摘 要：通過分析激光沖擊強化技術的加工工藝特點，開發(fā)了基于工業(yè)控制計算機、運動控制器及交流伺服電動機為主體的激光沖擊強化數(shù)控系統(tǒng)，并對它的硬件和軟件設計做了詳細的論述。

關鍵詞：運動控制器 數(shù)控系統(tǒng) 激光沖擊強化

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

　　近年來,隨著工業(yè)PC 機性能的快速發(fā)展,可靠性大為提高,而價格卻大幅度降低,以工業(yè)PC 機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被工業(yè)控制領域所接受。在機床控制領域,采用工業(yè)PC 機,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)控技術發(fā)展的最新潮流[1]。

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

圖1 激光強化處理示意圖

1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結構

　　1.1 Galil運動控制器

　　在計算機數(shù)控系統(tǒng)中,起著關鍵作用的組成部分是其中的計算機數(shù)字控制裝置和伺服系統(tǒng),系統(tǒng)的計算速度、實時性、伺服更新速度、資源管理能力、數(shù)字通信、精密控制、微量進給等性能都取決于這兩個部分。尤其是計算機數(shù)控裝置,也就是運動控制單元,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動控制單元的快速控制能力,由它可完成數(shù)控系統(tǒng)中實時性要求比較高的插補、位置控制、開關量I/ O 控制任務,實現(xiàn)CNC系統(tǒng)中多軸聯(lián)動的插補計算、位置控制等功能,使用這樣的運動模塊并輔助以其他的設備部件,可以方便靈活地構建應用于不同場合的運動控制系統(tǒng)[2]。

　　PCI總線DMC-1842運動控制器是美國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、圓弧插補、輪廓控制、電子齒輪和電子凸輪（ECAM）等功能，板上有2M Flash 可擦寫存儲器及2M RAM，可存儲用戶程序、數(shù)量、數(shù)組和控制程序，并可脫機運行。

　　DMC1842控制器主要性能：

　　▲ 接收12MHz伺服編碼器反饋信號，2MHz步進電機命令（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

　　▲ 運動方式：JOG，PTP定位，輪廓，直線、圓弧插補，電子齒輪，ECAM

　　▲ 2M非易失存儲器: 存儲應用程序，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）

　　▲ 無刷伺服電機正弦波換向控制

　　▲ 上電自動程序運行

　　另外，配套的WSDK軟件工具用于伺服性能自動調整和分析，ActiveX控件用于VB編程，擴展DLL文件用于C/C++高級應用編程，使得開發(fā)和應用變得方便。

　　1.2 機械本體結構概述

圖2：系統(tǒng)機械本體結構示意圖

　　數(shù)控系統(tǒng)的機械本體采用龍門式結構[3]，共有四個傳動軸，分別為X軸、Y軸、Z軸和R軸。X軸、Y軸和Z軸通過伺服電機連接絲杠驅動，可以實現(xiàn)三軸聯(lián)動，其行程分別為800mm、600mm和400mm.。轉軸由伺服電機經(jīng)減速器減速來驅動，可連續(xù)運動，承重10kg。工作臺面為一水池，水作為沖擊強化的約束介質。在實際工作中，可以利用轉臺裝夾工件（如葉片）通過工作臺運動實現(xiàn)不同部位的強化，也可以通過運動軸上的反射鏡實現(xiàn)光斑的移動，從而實現(xiàn)雙工作方式。

　　1.3 控制系統(tǒng)硬件結構

　　該激光沖擊強化數(shù)控系統(tǒng)采用工業(yè)PC機為基礎，在工控機主板上的PCI擴展槽插上DMC1842多軸運動控制器，形成該系統(tǒng)的控制中心。工控機上的 CPU與運動控制器上的CPU構成主從式雙微處理器結構，兩個CPU各自實現(xiàn)相應的功能，其中DMC1842主要完成機床四軸的運動控制和相關開關量的輸入輸出控制。工控機則實現(xiàn)整個系統(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語言與Galil卡自身的語言綜合開發(fā)。其中，VB主要用于界面設計、初始化及參數(shù)設置、指令轉換以及和運動控制卡的通訊[4]。整個系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能主要有：ISO標準G指令編程、圓弧與直線插補、運動路徑的演示、故障監(jiān)控與顯示以及各個坐標值的實時顯示等。

　　兩種語言的合理運用，使得編程變得簡單。例如，X軸以JOG方式運動，用兩個按鈕分別控制該軸啟動與停止。相應的初始化完成后，程序如下：

　　Private Sub Command1_Click（） ’X軸啟動

　　Command1.SetFocus

　　DMCShell1.Command = "JG10000;"

　　DMCShell1.Command = "BGX"

　　End Sub

　　Private Sub Command2_Click（） ’停止運動

　　Command2.SetFocus

　　DMCShell1.Command = "STX"

　　End Sub

3 結論

　　本文提出的系統(tǒng)控制方案中，由于采用了基于工業(yè)PC機的控制平臺，并結合了Galil運動控制器良好的控制性能，使系統(tǒng)具有較強的開放性和可擴充性，人機界面友好。系統(tǒng)硬件具有較強的穩(wěn)定性、實時性，可靠性好，運行速度快，控制精度高。

參考文獻

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

　　[2] 吳忠. 基于Galil運動控制器的切割機控制系統(tǒng).機電工程,2003, 20（4）:44-46

　　[3] 李顯，殷蘇民. 基于PMAC的玻璃雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的研究和開發(fā).蘭州工業(yè)高等?？茖W校學報,2003, 10（4）:25-28

　　[4] 王浩.高級Windows程序設計技術[M].上海：同濟大學出版社，1997