具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

发明的实施例参考图1-3所示。

一种金属材料加工系统，包括机身、挤出机构、送料机构、传动机构以及控制系统，

机身承托了挤出机构、送料机构、传动机构，机身包括底座、导轨、轴承座、支撑架、底座、Z轴安装板、XY轴安装板，采用模块组合方式构成，模块之间通过铆钉与焊接方式连接。

挤出机构包括喷头、喉管、散热装置，

喷头的喷头直径为0.4mm，不锈钢材料制作喷头，喷头直径设计成0.2mm，喷头和喉管组成活塞筒，金属材料作为活塞，步进电机提供动力，金属材料在动力牵引下往喷头方向进给。

送料机构包括一个主动轮(由步进电机驱动)、两个从动轮(无电机驱动)、加热块、轮轴安装板，送料机构提供驱动力将金属材料牵引进喉管，挤出喷头机构将金属材料加热并挤出喷头，散热装置对整个挤出过程进行降温处理，传导过程中，金属材料从两个从动轮之间被传导进入加热块，主动轮的转动带动其中一个从动轮转动；

两个从动轮的中心距可调，电机驱动的主动轮和与之直接接触的一个从动轮装配在轮轴安装板上，没有相对运动，轮轴安装板在水平方向上与机身的相对位置可调；另一个从动轮则固定在机身上，与机身之间的水平相对位置不可调整；通过调整轮轴安装板与机身的位置调整两个从动轮之间的中心距，从而调整对金属材料的挤压程度。

这样设计的优点在于如果发现金属材料传导效果不好，调整滚轮间距就可以了，而不是将此送料机构直接报废换新。

送料机构左右对称，在机构的入口开设了上宽下窄的倒锥形口，

每个从动轮包括金属材料制作的轴状芯以及包覆在中部的橡胶材料，被传导的金属材料与橡胶材质接触，与金属材料接触的滚轮橡胶部位，开设了弧形凹槽。

送料机构结构设计合理，改善了传导的效果和效率，避免了堵死，避免了金属材料变形过大而强度减弱。

传动机构包括X轴传动机构、Y轴传动机构、Z轴传动机构以及调平结构，其中，X轴传动构件包括X轴步进电机、X轴电机座、X轴从动轮座，X轴同步带、压块、滑动底座、X轴主动轮、X轴从动轮、X轴双杆导轨，X轴双杆导轨一端与X轴电机座固定连接，X轴电机座上安装有步进电机，步进电机输出轴安装有X轴主动轮，滑动底座与X轴双杆导轨滑动连接，X轴双杆导轨另一端与X轴从动轮座固定连接，X轴从动轮座通过短轴与X轴从动轮实现转动连接，X轴同步带套设在X轴主动轮和X轴从动轮上，滑动底座通过压块与X轴同步带固定连接，喷嘴安装在滑动底座上，X轴步进电机旋转实现喷嘴的X轴直线运动；

Y轴传动机构包括正方形的安装板、传动轴、Y轴主动轮、三个Y轴同步轮、两个Y轴导轨、两个Y轴同步带以及Y轴步进电机，Y轴主动轮和三个Y轴同步轮安装在安装板的四个角落，第一Y轴同步带套设在Y轴主动轮与第一Y轴同步轮上，第一Y轴同步带套设在第二Y轴同步轮与第三Y轴同步轮上，两个Y轴导轨平行安装在安装板的两个边上，第一Y轴同步轮与第二Y轴同步轮通过传动轴固定连接，X轴传动构件和X轴从动轮座分别滑动连接在两个Y轴导轨上，X轴传动构件和X轴从动轮座分别通过压块与两个Y轴同步带固定连接，Y轴步进电机的输出轴与Y轴主动固定连接，Y轴步进电机转动带动两个Y轴同步带同步运动，X轴传动机构沿着Y轴直线运动；

Z轴传动机构包括Z轴步进电机、丝杠、轴承、螺母、托板、两个Z轴导轨以及托架，Z轴步进电机输出轴连接丝杠，丝杠两端通过轴承与机身可转动的连接，螺母与丝杠螺纹活动连接，螺母两端与两个Z轴导轨滑动连接，托板与螺母固定连接，安装板通过调平结构与托板连接，Z轴步进电机转动带动安装板的Z轴直线运动；

调平结构包括旋钮、横梁、弹簧、螺栓，在安装板四个角各安装一个调平结构，托板四个角有四个伸出的横梁，螺栓与横梁固定，穿过托板的通孔后与旋钮螺纹匹配，弹簧套设在旋钮的螺栓上并抵接在横梁和托板之间，通过旋转旋钮调节螺栓长度从而校核安装板的平面度；

