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基于运动控制器的激光冲击强化数控系统开发
jiang_0514 发表于 2009/3/27 8:12:12 835 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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关键词：运动控制器 数控系统 激光冲击强化
Bai Fengmin
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
近年来,随着工业PC 机性能的快速发展,可靠性大为提高,而价格却大幅度降低,以工业PC 机为核心的控制系统已广泛被工业控制领域所接受。在机床控制领域,采用工业PC 机,在流行的操作系统下发展通用的数控系统,已成为数控技术发展的最新潮流[1]。
激光冲击强化是一种新型的表面强化技术，它是利用强脉冲激光导致的高强度应力波冲击金属表面，使材料表层产生塑性应变，从而提高金属材料表面的强度、硬度等机械性能，并获得表面残余压应力状态（如图1所示）。目前，该技术的应用领域已不仅仅局限于强化航空用铝合金、钛合金、不锈钢、高温合金等材料，还拓展到航天、汽车、医学等领域。为了提高激光冲击强化技术的自动化程度，开发一套基于运动控制器的激光冲击强化数控系统。
图1 激光强化处理示意图
1 数控系统的硬件结构
1.1 Galil运动控制器
在计算机数控系统中,起着关键作用的组成部分是其中的计算机数字控制装置和伺服系统,系统的计算速度、实时性、伺服更新速度、资源管理能力、数字通信、精密控制、微量进给等性能都取决于这两个部分。尤其是计算机数控装置,也就是运动控制单元,更是数控系统的核心单元模块,数控系统的性能、精度一定程度上依赖于运动控制单元的快速控制能力,由它可完成数控系统中实时性要求比较高的插补、位置控制、开关量I/ O 控制任务,实现CNC系统中多轴联动的插补计算、位置控制等功能,使用这样的运动模块并辅助以其他的设备部件,可以方便灵活地构建应用于不同场合的运动控制系统[2]。
PCI总线DMC-1842运动控制器是美国GALIL公司产品，采用32位微处理器，可控制1～4轴，其本身具有多轴直线插补、圆弧插补、轮廓控制、电子齿轮和电子凸轮（ECAM）等功能，板上有2M Flash 可擦写存储器及2M RAM，可存储用户程序、数量、数组和控制程序，并可脱机运行。
DMC1842控制器主要性能：
▲ 接收12MHz伺服编码器反馈信号，2MHz步进电机命令（脉冲+方向）。
▲ 带速度及加速度前馈、积分限制、Notch及低通滤波器的PID。采样周期62.5μs/轴
▲ 运动方式：JOG，PTP定位，轮廓，直线、圆弧插补，电子齿轮，ECAM
▲ 2M非易失存储器: 存储应用程序，变量, 阵列;2M RAM
▲ 每轴正、反向限位及回零输入
▲ 通用I/O：8/8
▲ 高速位置锁存及比较（0.1μs）
▲ 无刷伺服电机正弦波换向控制
▲ 上电自动程序运行
另外，配套的WSDK软件工具用于伺服性能自动调整和分析，ActiveX控件用于VB编程，扩展DLL文件用于C/C++高级应用编程，使得开发和应用变得方便。
1.2 机械本体结构概述
图2：系统机械本体结构示意图
数控系统的机械本体采用龙门式结构[3]，共有四个传动轴，分别为X轴、Y轴、Z轴和R轴。X轴、Y轴和Z轴通过伺服电机连接丝杠驱动，可以实现三轴联动，其行程分别为800mm、600mm和400mm.。转轴由伺服电机经减速器减速来驱动，可连续运动，承重10kg。工作台面为一水池，水作为冲击强化的约束介质。在实际工作中，可以利用转台装夹工件（如叶片）通过工作台运动实现不同部位的强化，也可以通过运动轴上的反射镜实现光斑的移动，从而实现双工作方式。
1.3 控制系统硬件结构
该激光冲击强化数控系统采用工业PC机为基础，在工控机主板上的PCI扩展槽插上DMC1842多轴运动控制器，形成该系统的控制中心。工控机上的CPU与运动控制器上的CPU构成主从式双微处理器结构，两个CPU各自实现相应的功能，其中DMC1842主要完成机床四轴的运动控制和相关开关量的输入输出控制。工控机则实现整个系统的管理功能。数控系统的硬件框图如图3所示。其中，PICM2900互联模块将控制器电缆转换成插线端子方式。
图3：系统硬件框图
2 软件开发
系统采用Visual Basic语言与Galil卡自身的语言综合开发。其中，VB主要用于界面设计、初始化及参数设置、指令转换以及和运动控制卡的通讯[4]。整个系统能实现的功能主要有：ISO标准G指令编程、圆弧与直线插补、运动路径的演示、故障监控与显示以及各个坐标值的实时显示等。
两种语言的合理运用，使得编程变得简单。例如，X轴以JOG方式运动，用两个按钮分别控制该轴启动与停止。相应的初始化完成后，程序如下：
Private Sub Command1_Click（） ’X轴启动
Command1.SetFocus
DMCShell1.Command = "JG10000;"
DMCShell1.Command = "BGX"
End Sub
Private Sub Command2_Click（） ’停止运动
Command2.SetFocus
DMCShell1.Command = "STX"
End Sub
3 结论
本文提出的系统控制方案中，由于采用了基于工业PC机的控制平台，并结合了Galil运动控制器良好的控制性能，使系统具有较强的开放性和可扩充性，人机界面友好。系统硬件具有较强的稳定性、实时性，可靠性好，运行速度快，控制精度高。
参考文献
[1] 章声. 基于PMAC的数控火焰切割机数控系统开发.机电工程,2002, 19（2）:38-40
[2] 吴忠. 基于Galil运动控制器的切割机控制系统.机电工程,2003, 20（4）:44-46
[3] 李显，殷苏民. 基于PMAC的玻璃雕刻机数控系统的研究和开发.兰州工业高等专科学校学报,2003, 10（4）:25-28
[4] 王浩.高级Windows程序设计技术[M].上海：同济大学出版社，1997