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本文提出了一种基于前馈控制的时间变导前滤波器策略，解决大格式增材制造中挤出响应慢导致的沉积精度问题，无需额外传感器或硬件，实验验证其在动态速度、多材料切换等场景下的有效性。
Jutang Gao|Pinyi Wu|Chinedum E. Okwudire|Wes McGee
美国密歇根大学安阿伯分校，48109，MI
摘要
大型增材制造（LFAM）系统通过熔化并沉积颗粒状热塑性原料来生产大型零件，这一过程依赖于挤出技术。然而，当涉及到复杂的几何形状或挤出参数变化时，LFAM的应用通常会受到挤出响应缓慢的阻碍，这会导致珠状沉积物的宽度不准确以及打印缺陷。本研究提出了一种前馈控制策略，该策略采用基于模型的时变延迟滤波器来解决这些问题，而无需额外的传感器或对硬件进行重大修改。通过根据运行条件持续估计挤出系统的时间常数，所提出的控制方法能够补偿非线性的一阶挤出动态。在机器人辅助的LFAM系统上的实验表明，该方法在多种情况下都能提高沉积精度，包括在动态运动速度下保持珠状沉积物宽度的一致性、快速变化珠状沉积物宽度的情况，以及使用双螺杆双材料配置时的快速材料切换。该方法依赖于通用的挤出模型和前馈控制器实现，因此具有应用于其他不同运动系统的LFAM系统的潜力。因此，这种方法为提高LFAM过程的沉积一致性和灵活性提供了实用的途径。
术语表
术语定义
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期望的挤出比（
）：挤出螺杆速度与期望运动速度的比值，该比值与期望的珠状沉积物宽度成正比。通常是在使用SuperMatterTool（SMT，一个为Rhinoceros 3D开发的路径生成插件，由Pigram和McGee共同开发[1]）生成工具路径时定义的。 - •
期望的TCP速度（
）：编程设定的TCP速度。 - •
期望的挤出速度（
）：由PLC根据特定公式动态计算出的挤出速度。
实验装置
本研究中使用的机器人辅助LFAM系统由几个关键组件组成，如图1所示：一个由KUKA机器人控制器（KRC）控制的KUKA工业6轴机器人臂（KR），用于实现挤出机的定位（即挤出喷嘴的运动）；一个安装在KR法兰上的螺杆式挤出机（SE）；以及一台安装了TwinCAT3的PC，作为可编程逻辑控制器（PLC）。PLC通过TwinCAT CNC软件（TCNC）运行打印程序，并根据KR的控制来调节打印速度。
结果与讨论
所提出的非线性延迟滤波器的实施显著提升了机器人辅助LFAM系统的多个方面的性能，特别是在材料沉积精度、挤出机的启动和停止以及双材料切换方面。特别是在材料沉积精度方面，例如珠状沉积物宽度的一致性和可控的变化方面。
结论与未来工作
本研究开发并验证了一种使用非线性延迟滤波器的前馈控制方法，以加快机器人辅助LFAM系统中挤出机的响应速度。通过构建基于模型的时变延迟滤波器，该方法有效缓解了螺杆式挤出机的挤出响应缓慢问题，从而在各种工作条件下提高了单螺杆系统的沉积精度，而无需额外的传感器或对现有设备的重大改造。
作者贡献声明
Jutang Gao：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论构建、数据分析、概念化。Pinyi Wu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论构建、数据分析、概念化。Chinedum E. Okwudire：撰写 – 审稿与编辑。Wes McGee：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、软件开发、资源协调、项目管理、数据分析、资金支持。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本文档时，作者使用了[ChatGPT-4o]来提升语言表达和可读性。使用该服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
