（机械制造及其自动化专业论文）基于神经网络控制技术的快速模具低压灌注系统研究.pdf

摘要 摘要 目前，快速模具低压灌注系统控制方式由于缺乏灵活性和应变能力而难以 获得高质量的产品，本文将神经网络( n e u r a ln e t w o r k s ，简称n n ) 技术应用于快 速模具低压灌注系统，实现对该设备生产过程的智能化原型控制，优化了制品 性能，提高了生产效率，为进一步开发具有广阔应用前景的智能化快速模具制 造设备奠定了理论及应用基础，因此本课题的研究具有重要的理论意义和实际 应用价值。 本文以快速模具低压灌注系统为研究对象，以提高快速模具制品质量及其 生产效率为目的，以自动控制技术以及n n 控制技术为手段，在充分消化国内外 先进技术的基础上，对快速模具低压灌注设备的智能化控制方面展开深入研究， 探索快速模具低压灌注系统的智能控制方法及其实现途径，主要从以下三个层 次进行研究： 首先是低压灌注技术现状及其制品性能研究。通过对低压灌注设备及其制 品性能进行分析，提出了采用二级注射速度以提高制品浇注质量的观点。 其次是n n 技术及其在低压灌注控制系统中的应用理论研究。在深入研究n n 技术的基础上，提出采用n n 技术解决低压灌注系统过程控制问题；建立了低压 灌注设备n n 辨识及控制系统结构，提出采用前馈型网络解决连续过程控制问题 的观点并运用于低压灌注系统控制中；将误差反向传播改进算法引入快速模具 低压灌注系统的智能控制当中，并通过仿真论证该改进算法的有效性。 最后，本文改进了传统低压灌注设备的配比调节方法，实现了低压灌注n n 控制的原型系统。通过分析传统的配比调节方法，提出采用变频调速技术改进 低压灌注系统的配比调节方法，从材料配比的角度最大限度的保证了制品质量； 在综合n n 技术和低压灌注系统的基础上，探讨了低压灌注过程的n n 控制的实 现。 关键词：快速模具，低压灌注设备，b p 神经网络，过程控制，仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，i ti sh a r dt og e th i 曲q u a l i t yp r o d u c t sa sc o n t r o lm e t h o d so fr a p i d t o o l i n gl o w p r e s s u r ei n j e c t i o ns y s t e ml a c k so ff l e x i b i l i t ya n ds e n s i b i l i t yt oc h a n g e t h i sp a p e ra p p l i e sn e u r a ln e t w o r k st ot h er a p i dt o o l i n gl o wp r e s s u r ei n j e c t i o ns y s t e m ； r e a l i z e st h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o lo fe q u i p m e n t sp r o d u c tp r o c e s s ；o p t i m i z e st h e p r o d u c t sp e r f o r m a n c e ；i m p r o v e s t h e p r o d u c t i v i t y i t a l s oh a sr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to nn e u r a ln e t w o r k sc o n t r o ls y s t e mf o rt h er a p i dt o o l i n gl o wp r e s s u r e i n j e c t i o ns y s t e m ，c o n s o l i d a t e sat h e o r ya n da p p l i c a t i o nf o u n d a t i o nf o ri n t e l l i g e n tr a p i d t o o l i n gm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t s w h i c hh a v eav a s t p r o s p e c t f o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t i tc a nb es e e nt h a tt h i ss u h j e c to w n sg r e a ts i g n i f i c a n c eo ft h e o r ya n d r e a l i t y t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h er a p i dt o o l i n gl o wp r e s s u r ei n j e c t i o ns y s t e m ，a i m st o i m p r o v et h eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t y b ym e a n so fa u t o m a t i cc o n t r o l ，i tp e r f o r m sa r e s e a r c ho nt h er a p i dt o o l i n gl o wp r e s s u r ei n j e c t i o ns y s t e ma n de x p l o r e st h e i n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r ya n da c h i e v e m e n tw a ya f t e rs o u n d l ya b s o r b i n gt h ed o m e s t i c a n da b r o a da d v a n c e dt e c h n o l o g i e s t h i sp a p e rr e a r c h e so nt h r e ep a r t sa sf o l l o w i n g ： a tf i r s t ，t h ea u t h o re x p l o r et e c h n o l o g yo fr a p i dt o o l i n gl o wp r e s s u r ei n j e c t i o n a n dp e r f o r m a n c eo fp r o d u c t s a f t e ra n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dd e f i c i e n c i e so f l o wp r e s s u r ei n j e c t i o np r o d u c t s ，i tc r e a t i v e l yb r i n g so u tap o i n tt h a tc o n t r o lf o rp u m p s h a f tr o t a t i o n a ls p e e di nt w op h a s ei sn e c e s s a r yt oa v o i dt h ed e f i c i e n c i e so fl o w p r e s s u r ei n j e c t i o np r o d u c t s s e c o n d l y , a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n st ol o wp r e s s u r e i n j e c t i o nc o n t r o ls y s t e ma r er e s e a c h e d a f t e rad e e pr e s e a r c ho nn e u r a ln e t w o r k s ，t h i s p a p e rp u tf o r w a r dam e t h o dt os e t t l et h ec o n t i n u o u sp r o c e s sc o n t r o lp r o b l e mo ft h e r a p i dt o o l i n gl o wp r e s s u r ei n j e c t i o ns y s t e mt h r o u 曲a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e n e u r a l n e t w o r k s ；r e s e a r c h e so nt h ed e s i g nf l o wo fn e u r a ln e t w o r k sc o n t r o lf o rl o wp r e s s u r e i n j e c t i o nf a c i l i t ya f t e ra n a l y z i n gt h ed e s i g nf l o wo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sc o n t r o l ， e s t a b l i s h e saf r a m e w o r kf o ra p p l i c a t i o no fn e u r a ln e t w o r k si n t ot h ef i e l do fl o w p r e s s u r ei n j e c t i o ns y s t e m ，w h i c hc o m b i n e sw i t hr e c u r r e n tn e t w o r k s a n da d o p t s f e e d f o r w a r dn e t w o r k st os o l v et h ec o n t i n u o u sp r o c e s sc o n t r o lp r o b l e m ；i n t r o d u c e st h e i m p r o v e da l g o r i t h mo fe r r o rb a c k p r o p a g a t i o ni n t ot h er a p i d t o o l i n gl o wp r e s s u r e i n j e c t i o ns y s t e m ，a n