（控制理论与控制工程专业论文）基于pmac的激光三维堆积层高随动控制研究.pdf

基于p m a c 的激光三维堆积层高随动控制研究 中文摘要 摘要 本研究针对目前激光三维堆积层高开环控制的现状，自行开发研制一套层高随动 控制系统。使z 轴单层提升高度a z 与成形件单层堆积高度h 保持一致，来保证成形件 每层都有相同的离焦量。从而克服了形貌的上粗下细、上细下粗以及边缘锯齿状现象。 论文分析了现有激光加工过程中各种闭环控制研究现状，介绍了目前激光成形过 程中层高随动控制的研究现状。提出了两套控制方案，通过对比，课题采用了以激光 位移传感器为检测装置，上下位机结构的喷头随动控制方案。上位机( p c ) 负责串 口通信打开、与p m a c 通信建立、数据接收处理显示、z 轴实时调整以及完成一些加 工辅助功能；下位机单片机系统负责a d 转换，完成向上位机的数据传送。激光位移 传感器作为控制量的检测装置实现层高数据的间接采集，单片机与工控机之间采用 r s 2 3 2 通信。该方案充分利用了工控机强大的处理和运算能力，以及便于编程开发的 优势，实现了以工控机为核心的一体化控制。 激光三维堆积过程是一个多参数共同作用的复杂物理冶金过程。采用激光位移传 感器避免了熔池上方粉末飞溅、等离子云、烟云蒸腾、高温等对测量带来的不利影响， 很好的完成了位移量的采集任务。本方案通过将测量值与设定值比较来决定数控系统 z 轴微动量。实验证明：实施本方案后喷头微动控制在士0 3 m m 之内即层高变化控制在 士0 3 m m 之内。堆积成行件精度比没有采用层度随动控制的成形件精度更高。成形件 内外表面光滑，没有出现锯齿状。有效的提高了三维堆积过程的稳定性、三维堆积成 形件的质量。 关键词：p m a c ，三维堆积，层高随动控制，串口通讯 作者：王海波 指导老师：石世宏 叁坠塑! ! 兰塑! z2 璺墨! 笪型2 z 登墨型! 9 2 璺塑12 1 地璺! 里旦望2 1 1 1 i 塑呈丝璺曼! ! 星苎! 四塑坚垒曼 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st oi m p l e m e n tt h ed y n a m i cc o n t r o lo fs i n g l e - s t o r e yh e i g h t b ya d d i n gh i g h td e t e c t i o nd e v i c e si nt h ee x i s t i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ll a s e rp r o c e s s i n g s y s t e m s i no r d e rt oo v e r c o m et h er o u g ht o p o g r a p h yo ft i r ef o r m i n gp a n sa n de l i m i n a t et h e p h e n o m e n o no fj a g g e de d g e ，w em u s tm a k ee v e r ys t o r e yh a v et h es a m ea m o u n to f d e f o c u s i no t h e rw o r d s ，w es h o u l de n s u r ec o n s i s t e n c yb e t w e e ns i n g l e - s t o r e yh e i g h t - a ha n d za x i ss i n g l e - u p g r a d e - a z i nt h i s p a p e r ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fc l o s e d - l o o pc o n t r o lt e c h n o l o g y0 nl a s e r p r o c e s s i n gw a ss u m m a r i z e d ，e s p e c i a l l yt h ed y n a m i cc o n t r o lo fs i n g l e - s t o r e y h e i g h t t w o f e a s i b l es c h e m e sw e r ep r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i so fs i n g l e - s t o r e yh e i g h td y n a m i c c o n t r o lo fl a s e r3 dd e p o s i t i o ns y s t e m b yc o m p a r i n gd i f f e r e n ts c h e m e s ，t h es c h e m ew i t h t w oc o m p u t e r s am a s t e ra n das l a v eo n e 。