时氧含量，将所述实时氧含量与所述打印舱室的氧含量需求值进行比对，得到所述打印舱室内的氧含量误差值；

4、根据所述打印舱室内的氧含量误差值、控制器比例系数、比例微分控制值，确定所述打印舱室内输入惰性气体的控制器输出量，通过所述控制器输出量确定输入惰性气体管道上的电磁阀开启方式；

5、监测所述打印舱室内的实时压力数值，将所述实时压力数值和所述打印舱室的舱室预设压力值比较，若所述实时压力数值大于所述打印舱室的舱室预设压力值，控制所述打印舱室的排气阀打开以降低所述打印舱室的压力；

6、判断所述打印舱室内的实时氧含量是否在需求值的设定区间，当所述打印舱室内的实时氧含量达到氧含量需求值的设定区间后，向所述打印舱室内输入的惰性气体量等于所述打印舱室的惰性气体排出量，以使所述打印舱室内的实时氧含量维持在氧含量需求值的设定区间。

7、作为基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制方法优选方案，所述控制器输出量、所述氧含量误差值、所述控制器比例系数之间的关系为：

8、u(t)＝kp·err(t)

9、err(t)＝a-b

10、式中，u(t)为控制器输出量，kp为控制器比例系数，err(t)为氧含量误差值，a为当前打印舱室内的实时氧含量，b为打印舱室的氧含量需求值。

11、作为基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制方法优选方案，惰性气体管道上的电磁阀开启方式为：

12、tk＝δxn/(c-b)

13、式中，tk表示电磁阀每秒的开启时间，δxn表示在n时刻打印舱室内的氧含量误差值；c表示空气中氧含量最大值。

14、作为基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制方法优选方案，判断所述打印舱室内的氧含量误差值是否在预设的误差范围内，若所述打印舱室内的氧含量误差值超出预设的误差范围，增大所述控制器比例系数的数值。

15、作为基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制方法优选方案，引入比例微分控制值后，所述控制器输出量、所述氧含量误差值、所述控制器比例系数之间的关系为：

16、u(t)＝kp·err(t) isk

17、sk＝δx1 δx2 ... δxn

18、式中，i为引入的比例微分控制值，sk为历史氧含量误差值的和。

19、作为基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制方法优选方案，若所述实时压力数值低于所述打印舱室的舱室预设压力值，控制所述打印舱室的排气阀关闭以增加所述打印舱室的压力；

20、当所述打印舱室内的实时氧含量维持在氧含量需求值的设定区间后，输入惰性气体管道上的电磁阀开启时间根据比例微分控制的调控减小，向所述打印舱室内输入惰性气体的量减小。

21、本发明还提供一种基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制装置，包括：

22、氧含量监测模块，用于按照预设采样周期对所述打印舱室内的所述实时氧含量进行监测，获取当前打印舱室内的实时氧含量；

23、误差值分析模块，用于将所述实时氧含量与所述打印舱室的氧含量需求值进行比对，得到所述打印舱室内的氧含量误差值；

24、惰性气体调控模块，用于根据所述打印舱室内的氧含量误差值、控制器比例系数、比例微分控制值，确定所述打印舱室内输入惰性气体的控制器输出量，通过所述控制器输出量确定输入惰性气体管道上的电磁阀开启方式；

25、压力分析模块，用于监测所述打印舱室内的实时压力数值，将所述实时压力数值和所述打印舱室的舱室预设压力值比较，若所述实时压力数值大于所述打印舱室的舱室预设压力值，控制所述打印舱室的排气阀打开以降低所述打印舱室的压力；

26、氧含量分析模块，用于判断所述打印舱室内的实时氧含量是否在需求值的设定区间，当所述打印舱室内的实时氧含量达到氧含量需求值的设定区间后，向所述打印舱室内输入的惰性气体量等于所述打印舱室的惰性气体排出量，以使所述打印舱室内的实时氧含量维持在氧含量需求值的设定区间。

27、作为基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制装置优选方案，所述惰性气体调控模块中，所述控制器输出量、所述氧含量误差值、所述控制器比例系数之间的关系为：

28、u(t)＝kp·err(t)

29、err(t)＝a-b

30、式中，u(t)为控制器输出量，kp为控制器比例系数，err(t)为氧含量误差值，a为当前打印舱室内的实时氧含量，b为打印舱室的氧含量需求值；

31、惰性气体管道上的电磁阀开启方式为：

32、tk＝δxn/(c-b)

33、式中，tk表示电磁阀每秒的开启时间，δxn表示在n时刻打印舱室内的氧含量误差值；c表示空气中氧含量最大值。

34、作为基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制装置优选方案，所述误差值分析模块中，判断所述打印舱室内的氧含量误差值是否在预设的误差范围内，若所述打印舱室内的氧含量误差值超出预设的误差范围，所述惰性气体调控模块增大所述控制器比例系数的数值；

35、所述惰性气体调控模块中，引入比例微分控制值后，所述控制器输出量、所述氧含量误差值、所述控制器比例系数之间的关系为：

36、u(t)＝kp·err(t) isk

37、sk＝δx1 δx2 ... δxn

38、式中，i为引入的比例微分控制值，sk为历史氧含量误差值的和。

39、作为基于比例微分的增材制造过程氧浓度控制装置优选方案，所述压力分析模块中，若所述实时压力数值低于所述打印舱室的舱室预设压力值，控制所述打印舱室的排气阀关闭以增加所述打印舱室的压力；

40、所述氧含量分析模块中，当所述打印舱室内的实时氧含量维持在氧含量需求值的设定区间后，所述惰性气体调控模块中，输入惰性气体管道上的电磁阀开启时间根据比例微分控制的调控减小，向所述打印舱室内输入惰性气体的量减小。

41、本发明具有如下优点：按照预设采样周期对所述打印舱室内的所述实时氧含量进行监测，获取当前打印舱室内的实时氧含量，将所述实时氧含量与所述打印舱室的氧含量需求值进行比对，得到所述打印舱室内的氧含量误差值；根据所述打印舱室内的氧含量误差值、控制器比例系数、比例微分控制值，确定所述打印舱室内输入惰性气体的控制器输出量，通过所述控制器输出量确定输入惰性气体管道上的电磁阀开启方式；监测所述打印舱室内的实时压力数值，将所述实时压力数值和所述打印舱室的舱室预设压力值比较，若所述实时压力数值大于所述打印舱室的舱室预设压力值，控制所述打印舱室的排气阀打开以降低所述打印舱室的压力；判断所述打印舱室内的实时氧含量是否在需求值的设定区间，当所述打印舱室内的实时氧含量达到氧含量需求值的设定区间后，向所述打印舱室内输入的惰性气体量等于所述打印舱室的惰性气体排出量，以使所述打印舱室内的实时氧含量维持在氧含量需求值的设定区间。本发明能够精确的控制电磁阀的开启与关闭，实现惰性气体流量的控制，保证打印舱室的氧含量在一个相对稳定的范围之内，采用单个电磁阀，同时缩短设备的充气时间，减少惰性气体的浪费，确保打印舱室氧气浓度满足设备的要求。