dv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h i si m p r o v e da l g o r i t h mt h r o u 曲 s i m u l a t i o n f i n n a l y , p r o p o r t i o n i n ga d j u s t m e n tm e t h o do fl o wp r e s s u r ei n j e c t i o ns y s t e m si s i m p r o v e da n dt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sc o n t r o ls y s t e ma r er e a l i z e d i ta p p l i e s f r e q u e n c yc o n t r o la s a ni m p r o v e m e n tf o rp r o p o r t i o n i n ga d j u s t m e n tm e t h o do fl o w p r e s s u r ei n j e c t i o ns y s t e m sa f t e ra n a l y z i n g t r a d i t i o n a l p r o p o r t i o n i n ga d j u s t m e n t m e t h o d ，t h ei m p r o v e m e n tg u a r a n t e e st h ep r o d u c t sq u a l i t yt oau t t e r m o s tl e v e lf r o m t h ef a c to fm a t e r i a lp r o p o r t i o n i n g ；b yac o m p r e h e n s i v es t u d yo na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e n e u r a ln e t w o r k sa n dl o wp r e s s u r ei n j e c t i o ns y s t e m ，w ed i s c u s s e dt h en e u r a ln e t w o r k s c o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：r a p i dt o o l i n g ；t h el o wp r e s s u r ep o u r sf a c i l i t y ；e u r a ln e t w o r k s ， b p n n ，p r o c e s sc o n t r o l ，s i m u l a t i o n i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济人。、产关r 收集、保存、使用学位论文的规定，同意如f 各项内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电r 版，并采州影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及 提供本学位论文伞文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构 送交论文的复印件雨i 电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用丁学术活动。 学位论文作者签名：互。荡 测痧匹月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签 年月日 名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位沦文，是本人在导帅指导下，进行 研究t 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文愿创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：王谚饧 ? 耐，年g 月 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 基于f i p 的快速制模技术发展概况 2 1 世纪人类社会已进入了知识经济的新时代，制造业作为新世纪的战略产 业正面临着剧烈的挑战，同时经历着一场深刻的技术变革。随着全球市场一体化 的形成，市场竞争愈来愈剧烈，迫使产品制造业在不断改善产品的性能与品质 的前提下，最大限度地缩短新产品的开发周期，降低成本，以便快速响应用户 最新的需求。可以说，快速、高效地开发新产品是竞争取胜的一个关键因素。 实现新产品的快速、高效丌发涉及多种领域的先进技术，例如，计算机辅 助设计( c a d ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、新型 材料，以及产品的快速成型、快速制造等。其中，产生于2 0 世纪8 0 年代末的 快速成形( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 技术涉及c a d c a m 技术、数据处理 技术、材料技术、激光技术和计算机软件技术等，是各种高技术的综合应用。 