摘 要：通過(guò)分析激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的加工工藝特點(diǎn)，開發(fā)了基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器及交流伺服電動(dòng)機(jī)為主體的激光沖擊強(qiáng)化數(shù)控系統(tǒng)，并對(duì)它的硬件和軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的論述。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制器 數(shù)控系統(tǒng) 激光沖擊強(qiáng)化

Abstract: This paper analyzes the characteristics of working process of laser shock processing, develops the NC system of the laser shock processing based on industrial PC, motion controller and servo motor, and describes its hardware and software designs.

Key words: Motion Controller, NC, Laser Shock Processing

　　近年來(lái),隨著工業(yè)PC 機(jī)性能的快速發(fā)展,可靠性大為提高,而價(jià)格卻大幅度降低,以工業(yè)PC 機(jī)為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。在機(jī)床控制領(lǐng)域,采用工業(yè)PC 機(jī),在流行的操作系統(tǒng)下發(fā)展通用的數(shù)控系統(tǒng),已成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最新潮流[1]。

　　激光沖擊強(qiáng)化是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，它是利用強(qiáng)脈沖激光導(dǎo)致的高強(qiáng)度應(yīng)力波沖擊金屬表面，使材料表層產(chǎn)生塑性應(yīng)變，從而提高金屬材料表面的強(qiáng)度、硬度等機(jī)械性能，并獲得表面殘余壓應(yīng)力狀態(tài)（如圖1所示）。目前，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已不僅僅局限于強(qiáng)化航空用鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高溫合金等材料，還拓展到航天、汽車、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。為了提高激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的自動(dòng)化程度，開發(fā)一套基于運(yùn)動(dòng)控制器的激光沖擊強(qiáng)化數(shù)控系統(tǒng)。

圖1 激光強(qiáng)化處理示意圖

1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　1.1 Galil運(yùn)動(dòng)控制器

　　在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中,起著關(guān)鍵作用的組成部分是其中的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置和伺服系統(tǒng),系統(tǒng)的計(jì)算速度、實(shí)時(shí)性、伺服更新速度、資源管理能力、數(shù)字通信、精密控制、微量進(jìn)給等性能都取決于這兩個(gè)部分。尤其是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置,也就是運(yùn)動(dòng)控制單元,更是數(shù)控系統(tǒng)的核心單元模塊,數(shù)控系統(tǒng)的性能、精度一定程度上依賴于運(yùn)動(dòng)控制單元的快速控制能力,由它可完成數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求比較高的插補(bǔ)、位置控制、開關(guān)量I/ O 控制任務(wù),實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)中多軸聯(lián)動(dòng)的插補(bǔ)計(jì)算、位置控制等功能,使用這樣的運(yùn)動(dòng)模塊并輔助以其他的設(shè)備部件,可以方便靈活地構(gòu)建應(yīng)用于不同場(chǎng)合的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[2]。

　　PCI總線DMC-1842運(yùn)動(dòng)控制器是美國(guó)GALIL公司產(chǎn)品，采用32位微處理器，可控制1～4軸，其本身具有多軸直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、輪廓控制、電子齒輪和電子凸輪（ECAM）等功能，板上有2M Flash 可擦寫存儲(chǔ)器及2M RAM，可存儲(chǔ)用戶程序、數(shù)量、數(shù)組和控制程序，并可脫機(jī)運(yùn)行。

　　DMC1842控制器主要性能：

　　▲ 接收12MHz伺服編碼器反饋信號(hào)，2MHz步進(jìn)電機(jī)命令（脈沖+方向）。

　　▲ 帶速度及加速度前饋、積分限制、Notch及低通濾波器的PID。采樣周期62.5μs/軸

　　▲ 運(yùn)動(dòng)方式：JOG，PTP定位，輪廓，直線、圓弧插補(bǔ)，電子齒輪，ECAM

　　▲ 2M非易失存儲(chǔ)器: 存儲(chǔ)應(yīng)用程序，變量, 陣列;2M RAM

　　▲ 每軸正、反向限位及回零輸入

　　▲ 通用I/O：8/8

　　▲ 高速位置鎖存及比較（0.1μs）

　　▲ 無(wú)刷伺服電機(jī)正弦波換向控制

　　▲ 上電自動(dòng)程序運(yùn)行

　　另外，配套的WSDK軟件工具用于伺服性能自動(dòng)調(diào)整和分析，ActiveX控件用于VB編程，擴(kuò)展DLL文件用于C/C++高級(jí)應(yīng)用編程，使得開發(fā)和應(yīng)用變得方便。