b a s e do nl a s e r d i s p l a c e m e n t s e n s o rw a s a d o p t e d a s m a s t e r c o m p u t e r i p c i s r e s p o n s i b l e f o rt h e o p e n i n g o fs e r i a l c o m m u n i c a t i o n - b u i l d i n gt h ec o m m u n i c a t i o nw i t hp m a c ，d a t ar e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n g t h er e a l - t i m ea d j u s t m e n t so fz - a x i sa sw e l la ss o m ea u x i l i a r yf u n c t i o n s ；s c ms y s t e ma s s l a v ec o m p u t e ri s r e s p o n s i b l ef o r a dc o n v e r s i o na n dt r a n s f e r r i n gd a t at oi p c ；l a s e r d i s p l a c e m e n ts e n s o ra c c o m p l i s h e dd i s p l a c e m e n tp a r a m e t e rs a m p l i n ga sc o n t r o lv a r i a b l e d e t e c t i n gd e v i c e i p ca n ds c mc o m u n i c a t e db yr s 2 3 2 t h ea d o p t e ds c h e m et o o kf u l l a d v a n t a g eo ft h ei p cp o w e r f u lp r o c e s s i n ga n dc o m p u t a t i o n a lc a p a b i l i t i e sa n dr e a l i z e dt h e a d v a n t a g eo fp r o g r a m m i n ge a s i l y ，w h i c hi m p l e m e n t e dt h ei n t e g r a t i n gc o n t r o lb yi p c t h r e e - d i m e n s i o n a ll a s e rp r o t o t y p i n gp r o c e s si sac o m p l e xp h y s i c a lm e t a l l u r g yp r o c e s s w i t ht h er e s u l to fm u l t i - p a r a m e t e re f f e c t s t h e p a p e ra c c o m p l i s h e dt h ed i s p l a c e m e n t s a m p l i n gb yl a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o ra n do v e r c o m et h ed i f f i c u l t i e so fp o w d e rs p u t t e r i n g ， p l a s m ac l o u da n ds m o k et r a n s p i r a t i o n a b o v et h em e a s u r e p o i n t ，e s p e c i a l l y ，u n d e r h i g h - t e m p e r a t u r e 。