它能根据工件的c a d 三维模型快速制作工件的实体原型，而无需任何模具或机 械加工。将r p 技术应用于产品的设计和制造领域，能显著地缩短产品投放市 场的周期，降低成本，提高质量，增强企业的竞争能力。所以，该技术问世不 久，就给制造业带来了巨大效益，从而得到了日益广泛的应用。 模具是制造业必不可少的制造手段，其中用得最多的有铸模、注塑模、冲 模和锻模等。传统的制模方法是：对木材或金属毛坯进行车、铣、刨、磨、电 蚀等加工，而得到所需的模具形状和尺寸。由于传统模具制作过程复杂、耗时 长、费用高，特别是该技术所依据的样模精度问题一直未能根本突破，而这往往 成为设计和制造的瓶颈，成为制模技术发展的制约因素。直到r p 技术的出现， 为快速制模技术的发展创造了有利条件。将r p 技术引入模具制造领域标志着传 统快速制模技术与现代先进制造技术的最佳结合，r p 技术为传统快速制模技术 注入了活力，同时，传统快速制模技术又为r p 技术的推广应用提供了技术保证， 自此基于r p 的快速模具制造( r a p i dt o o l i n g ，简称r t ) 技术迅速发展起来。 陔技术采用r p 技术直接或间接制作模具，融合r 高分子复合材料应用、r p 技 术、一队速翻制工艺以及c n c 加工等新技术、新t 艺，使模具的制造时间和成本 第1 章绪论 大大缩短。 一般快速模具制造技术采用真空浇注或低压常温浇注工艺，相对应的快速 模具成型设备有真空注塑机和低压灌注设备等。而低压灌注机适用于双组分的 聚氨酯材料的模塑成型，与一般塑料的真空注射成型工艺比较，它使用双组分 的聚氨酯液体原料、所需压力低、能耗小、效率高，特别对形状复杂、薄壁、 大型制品其经济性及产品性能均十分优越。所以由低压灌注机制成的产品覆盖 了电子、汽车、航空、家具、运动器材等多个行业，用途极其广泛。 目前市场上使用的低压灌注设备一般采用可编程序控制器( p r o g r a m m l o g i c c o n t r o l ，简称p l c ) 进行控制。但由于低压灌注系统所处的复杂工作环境，而现 有设备的控制方式缺乏灵活性和应变能力，即不具备学习能力、没有自适应性 和自组织及协调功能，所以难以获得高质量的产品，市场要求研究开发人工智 能控制的快速模具制造设备。 1 2 国内外快速模具成型设备简介 快速制造技术的开发研究在国外开始于1 9 8 7 年。该技术自问世以来即受到 了工业界的青睐，发展迅速。目前全球范围内已拥有r p 设备3 0 余种，设备年产 量超过千台，并且开发出各种相关技术，可以制造任意复杂程度的、各种材料 的原型及零件。我国于1 9 9 2 年丌始进行快速制造技术的开发研究，并很快得到 了国家科委的大力支持，有关专题被列入了国家”九五”科技攻关计划。“十五” 期间，该技术继续被列入了重点科技计划之中。目前我国的快速原型制造技术 已度过了艰苦的开拓期，开始逐步进入了快速发展期，有些设备甚至己参与了 国际竞争。 与r p 技术的发展相呼应，r t 技术也获得了快速发展。该技术是r p 技术的延 伸，并进一步扩大7 r t 技术的效益。该技术对于基本完成了新产品丌发和原型 制作的产品，及时进行小批量快速制造，以便于进行产品小批量试制、市场展 示：以及进行年生产批量有限的较大型产品覆盖件成品生产都具有十分积极的 意义。目前在我国已有不少研究机构立项开展了r t 及相关技术的研究，如清华 大学、西安交通大学、华中科技大学等，并取得了一定的研究成果。主要内容 涉及硅橡胶模具、树脂模具以及低熔点会属模具。然而，这项技术目前尚不成 熟，有关的研究大多限于理论性、实验性的基础研究，对应用问题尤其足应用 第1 章绪论 工艺研究以及制品的性能控制等问题的研究较为缺乏，致使该技术的产业化程 度不高。这也是本论文要重点解决的问题。 目前用于快速模具产品生产的设备主要有真空注型设备和低压灌注设备， 其中真空注型设备主要应用于产品开发阶段的模型制作，而低压灌注设备不仅 可制作产品模型，也可直接应用于成品生产。低压灌注设备采用反应注射成型 工艺，由低压灌注生产过程可知，适当调整浇注材料的比例关系，可以得到不 同的制品性能，而产品的性能始终是企业和市场所关注的焦点，所以，如何精 确而又方便的调节进入混合头的双组分材料的配比是研究低压灌注设备的重要 内容之一。 在低压灌注设备的控制方面，目前该类设备一般采用p l c 进行控制，由于该 控制系统不具备学习能力、不具备实时控制性等性能，所以控制效果均不很理 想。采用n n 智能控制方法，具有记忆功能、较强的学习能力和实时性等性能， 特别是n n 控制具有很强的自学习和抗干扰能力，当突然加、减负载时，n n 控制 与其他现有控制方法相比，具有恢复时间短、超调和振荡小等特点。受过适当 训练的n n 还具有一定的泛化能力，也即当输入出现训练中未提供的数据时，网 络也有能力进行辨识。所以基于人工智能控制技术的快速模具制造设备研究是 目前快速制模技术领域的前沿课题。 1 3n n 技术的发展及其在r t 技术中的应用 n n 又称为人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) ，是一种摹 仿生物大脑与神经网络系统所建构出来的信息处理系统，能够对于从外界输入 的信号有储存、学习和回想等能力。3 。 人类之所以要依赖电脑，是因为它快速的运算能力，虽然随着科技的进步， 电脑运算的速度不断加快，但是电脑本身决策处理的能力却远远不及人类。