　　1.2 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)概述

圖2：系統(tǒng)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)示意圖

　　數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)械本體采用龍門式結(jié)構(gòu)[3]，共有四個(gè)傳動(dòng)軸，分別為X軸、Y軸、Z軸和R軸。X軸、Y軸和Z軸通過(guò)伺服電機(jī)連接絲杠驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)，其行程分別為800mm、600mm和400mm.。轉(zhuǎn)軸由伺服電機(jī)經(jīng)減速器減速來(lái)驅(qū)動(dòng)，可連續(xù)運(yùn)動(dòng)，承重10kg。工作臺(tái)面為一水池，水作為沖擊強(qiáng)化的約束介質(zhì)。在實(shí)際工作中，可以利用轉(zhuǎn)臺(tái)裝夾工件（如葉片）通過(guò)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同部位的強(qiáng)化，也可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)軸上的反射鏡實(shí)現(xiàn)光斑的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)雙工作方式。

　　1.3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　該激光沖擊強(qiáng)化數(shù)控系統(tǒng)采用工業(yè)PC機(jī)為基礎(chǔ)，在工控機(jī)主板上的PCI擴(kuò)展槽插上DMC1842多軸運(yùn)動(dòng)控制器，形成該系統(tǒng)的控制中心。工控機(jī)上的 CPU與運(yùn)動(dòng)控制器上的CPU構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu)，兩個(gè)CPU各自實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，其中DMC1842主要完成機(jī)床四軸的運(yùn)動(dòng)控制和相關(guān)開關(guān)量的輸入輸出控制。工控機(jī)則實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的管理功能。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。其中，PICM2900互聯(lián)模塊將控制器電纜轉(zhuǎn)換成插線端子方式。

圖3：系統(tǒng)硬件框圖

2 軟件開發(fā)

　　系統(tǒng)采用Visual Basic語(yǔ)言與Galil卡自身的語(yǔ)言綜合開發(fā)。其中，VB主要用于界面設(shè)計(jì)、初始化及參數(shù)設(shè)置、指令轉(zhuǎn)換以及和運(yùn)動(dòng)控制卡的通訊[4]。整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)的功能主要有：ISO標(biāo)準(zhǔn)G指令編程、圓弧與直線插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)路徑的演示、故障監(jiān)控與顯示以及各個(gè)坐標(biāo)值的實(shí)時(shí)顯示等。

　　兩種語(yǔ)言的合理運(yùn)用，使得編程變得簡(jiǎn)單。例如，X軸以JOG方式運(yùn)動(dòng)，用兩個(gè)按鈕分別控制該軸啟動(dòng)與停止。相應(yīng)的初始化完成后，程序如下：

　　Private Sub Command1_Click（） ’X軸啟動(dòng)

　　Command1.SetFocus

　　DMCShell1.Command = "JG10000;"

　　DMCShell1.Command = "BGX"

　　End Sub

　　Private Sub Command2_Click（） ’停止運(yùn)動(dòng)

　　Command2.SetFocus

　　DMCShell1.Command = "STX"

　　End Sub

3 結(jié)論

　　本文提出的系統(tǒng)控制方案中，由于采用了基于工業(yè)PC機(jī)的控制平臺(tái)，并結(jié)合了Galil運(yùn)動(dòng)控制器良好的控制性能，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的開放性和可擴(kuò)充性，人機(jī)界面友好。系統(tǒng)硬件具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性，可靠性好，運(yùn)行速度快，控制精度高。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 章聲. 基于PMAC的數(shù)控火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā).機(jī)電工程,2002, 19（2）:38-40

　　[2] 吳忠. 基于Galil運(yùn)動(dòng)控制器的切割機(jī)控制系統(tǒng).機(jī)電工程,2003, 20（4）:44-46

　　[3] 李顯，殷蘇民. 基于PMAC的玻璃雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研究和開發(fā).蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2003, 10（4）:25-28

　　[4] 王浩.高級(jí)Windows程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997

Development of NC system for Laser Shock Processing Based on Motion Controller
Bai Fengmin