g e n e r a ld i s p l a c e m e n ts e n s o rc a nn o ta c c u r a t e l ys a m p l es i g n a l t h e d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n td e v i c e sf u l f i l lt h et a s ke x c e l l e n t l y t h ep r o j e c td e t e r m i n ez a x i sm o v e m e n t sb yc o m p a r i n gt h em e a s u r e dv a l u ew i t hag i v e nv a l u e t h e f o l l o w - u p c o m p a r i s o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a t ：t h em o v e m e n to fl a s e rn o z z l ei sw i t h i n ：l 0 3 r a m 。i n o t h e rw o r d s t h ec h a n g eh e i g h to fs i n g l e - s t o r e yi sw i t h i n 士0 3 m m ；t h es h a p eq u a l i t ya n dt h e n s t u d yo ns t o r e yd y n a m i cc o n t r o lo fl a s e r3 dd e p o s i t i o np r o c e s sb a s e d0 1 1p m a c a b s t r a c t g e o m e t r i c a la c c u r a c yb yu s i n gs t o r e yh e i g h td y n a m i c c o n t r o lw a sb e t t e rt h a nt h a to fn ou s e o fs t o r e yh e i g h td y n a m i cc o n t r 0 1 f o r m i n gp a r t sh a s 。as m o o t hs u r f a c eb o t hi n s i d ea n d o u t s i d e ，a l s od o e sn o ta p p e a rj a g g e d i te f f e c t i v e l yi m p r o v e st h es t a b i l i t yo fl a s e r3 d d e p o s i t i o np r o c e s sa n dt h eq u a l i t yo fd e p o s i t i o np a n s k e yw o r d s ：p m a c ，3 dd e p o s i t i o n ，d y n a m i cc o n t r o lo fs t o r e yh e i g h t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n m w r i t t e nb y ：w a n gh a i b o s u p e r v i s e db y ：s h is h i h o n g 苏州大学学位论文独创性l 声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名： 址日期：气巡 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 誓慧i 鉴日e l 导师签名：7 7b 堑互 兰 期期 基f p m a c 的激光= 维堆积层高随动控$ i 研究第一章绪诧 11 引言 第一章绪论 激光立体成形技术是从2 0 世纪9 0 年代初发展起来的一项先进制造技术，能够实 现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形。该技术可以用于承受 强大力学载荷的三维实体金属零件的快速制造，也可用于零件上具有较复杂形状、一 定深度制造缺陷、误加工损伤或服役损伤的修复。无论是激光立体成形还是修复的零 件，其力学性能都同锻造性能相当。 激光立体成形技术的基本原理是，首先在计算机中生成零件的三维c a d 模型， 然后将该模型按一定的厚度切成分层，即将零件的三维数据信息转换为一系列的二维 轮廓几何信息，随后在数控系统的控制下，用同步送粉激光熔覆的方法将金属粉末材 料按照一定的填充路径在一定的基材上逐点填满给定的二维形状，重复这一过程逐层 堆积形成三维实体零件，过程如图1 1 ( b ) 所示。因此，它不必采用传统的加工机床 和加工模具，只需传统加工方法的1 0 o 工时和2 0 - 3 5 的成本。 