为 了使电脑能拥有像人脑一样的学习判断能力，必须去尝试建立一种新的模式来 使电脑能拥有这样的功能，这也就是人们研究a n n 的目的。 a n n 的发展可分为以v j l 个阶段1 ： 早在1 9 4 3 年，心理学家w a r r e nm c c u l l o c h 和数学家w a l t e rp i t t s 采用数理模 型的方法首先提出了神经元最早的数学模型( m p 模型) ，迈出了人类研究神经 元网络的第一步。到1 9 4 9 年h e b b 在他所著的行为组织学( o r g a n i z a t i o no f 第1 章绪论 b e h a v i o r ) 一书中提出神经元之问连接强度的变化规律，即h e b b 学习法则，使 得a n n 丌始有了学习的功能，它强调神经元问的衔接与实际输出和理想输出问 的差距有相关性。该学习法则和动物行为科学中的条件反射学说是一致的。而 m p 模型与h e b b 学习规则让人工神经科学与电脑科学能有沟通的桥梁，也奠定 后来a n n 发展的基础。到了1 9 5 8 年，e r o s e n b l a t t 提出仿真大脑学习能力的感 知机( p e r c e p t r o n ) 模式，激起了a n n 研究的第一次高潮，而且这种网络一直到 现在还在广泛应用。 随着人工神经元网络研究的不断深入，人们曾遇到过来自各方面的各种困 难和许多一时难以解决的问题。对神经元网络的学习能力问题，引起了学术界 的很大争议。1 9 6 9 年，m i s k y 与p a p e r t 两人均出书驳斥a n n 的学习能力，连最 简单的 都无法解决，此后a n n 便进入挫折期；直到1 9 8 2 年，美国著名物理学家霍普菲尔( j o h nh o p f i e l d ) 引用能量函数提出了h o p f i e l d 神经元网络，用“能量函数”的标准来表示a n n 的能量，并将过程分为记忆与 联想两部分，证明了a n n 处理单元的交互作用，可以自动使a n n 中所定义的 能量函数收敛到一局部最小值。霍普菲尔网络被视为a n n 研究史上最重要的突 破之一。到了1 9 8 6 年，d e r u m e l h a r t 和l l m c c l e l l a n d 所出版的并行分布 处理 p a r a l l e ld i s t r i b u t e dp r o c e s s i n g ，p d p ) ) 中全面介绍了并行分布处理理论。文 中提出的误差反向传播n n ( b a c k p r o p a g a t i o n ) 是迄今为止应用最普遍的网络。 到了最近几年，n n 进入了蓬勃发展的时代，目前有许多学者专家，正对a n n 进行理论、模式与应用三方面的研究。“。 在知识经济时代，决定制造业竞争力的关键是新产品的快速开发能力，而 提高产品快速创新能力离不开先进制造模式。r t 技术作为r p 技术的延伸，随 着r p 技术的迅速发展而得到了广泛的应用。目前利用快速模具直接生产成品的 设备及工艺尚未完全达到成熟阶段，还有许多有待探索和解决的问题，如设备 的智能化控制、工艺过程和工艺参数的优化、先进的计算机辅助技术在提高生 产效率和产品质量方面的应用等。而n n 控制技术不仅能充分逼近任意复杂的非 线性映射、而且具有很强的自学习性，由于n n 系统自身网络系统的结构使其具 有很强的鲁棒性和容错性，同时还具有较好的并行处理能力，能快速进行大量 运算。所以，将n n 技术应用于快速模具成型系统，实现对快速模具成型设备生 产过程的智能控制，进而提高我国快速模具制造技术水平，具有深刻的理论意 义。 4 第1 章绪论 r t 技术是作为上世纪9 0 年代后期发展起来的一项应用新技术，它融合了高 分子复合材料应用、r p 技术、快速翻制工艺以及c n c 加工等新技术、新工艺， 可快速、低成本地制造非金属模具，用于1 0 1 0 0 0 件批量产品的快速制造。这 项新工艺采用真空浇注或低压常温浇注工艺，其生产成本仅为r p 的1 5 1 1 0 ， 且产品材质接近a b s 塑料，符合大多数客户的要求。其可加工范围也较大，可 将拼接的大型r p 产品复制成整体件，因此广受欢迎。面对国内市场的快速变化， 尤其是医疗仪器及汽车行业的快速崛起，年生产批量有限的较大型产品覆盖件 成品生产的需求前景十分看好。而快速模具技术恰好可满足这些领域对产品快 速开发和生产的需求。因此，开展快速模具技术研究的应用前景十分可观。本 论文通过研究开发快速模具制造设备的人工智能化控制系统，可以为进一步开 发具有广阔应用前景的智能化快速模具制造设备奠定理论及应用基础，并且为 我国快速模具技术应用研究进一步实用化寻找突破口，具有较强的实际应用价 值。 1 4 课题来源与研究内容 1 4 1 课题来源与研究意义 低压灌注生产过程涉及高分子材料的化学反应，工作环境相当复杂，目前 的低压灌注设备控制方式缺乏灵活性和应变能力，制品质量难以保证。n n 是由 大量人工神经元广泛互联而成的网络，具有很强的自适应性和学习能力、非线 性映射能力、鲁棒性和容错能力。将n n 技术应用于低压灌注生产过程控制领域， 建立神经网络技术在快速模具低压灌注系统领域的应用架构，实现对低压灌注 过程的智能化控制，对于优化制品性能、提高生产效率进而推进我国快速模具 制造技术水平都具有重要的理论指导意义和广泛应用前景。 