安装板起材料支撑作用，故对平面度要求较高，在Z轴传动结构的基础上设计了安装板的调平结构，通过这种方法可使工作平台达到较好的平面度。

Z轴传动机构是丝杠螺母机构，

丝杠长度为最大行程、螺帽长度、安全距离以及轴端预留量之和；

计算丝杠轴径为：

其中，d为丝杠轴径，n为容许转速，f为支撑系数，L为安装间距；

计算丝杠寿命为：

F_ave为丝杠的平均负荷；F_i为在转速n_i的工作时间t_i内的丝杠承受后的载荷，

N_ave为平均转速，

L_t为丝杠寿命，Ca为受力系数，f_w为负荷系数；

计算丝杠的校核应力δ：

丝杠轴向应力

σ为轴向应力；F_max为最大负荷，

丝杠径向应力计算，

τ为径向应力，J为转动惯量，T为材料扭矩

控制系统包括主控制器、步进电机驱动模块、温度控制模块、串口通信模块、数据存储模块，步进电机驱动模块、温度控制模块、串口通信模块、数据存储模块与主控制器连接，主控制器控制温度控制模块，对加热块进行加热，并对喷头温度进行采集反馈，使用温度控制算法对喷头温度进行控制，保证喷头的温度要能熔融金属材料，并处于恒温状态。主控制器控制电机驱动模块驱动送料机构的步进电机、X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机，使用直线曲线控制算法对步进电机进行控制；

其中，温度控制算法具体为：

步骤1、系统初始化；

步骤2、温度控制模块对加热块进行加热，通过温度传感器采集喷头温度；

步骤3、构建控制模型，根据目标设定值与测量值之间的误差，将误差的占比、求导、累计按照线性组合构成控制量，使响应给温度控制模块的目标温度值与实际温度值之间的误差尽量减小，从而精准控制加热温度,控制模型如下：

ec(KT)＝e(KT)-e((K-1)T)

式中：K是采样点序列,T是采样周期，e(KT)表示测量值与目标值的偏差；ec(KT)表示偏差变化率；U(KT)表示系统的控制量；K_P为占比系数；T_I是累计时间常数；T_D为求导时间常数；K_I为累计系数；K_D为求导系数；

电加热系统处于开环状态，给系统阶跃信号，每隔采样周期T测试一次，采集到的温度随时间变化的数据,得到被控对象的响应曲线，

根据响应曲线求出被控对象的响应函数,其响应函数G(S)为：

式中：K_Z为静态增益；T_C为增益时间常数；τ为滞后时间。

其中，ΔC为系统的输出响应值；ΔM为系统的阶段输入；t_0.632为升高到0.632ΔC所需的时间；t_0.28为升高到0.28ΔC所需的时间，

根据控制器类型，得出T_I＝2.2τ，T_D＝0.5τ，由此得到控制模型；步骤4、偏差修正，按照采样周期T对温度进行采用得到采样点序列K，并计算每个采样点的测量值与目标值的偏差e(KT)，根据前次测量值与目标值的偏差e(KT)计算偏差变化ec(KT)，对e(KT)和ec(KT)进行量化处理，将e(KT)和ec(KT)变换到论域区间表示为：e[-3,3]，ec[-3,3]，构建e(KT)和ec(KT)的量化子集，具有7个维度：{NL,NM,NS,Z,PS,PM,PL},分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，并通过规则表得到占比系数K_P、累计系数K_I、求导系数K_D对应占比系数修正量ΔK_P、累计系数修正量ΔK_I、求导系数修正量ΔK_D的量化子集，将ΔK_P、ΔK_I和ΔK_D变换到论域区间表示为：ΔK_P[-3,3]、ΔK_I[-0.03,0.03]和ΔK_D[-5,5]，分别根据量化控制规则表得到ΔK_P、ΔK_I和ΔK_D的量化子集，其中，量化控制规则表如下：

表1 ΔK_P的量化控制规则表

表2 ΔK_I的量化控制规则表

表3 ΔK_D的量化控制规则表

根据ΔK_P、ΔK_I和ΔK_D的量化子集对应的论域区间上的数值和量化规则对步骤3计算得到的K_P、K_I、K_D进行量化推理和修正；

步骤5、根据步骤3的控制模型和步骤4经过修正的K_P、K_I、K_D计算系统控制量U(KT)，控制电加热系统加热，如果|e(KT)|＜1则结束温度控制，否则返回步骤2。

其中，直线曲线控制算法具体为：

当时间t处于0＜t≤T_A的加速阶段，加速阶段使用直线加速，

α为步进电机加速度，θ_i为第i个脉冲发出后已经转过的角度，t_i为第i个脉冲发射时刻，T_A为加速段时间，δ为步进角，i＝1，2，3，...，n_A，n_A为加速段步进数，

为加速段转动角度

则加速段的第i个脉冲周期T_i为：

当时间t处于T_A＜t≤T_A+T_B的匀速阶段，

t_i为第i个脉冲发射时刻，T_B为匀速段时间，i＝n_A+1，n_A+2，n_A+3，...，n_A+n_B，n_B为匀速段步进数，

则匀速段的第i个脉冲周期

当时间t处于T_A+T_B＜t≤T的减速阶段，采用曲线减速，

减速段的第i个脉冲周期T_i为：

其中，T_C为减速段时间，i＝n_A+n_B+1，n_A+n_B+2，n_A+n_B+3，...，n_A+n_B+n_C，n_C为减速段步进数，

T为总控制周期，T＝T_A+T_B+T_C；

步进电机的控制电压为：

其中，U_A、U_B分别为施加在步进电机A、B两相绕组上的控制电压；R_A、R_B分别为A、B两相绕组的电阻；I_A、I_B分别为A、B两相定子绕组上的电流；L₀为电机定子绕组自感的平均分量；L₁为定子绕组自感的基波分量；K₀为步进电机的反电动势系数；ω为电机转子的机械角速度。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。