a ) 传统制造方式为材料去除成形或受迫成形 第一章堵论基于p c 的激光j 罐堆相层高艚动控制研究 e + e + - c ( b ) k p 为采用“离敝叠加”思想的材料生长型制造技术 舶1 - ir p 技术与传统工艺制造思想此较 激光立体成形技术是在激光多层熔疆和快速原型制造技术( r p - r a p i d p r o t o t y p i n g ) 的基础上发展起来。由于这是一个全新的技术领域，并且是计算机技术、 数控技术、材料科学、激光技术、机械工程技术罅多学科交叉的技术i “。因此一经提 出，固内外再研究机构开展了广泛的研究。英国利物浦大学和关国密歇根大学的盒属 直接沉积( d i r e c tm e l a ld e p o s i t ) 技术简称d m d l 3 3 ；加拿大国家研究委员会集成制造 技术研究所一激光固化( l a s e rc o n s o l i d a t i o n ) ”】；瑞士洛桑理工学院激光金属成 形( l a s e r m e t a lf o r n d n g ) ，简称( l m f ) 美国s a n d i a 国家实验室激光近净成 形制造( l a s e re n g i n e e r e dn e ts h a p i n g ) ，简称l e n s l 6 ；美国l o s - a l a m o s 国家实验宣 光控制造( d i r e c t e dl i g h tf a b r i c a t i o n ) ，简称d l f i t i ；英国a e r o m e l 公司激 光添加成形( l a s e r a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g ) ，简称t a m 【8 】；荧囡宾夕法尼亚卅l 立大学 激光自由成形制造( l a s e rf r e r f o 加f a b r i c a t i o n ) ，简称l f f l 9 1 ；英国伯明翰大 学受控激光制造( d i r e c t e dl a s e rf a b r i c a t i o n ) ，简称d l f 删。 随着计算机技术以及数控技术的迅猛发展，激光成形制造技术与计算机、数控、 运动控制等技术的结台越来越紧密，从而使激光制造技术向高精度、高可靠性、高自 动化程度的方向发展。 12 激光快速成形智能控制国内外研究现状 激光快速成形是一项工艺性较强的技术，所涉及的工艺参数主要包括：激光功率、 扫描速度、光斑直径、送粉速度、气体成分、压力、流量等，而这些工艺参数的变化 基于p m a c 的激光三维堆积层高随动控制研究第一章绪论 会影响成形件的尺寸特征，如每层的高度、每道的宽度、多道搭接时的平整度等。同 时各参数之间也相互影响，是一个非常复杂的过程，必须采用合适的控制方法将各种 影响因素控制在熔覆工艺允许的范围内。 近几年，国际上一些研究机构在掌握工艺参数对成形效果影响规律的基础上，先 后对成形过程的监测与控制展开了探索，并且认为：激光成形过程中影响因素对成形 过程的影响，最终将通过一些过程输出参量如熔池的形状和尺寸、熔池温度、熔池及 其附近温度场、熔池冷却速率等体现出来。而这些参量将最终决定激光快速成形过程 的稳定和成形件质量【1 1 以2 】。因此，在成形过程中对输出参量进行实时监测是实现对激 光成形过程监测的主要思路。目前对于成形加工过程中主要影响参数的实时监控闭环 一体控制是国内外各机构研究比较侧重的方面【1 3 删。国内外研究的重点是通过对加工 过程中某些关键因素的实时检测，反馈闭环控制激光器输出功率、光束扫描速度、送 粉速度和喷头升高高度，从而补偿制造过程中的外部环境变化和主要输入参数的随机 变化带来的影响。 国际上各研究机构对检测与闭环控制的研究也各有特色，研究方法与对象也不尽 相同。有通过测温装置来检测熔池温度从而间接测出激光功率大小，有通过c c d 装 置获取熔池图像来推算出激光功率大小，也有通过检测加工物质表面平整度来控制送 粉速度，激光扫描速度。总体来说研究方法主要有以下几个方面： ( 1 ) 熔覆层厚度的实时监测。例如美国s a n d i a 国家实验室g r i f f i t h 1 5 1 。 ( 2 ) 沉积高度的闭环控制。美国密西根大学j m a z u m d e r 利用熔池的自发光、小目 标的特性发展了沉积最大高度限制系统【1 6 】。 ( 3 ) 熔池温度的实时监测与控制。采用此种方法的学者很多，一般利用非接触红外 测温技术对熔池温度进行实时测量，建立了熔池温度的闭环控制系统【1 7 1 ，通过实时 调整激光器的输出功率实现了对熔池温度的控制。 ( 4 ) 粉末输送的监控。