本课题来源于广东省自然科学基金项目“基于人工智能技术的快速模具低 压灌注系统的研究”( 项目编号为0 3 0 6 3 5 ) 以及上海市“十j 五”科技攻关项目“决 速模具及其制品的工艺研究”( 项目编号为0 3 1 1 1 1 0 7 8 ) 。 1 4 2 主要研究内容 1 论文技术路线 本文针对日前存在的快速模具低压灌注设备智能化程度小高、可靠性较差、 第1 章绪论 r t 技术是作为上世纪9 0 年代后期发展起来的一项应用新技术，它融合了高 分子复合材料应用、r p 技术、快速翻制工艺以及c n c 加工等新技术、新工艺， 可快速、低成本地制造非金属模具，用于1 0 1 0 0 0 件批量产品的快速制造。这 项新工艺采用真空浇注或低压常温浇注工艺，其生产成本仅为r p 的1 5 1 1 0 ， 且产品村质接近a b s 塑料，符合大多数客户的要求。其町加工范围也较大，可 将拼接的大型r p 产品复制成整体件，因此广受欢迎。面对国内市场的快速变化， 尤其是医疗仅器及汽车行业的快速崛起，年生产批量有限的较大型产品覆盖件 成品生产的需求前景十分看好。而快速模具技术恰好可满足这些领域对产品快 速开发和生产的需求。因此，开展快速模具技术研究的应用前景十分可观。本 论文通过研究丌发快速模具制造设各的人工智能化控制系统，可以为进一步开 发具有广阔应用前景的智能化快速模具制造设备奠定理论及应用基础，并且为 我国快速模具技术应用研究进一步实用化寻找突破口，具有较强的实际应用价 值。 1 4 课题来源与研究内容 1 4 1 课题来源与研究意义 低压灌注生产过程涉及高分子材料的化学反应，工作环境十r 当复杂，f 1 前 的低压灌注设备控制方式缺乏灵活性和应变能力，制品质量难以保证。n n 是由 大量人工神经兀广泛互跃而成的网络，具有很强的自适应性和学习能力、非线 性映射能力、鲁棒性和容错能力。将n n 技术应用于低压灌注生产过程控制领域， 建立神经网络技术在快速模具低压灌注系统领域的应用架构，实现对低压灌注 过程的智能化控制，对于优化制品性能、提高生产效率进而推进我国快速模具 制造技术水下都具有重要的理论指导意义和广泛应用前景。 本课题来源于广东省自然科学基金项日“基于人工智能技术的快速模具低 压灌注系统的研究”( 项目编号为0 3 0 6 3 5 ) 以及上海市“_ l 再”利技攻关项日“快 速模具及其制品的工艺研究”( 项目编号为0 3 1 1 1 1 0 7 8 ) 。 1 4 2 主要研究内容 1 论文技术蹄线 本文针划日前存在的快速模具低压灌注设备智能化程度不高、可靠性较差、 本文针刑目前存在的快速模具低压灌注设备智能化程度不高、可靠件较差、 c 第1 章绪论 操作难度大、产品缺陷较多、质量难以保证等问题，引进智能化控制技术自主 研制智能化快速模具设备。本文采取的技术路线如下。 神 经 网 络 控 制 技 术 研 究 快速模具技术研究 低压灌注系统研究 低压灌注工艺优化研究 控制规则与优化工艺的确定 控制系统原理设计 训练网络及仿真控制分析 研究结论 图1 1 论文技术路线 本文以快速模具低压灌注系统为研究对象，以提高快速模具制品质量及其 生产效率为目的，以自动控制技术以及n n 控制技术为手段，在充分消化国内外 先进技术的基础上，对快速模具低压灌注设备的智能化控制方面始展开研究， 探索快速模具低压灌注系统的智能控制理论及其实现途径。本文的研究工作主 要围绕快速模具低压灌注设备基础理论、低压灌注系统配比调节方法和n n 控制 技术及其在低压灌注系统中的应用等方面展丌。 2 章节内容安排 具体论文内容安排如下： 第1 章：绪论。首先分析快速原型制造技术和基于r p 的快速制模技术发展 概况以及目前的快速模具成犁发备情况，简述n n 技术及其在r t 中的应用，然后 第1 章绪论 结合现状指出本课题的研究意义，最后确定论文的技术路线和主要研究内容。 第2 章：基于快速原型技术的快速模具低压灌注设备研究。在介绍快速模 具技术的原理及应用的基础上阐述了快速模具成型设备的结构，并指出其发展 方向；分析低压灌注制品性能，并在此基础上分析了低压灌注设备智能控制方 面的问题，提出采用两级注射速度的方法将低压灌注过程分为三个阶段的观点， 为以后详细研究n n 控制的低压灌注过程的章节作了铺垫。 第3 章：n n 控制技术研究。主要介绍n n 技术及其在工业控制中的应用， 尤其重点阐述了误差反向传播神经网络，为后面章节里面采用该网络进行控制 设计打下基础。引入b p 改进算法，合理调节步长。 第4 章：快速模具成型设备的n n 控制系统理论研究。n n 辨识过程是智能 控制系统建模的重要手段，其中辨识过程中的网络参数的选定以及网络算法的 决定都是非常重要的环节，其选定结果直接影响到低压灌注的生产效率以及制 品性能。根据低压灌注过程的控制要求设计神经控制器的结构是本章的又一重 要内容，通过详细分析低压灌注过程设计出控制器的输入、输出以及计时器， 最后给出n n 控制系统结构框图。 第5 章：低压灌注设备双组份材料配比调节方法的改进。现有低压灌注设 备通过齿形皮带减速装置来实现配比调节，不仅给操作者带来一定的不便，同 时使得产品的质量难以得到保证。而采用变频调速方法可以弥补齿形皮带机构 调节配比方法的不足，具有操作过程简单，能够实现平滑的无级调速等优点。 通过分析可知，将变频调速方法应用于低压灌注设备制品的成型过程来实现双 组份材料的配比调节，是保证制品质量、提高生产效率的有效方法。 第6 章：低压灌注设备n n 控制原型系统的实现。基于n n 建模技术，可以 通过选定网络参数、研究网络算法等环节建立低压灌注n n 控制系统模型。