激光快速成形熔覆层质量如表面粗糙度，很大程度上取决于 送粉过程是否稳定，对粉末输送过程进行控制以提高加工质量，国内外对这方面研 究的学者也很多，例如：d o n g m i n g h u 1 8 1 。 ( 5 )凹凸点检测的实时控制。见于清华大学的报道，利用红外双色探头检测凹凸点， 然后通过控制送粉量来实现闭环控制1 2 1 。图1 - 2 a 开环制造过程中有意识制造的凸点， 图1 - 2 b 闭环控制的中间过程，图1 - 2 c 最终的闭环纠正结果。 3 第一章埔论蒉十p 眦的檄光= 雌堆积层高融动控制研究 鬻黼斓 图1 t 用闭环控制送粉量的方法对熔疆层凸起点的纠正过程 对于激光成形过程中闭环控制的研究以受团的研究最为深入圈1 弓为密西根大 学馓光熔覆直接制造系统( d m d ) 的闭环控制回路。密西根大学试验装置由c 0 2 激 光器( 6 k w ) 配备a l l a nb r a d l e y8 4 0 0 控制器的5 轴数控加工中心( 1 0 0 0 m m x5 0 0 r a m 5 0 0 m m ，扫描速度达1 6 93m m s ) 和同轴送粉装置组成。该系统不包含层高随动 实时反馈控制系统。 电 洱 闰l 激光熔疆直接制造系统闭环控制示意圈 国内对于激光快避成形的监测与控制研究正处于起步阶段，两北工业大学、清华 大学、天律大学、华中科技大学在该领域有相关报道并取得了一定成果。但由于图内 开展较晚，受系统硬件、工艺手段和理论水平等方面的限制，研究水平与国外还有一 定差距。西北工业大学凝固技术田家重点实验室在控制方面的研究主要包括2 1 下几 个方面： ( 1 ) 激光立体成形件组织形成规律及其控制。 ( 2 ) 熔池温度及沉积层高度实时检测与闭环控制。 ( 3 ) 成型过程中的气孔、裂纹等缺陷的形成机理及控制。 4 基于p m a c 的激光三维堆积层高随动控制研究第一章绪论 ( 4 ) 激光立体成形过程及成形件的应力、变化规律、机理与控制。 总之，国内外对成形过程的监测与闭环控制主要是通过熔覆层高度、熔池温度、 粉末流量和熔池红外成像等信号的反馈来控制调整激光功率、光束扫描速度、送粉量 和离焦量等工艺参数，将监测对象限制在允许的范围之内，从而实现成形过程的闭环 控制。 1 3 激光立体成形智能控制研究目前存在的不足 激光成形技术作为新兴的交叉学科，从基础理论、工艺、设备的开发和研制、工 业化应用方面都面临着许多研究课题。国内外目前虽然都展开了深入地研究，并且在 一些领域取得了较大的进展。但由于软硬件等方面的制约，目前的研究特别是国内的 研究还不够深入，某些方面有待进一步改进，存在的问题主要有以下几个方面： ( 1 ) 激光基础理论的研究还不成熟。 激光成形过程中的快速加热和随后的快速冷却远远偏离了平衡过程。因此，对其 加热、凝固过程的相变动力学、热力学；原子扩散过程、界面行为诸如裂纹的形成与 扩散、熔覆层的失效理论等都对原有的固态相变理论、界面理论等提出了新的挑战， 丰富和完善激光基础理论。而这些理论是实现送粉激光立体成形实用化、工业化的基 础，是获得理想成形件所必须首先要解决的问题刚。 ( 2 ) 对于影响成形件质量、外观等众多因素作用机理的研究还需不断深入。 激光成形加工是各参数相互作用的过程，是多参数共同作用下的结果。各参数之 间还存在着某些耦合关系，闭环监控的某些参数对于它在整个成形过程中所起的作 用、机制、以及起作用的时间长短、各参数之间耦合关系等理论目前还没有系统的理 论论述，这对实施闭环控制是不利的。 ( 3 ) 系统的动态响应性能还有进一步发展的空间。 激光成形是一个实时制造过程，是一个动态过程，选择的传感器、处理器的处理 速度将影响到参数的检测速度与控制的实时性。因此，发展响应更快，性能更优的信 号监测、处理系统，采取科学合理的控制手段是实时、准确地把握成形状态，做出相 应调整的关键2 1 1 。 ( 4 ) 反馈控制技术的进一步发展。 5 第一章绪论基于p m a c 的激光三维堆积展高随动j 空制研究 激光成形是一个多输入和多输出系统，是一个多参数共同作用的过程，各参数之 间还可能存在复杂的耦合关系。成形件产品和结构也多种多样，无论是生产工艺、操 作和质量控制都具有很大经验性。因此，算法上应该加入神经网络，模糊控制等先进 的算法。同时激光成形领域十分需要专家系统的开发，实时控制系统是激光立体成形 过程智能控制不可缺少的重要部分 1 。4 层高随动控制对成形件质量的影响及研究现状 层高随动控制实质就是在光路系统不变的情况下，z 轴单层提升高度a z 与成形 件单层堆积高度h 保持一致【2 】，确保每一层上的离焦量不变但在实际的立体成形 过程中，由于各种原因导致的误差使a z 与单层堆积高度之间产生的微小偏差将对零 件的成形产生显著的影响一般激光三维堆积都是在正离焦( 聚焦镜面到工件表面的 距离大于聚焦镜焦距) 条件下完成，下面分两种情况讨论正离焦下a z 对成形件质量 的影响 图l _ 4 正离焦情况示意图 当a z 小于单层堆积高度h 时。熔覆下一层时离焦量比上一层小，光斑也会变 小，因此下一层的高度和宽度变小，而再下一层的高度和宽度会更小这个不断变化 的过程一直持续到堆积的高度与a z 达到平衡时才会停止，此后单层堆积高度和单道 熔覆的宽度理论上将不再变化，但其数值均比开始时要小出现上细下粗形状 6 基于p m a c 的激光三维堆积层高随动控制研究第一章绪论 当a z 大于单层堆积高度z s a h 时，熔覆下一层时离焦量变大，光斑也会变大，此 时会出现两种情况： ( 1 )当激光能量密度足够大时( 大功率、低速度、粉量较小) ，熔覆宽度将与光斑 保持一致。这样后一层的宽度将大于前一层，同时由于粉末送入点的变化使堆积高 度减小，这样将使再下一层的离焦量进一步增大，从而继续加大熔覆宽度，减小堆 积高度，形成上粗下细的形状。 ( 2 )当激光能量密度不够大时( 功率较低、高速度、大粉量) ，熔覆宽度小于光斑 宽度，同时堆积高度也会减小。而且激光能量密度的不断减小最终会导致熔覆宽度 的不断减小，从而形成上细下粗的形状。 总之，不论上粗下细还是上细下粗，随着实际离焦量的变大，进入熔池的粉末数 量都会减少，堆积高度也将显著减小，或者是由于粉末送入点的变化导致熔覆过程的 不稳定，熔覆表面出现波浪状起伏，而这种波浪状起伏会随着堆积层数的增加变的越 来越显著。对于需精确控制的激光立体成形过程而言，要使单层堆积高度h 与z 轴 的单层提升高度a z 精确的保持一致，仅仅依靠工艺控制是不太容易做到的，所以本 课题采取了层高的实时监测、喷头随动控制方法来保证精度。 对于层高随动控制，国内外的学者研究的并不多，强激光金属粉末三维堆积领域 还鲜有报道。但是在激光切割领域，关于焦点位置检测的研究2 2 甾1 可作参考。在激光 切割领域国内很多学者提出自己的方法：华中科技大学的肖金陵博士提出了基于c c d 的焦点位置检测方案。c c d 传感器负责摄取图像信息，并输人计算机，计算机利用该 图像信息计算得出工件表面高度变化的偏差，并输出纠偏信号。驱动机构接收到计算 机的指令后，由电机带动执行机构调整机头的位置，实现对焦点位置的实时控制。华 中科技大学的黄涛在论文中也提出了基于电容传感器的z 轴浮动方案。在切割不平的 工件时电容传感器通过感应激光头与工件表面的距离产生一个0 1 0 v 的模拟量然后将 此模拟量送给控制器，控制器通过控制z 轴的伺服电机来控制z 轴的上下移动，从而 保证激光喷头与工件之间的距离不变。华中理工大学的朱国力副教授提出了基于光码 盘的焦点位置检测方法。充分利用了光码盘稳定性好，动态性好，抗干扰能力强的优 势。但是，激光三维堆积与激光切割加工环境有很大区别，所以两者的设计要求不同。 7 第一章绪论基于p m a c 的激光三维堆积屡高随动控制研究 1 5 本课题研究的主要内容 课题主要研制出一套应用于激光三维堆积的层高随动控制系统。主要包括以下几 方面的内容t ( 1 )层高数据的采集与处理。应用激光位移传感器测量激光喷头与成形件之间的距 离变化从而间接测定层高的变化将采集到的数据经下位机a d 转换后送到 工控机的c o m 口，工控机实现数据处理。 ( 2 ) 层高数据a d 转换实现。设计a ，d 转换硬件电路，选取t l c l 5 4 3 ，根据t l c l 5 4 3 时序，编写a d 程序实现模数转换 ( 3 ) 上位机与下位机通信实现。实现上下位机的r s 2 3 2 串口通信，定义通信报文。 ( 4 ) 设计z 轴微动调整算法 ( 5 ) 上位机与p m a c 通信在v c 6 0 + w i n d o w s 2 0 0 0 平台上开发上位机程序。通过 上位机程序与p m a c 通信，实现z 轴微动调整。 ( 6 )系统功能测试焊接完成硬件测试线路板，进行薄壁堆积对比试验检验系统 的可靠性及控制效果，检测堆积成形件的精度 课题来源： 江苏省自然科学基金“激光熔覆快速制造光内送粉技术研究 ( 项目基金号t b k 2 0 0 6 0 5 2 ) 基于p i j i a c 的激光三维堆积层高随动控制研究 第二章三维堆积系统及层高随动控制方案 第二章三维堆积系统及层高随动控制方案 激光三维堆积层高随动控制系统，涉及到光、机、电、控制等方面的技术。在提 出系统的整体设计方案之前，必须对设计的技术要求非常明确，对激光立体成形加工 环境、过程有所了解。在此基础上提出两种控制方案，分析它们的利弊，选定其中之 一。具体的软硬件设计将在下面的章节中展开。 