根据 控制要求，采用前馈型网络，结合回归型网络思路对输入、输出进行控制设计， 采用b p 改进算法对该网络进行训练，建立了料筒中的料高、模具冒口处的溢出 信号以及浇注过程中的停机消泡时间和电机转速之间的有机联系，并通过仿真 控制案例表明本研究的可行性。 第7 章：总结论文的研究成果，并对今后研究的方向和发展趋势做出展望。 第2 章快速模具技术及低压灌注设备 第2 章快速模具技术及低压灌注设备 2 1r t 技术的原理及应用 快速模具技术是基于快速原型制造r p 技术迅速发展起来的先进制造技术。 2 1 1r p 技术 2 1 1 1r p 技术原理 快速原型技术是集机械、电子、光学、材料等学科为一体的先进制造技术 之一。自美国上世纪8 0 年代末开发出第一台商品成型机以来，r p 技术在发达国 家制造业企业的新产品开发活动中得到了迅速的推广应用。快速原型制造技术 突破了传统的加工模式，是近2 0 年制造技术领域的一次重大突破。它与科学计 算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种 可测量、可触摸的新手段。r p 技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想 转化为具有一定功能的原型或直接制造零件，即用r p 技术快速制造出的模型 或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订 货以及企业的决策等，非常有利于早找错早修改早优化，从而大大提高了新产 品开发的一次成功率，有效地缩短了开发周期，降低了研发成本，可以这么说， r p 技术是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。 在现代c a d c a m 技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术 以及新材料技术的基础上集成发展成为r p 技术，其基本原理是“分层制造、逐 层叠加”，即根据堆积成形原理，将零件c a d 模型的几何信息，先离散成高度 方向的多个断面层，取得零件任一层面数据，利用专用机床，层层堆积得到一 个三维实体“。 r p 技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可将任意复杂形状 的设计方寨快速转换为三维的实体模型或样件，这就是r p 技术所具有的潜在 的革命意义。它的核心是基1 二数字化的新型成型技术。r p 技术对制造企业的模 型、原型及成型件制造方式正产牛深远的影响。同h , j ，r p 技术有力地支持了 第2 章快速模具技术及低压灌注设备 同步工程的实施，可为制造业企业带来不可估量的收益。 2 1 1 2r p 技术的应用 就目前r p 技术的发展水平而言，其应用主要体现在以下几个方面“： 用于在新产品开发过程中的设计验证与功能验证。 r p 技术可快速地将产品设计的c a d 模型转换成实物模型，这样可以方便 地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设 计中的问题可及时修改。如用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具 制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，一旦存 在设计失误，将会造成极大的损失。 用于可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传。 对有限空间的复杂系统的可制造性和可装配性用r p 方法进行检验和设计， 将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定其加工工艺的复杂零件， 可以用r p 技术进行试生产以确定最佳的合理工艺。此外，r p 原型还是产品从 设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进 行市场宣传等，r p 技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。 用于单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。 对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成形，满足使 用要求；对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。 快速模具制造。 通过各种转换技术将r p 原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶 模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、 批量越来越小的发展趋势。r p 应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在 医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。 2 1 2 快速模具技术 2 1 2 1 原理 r p 技术不仅可以直接制造样品，经过适当的表面处理后，可供设计者和用 户进行直观检测、评判、优化，用于产品性能及准确校验和分析；更重要的事， 它还可以用于快速制模，从而节约模具成本，缩短制模周期，这就是快速模具 技术。r t 技术融合了高分了复合材料应用、r p 技术、快速翻制工艺以及c n c m h 工等新技术、新工艺，利用硅橡胶、聚氨酯、树脂及其他混合材料，在常温卜 第2 章快速模具技术及低压灌注设备 采用快速复制工艺快速得到模具，再进行小批量复制生产的技术“1 。 随着多品种小批量时代的逐步来临和企业要求模具能保证新产品快速占领 市场，r t 技术越来越引起人们的重视，该技术对于基本完成了新产品开发和原 型制作的产品，及时进行小批量快速制造，以便于进行产品小批量试制、市场 展示；以及进行年生产批量有限的较大型产品覆盖件成品生产都具有十分积极 的意义。 2 1 2 2r t 技术的应用 基于r p 技术的快速制模技术可以在原型的基础上快速地制造出所需要的模 具，具有技术先进、成本低、周期短等优点，是目前模具制造业的研究热点， 并在模具制造领域得到了广泛的应用。根据原型的来源可以将该技术分为由 c a d 系统制作的快速原型或其他实物模型再复制模具的间接制模法，以及根据 c a d 数据直接由r p 系统制造模具的直接制模法两大类“。 第一类：间接制模法 利用r p 技术制造出模型或利用其他已有的实物模型，将此原型作为母模、 模芯或制模工具，或者通过母模复制软模，再与传统的制模工艺相结合，制造 出所需生产零件的模具。与直接制模法相比，间接制模法是比较成熟的制模方 法，在国内外已有广泛应用。以下为几种常用的间接制模方法： 制作硅橡胶软模 以原型为样件( 母模) ，采用硫化的有机硅橡胶浇注，直接制作硅橡胶模具。 其特点为：用这种方法制造的模具具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂、 花纹精细、无拔模斜度甚至于有倒拔模斜度以及有深凹槽的零件。硅橡胶软制 模具使用于批量不大的注塑件的生产，一般为2 0 5 0 件。以目前采用最多的t e k 高温硅橡胶为例，其抗压强度为1 2 4 6 2 1 m p a ，工作温度为1 5 0 5 0 0 。c ，模具 寿命可达2 0 0 5 0 0 件。 用于砂型铸造的母模 这里所说的母模指的是采用分层实体制造法用纸带制造的原型母模和采用 立体印刷法制造的树脂模，它们都可以代替母模用于砂型铸造。特别是采用分 层实体制造法制作的纸模的强度和耐磨能力都与常用的木模不相上下，在用于 小批量铸造生产时具有成本低、速度快、无环境污染等优点。 制作环氧树脂模 第2 章快速模具技术及低压灌注设备 这是将液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料，以原型为母 模浇注模具的一种制模方法。特点是：制作工艺简单，模具传热性能好，强度 高且型面不需加工，成本低廉。适用于塑料注射模、吸塑模、薄板拉伸模以及 聚氨酯发泡成型模具的制作，常用于几百至几千件的中小批量的生产。 熔模铸造用熔模 可以采用多种r p 方法制作的原形来代替传统的利用压型制造熔模，如采用 选择性激光烧结法可以提供不同材料的制造熔模。在精密铸造中，若用蜡粉做 烧结材料可制造精密铸造用蜡模；若用可烧失性树脂粉为原料则可成型树脂熔 模。由于树脂熔模有较高的精度，所以比较适合铸造薄壁复杂结构的零件，但 涂壳后需在高温下熔烧气化消失。蜡模的后续工艺与传统精铸工艺相同。 真空实型铸造用消失模 真空实型铸造是将涂有耐火材料的消失模放置于密封并充满干细砂的箱体 中，抽掉箱中空气使砂型紧实，再将熔化的金属液通过特殊的浇冒口系统进入 砂型中，将消失模烧掉并取代其位置而形成金属零件。因此消失模应当采用易 烧失，且烧失后不留灰或残留灰量少的材料制成，否则会影响零件的表面质量。 r p 技术的立体印刷、分层实体制造、熔丝沉积制造等工艺方法制出的树脂或热 塑性材料原型都可以作为真空实型铸造用消失模。 陶瓷形精密铸造 用特制的陶瓷浆料为基体材料，以r p 原型为母模浇注而成陶瓷铸型，从而 制作模具工艺样模或陶瓷材料模具。可分为化学粘结陶瓷浇注型腔和用陶瓷或 石膏模浇注塑钢或铁型腔。化学粘结陶瓷( c h e m i c a lb o n d e dc e r a m i c ，简称c b c ) 工艺方法，是指先以r p 原型做母模浇注橡胶或聚氨酯软模，移去母模后利用软 模浇注成c b c 陶瓷型腔，然后在2 5 0 。c 下固化型腔，抛光后制成注塑模。 金属喷涂 以r p 原型做基体样模，将低熔点熔化的金属或合金充分雾化后，以一定的 速度喷射到样模表面，形成的金属薄壳即模具型腔面，背衬充填复合材料从而 快速制作模具。金属喷涂法的优点在于工艺简单，周期短，型腔及其表面精细 花纹可一次同时成型，耐磨性能好，尺寸精度高。 电成型制模 第2 章快速模具技术及低压灌注设备 采用电化学原理，通过电解液使金属沉积在原型表面，然后背衬其他充填 材料来制作模具。该方法的优点是复制性好且尺寸精度高，适合于精度要求较 高、形态均匀一致和形状花纹不规则的型腔模具。 电脉冲机床中的快速成型电极 常采用电火花加工法利用电极加工出金属模具，而复杂的型腔使电火花加 工用电极的制作十分困难，且费时多。所以可以通过r p 技术制作电极，不仅制 造出的石墨电极精度高，表面质量及尺寸一致性好，而且比机械加工的方法速 度快，成本也较低，一般包括研磨法，精密铸造法，电铸法，粉末冶金法和浇 注法等。采用r p 技术制作出电极后，再采用电化学原理，通过电解液使金属沉 积在