2 1 三维堆积对层高随动控制系统的技术要求 对激光三维堆积层高随动控制系统的要求，主要取决于实际激光成形环境下成形 件的技术指标，应达到下述要求： ( 1 )适于激光立体成形的所有零件形状； ( 2 )高质量成形件要求每层高度变化量一般不超过o 3 m m ，所以系统的检测误差 应不超过o 1 m m ； ( 3 )控制系统与实验室中g s - t f l 一1 0 k w 高功率横流c 0 2 激光器连接要尽量简便， 改动部分要少，可以方便的拆装与改进； ( 4 )控制系统应与激光成形现场的条件相适应，耐用性和抗干扰性要好； ( 5 )在满足各种应用性能的条件下，应尽量简化设计。采用高效低成本元器件，以 降低成本； ( 6 )本系统在使用时，不影响原有的激光加工工艺要求、加工规范及生产规程； 2 2 传感器的选择标准与型号确定 传感器环节( 包括检测元件和变送电路) 是整个控制系统中的首要环节。欲对层高 进行闭环控制，必须首先能够对其进行自动检测，之后才能通过后续环节对其进行控 制。同时，传感器环节也是整个系统的难点，由于激光加工环境限制，国内尚无可选 产品，完全自行开发的难度也比较大。 用于高能量激光加工场所的位移传感器，早期的接触式传感器己淘汰，目前所用 9 第二章三维堆积系统及屈高随动控制方案基于p m a c 的激光兰维堆积层高随动控制研究 的几乎都是非接触式传感器，而且以电容传感器、电涡流传感器、激光位移传感器居 多拍2 钔以下是适用于本系统的传感器需要满足的条件t ( 1 )能够适应激光立体成形的实际环境。加工时，高能量密度的激光光束照射在 工件上可以将其局部熔化，会引起附近的温度有较大幅度的升高l 熔化的飞溅物抛 射到四周，可能导致检测元件的损坏l 另外，在堆积过程中会在缝隙间产生等离子 体也可能会对自动检测产生影响因此，检测元件必须适应温度的上升、熔化的金 属飞溅物和等离子体，其中第一项是关键，即传感器的输出尽量不受温度影响，温 度漂移尽可能小 ( 2 )精度。激光立体成形层高检测的精度为0 1 m m 。而目前市场上的各种通用传 感器( 包括电容传感器、电涡流传感器和光学传感器等) 的分辨率已经达到l 岬以下 因此精度指标容易满足 ( 3 )响应频率在设计或者选择传感器时，最高响应频率是必须考虑的指标，这 是为了满足整个控制系统快速性要求所必需的通常，通用的传感器产品此项指标 在0 5 k h z 一1 0 k h z 本系统0 5 k h z 响应频率可以满足需求 ( 4 ) 在机械方面，能够与现场的工装匹配 综上述，尽管目前位移量的测量方法较多且比较成熟，鉴于激光立体成形加工的 特殊环境( 高温、等离子云、粉末飞溅) 和特殊的工装条件，拟选用激光位移传感器 2 3 三维堆积系统介绍及加工过程描述 本文所使用的激光三维堆积系统如图2 一l 所示，其结构按功能可以划分为能量供 给、p m a c 数控、粉末供给和指令输出四大模块下面分别介绍各模块的硬件组成和 工作原理 1 0 基 p m a c 撒光! 镕堆# g 高m 动控制研究第= 章! 维堆a 系统丑层高m 动控制方案 2 3 1 能量供给模块 图2 q 激光三维堆积系统硬件图 能量供给模块由一台c o ：激光器及其辅助设施( 气体循环、冷却、充排气系统 等) 组成。其中激光源为武汉金石凯激光有限公司研制的g s - t f l 一1 0 k w 高功率横流 c 0 2 激光器，其主要技术参数如表2 - 1 所示，它是一种采用针板放电的气体横流快速 循环流动激光器。该激光器具有功率高、效率高、光束质量好、寿命长、稳定性好、 结构紧凑、使用费低、维修方便等特点。该系列激光器可用于激光热处理、焊接、及 表面台金化( 快速制造) 等应用，可加工各种金属和非金属材料。 表2 - 1 激光器主要参数【删 1 、放电形式直流辉光放电 2 、激光波长 1 0 6 9 m 3 、激光模式多模、基模可切换 4 、额定激光功率1 0 k w 5 、气体成分 6 、气体压力 a c ：3 8 0 v 1 0 ，5 0 h z ，1 2 0 k v a ；三相不平衡度：5 8 、电源 高压直流输出电压：0 - 48 k v 高压直流输出电流：0 - 1 8 a 可调 9 、使用环境无腐蚀性气体及过强磁场 t 0 、环境温度 0 0 4 0 l 】、环境湿度4 0 2 0 - 9 0 r h 第二章三维堆积系统及层高随动控制方案基于p m c 的激光三维堆积层离随动控制研究 激光器总体结构如图2 - 2 所示由高频电源、具有介质的电极、匹配阻抗、激光 谐振腔、气体循环冷却系统、充排气系统组成 图2 - 2 横漉c 0 2 激光器总体结构图 风机将c 0 2 等混合气体也就是激光器的工作物质不断循环抽送到谐振腔中，谐 振腔中的电极在高压下放电，气体在高压下产生粒子束反转，辐射出光子形成激光 电极系统如图2 - 3 所示，其中电极包括阴极与阳极，阳极也称为阳极板，采用表 面光滑无伤痕的纯铜材料制成。阴极为放电针有几百根放电针组成，亦称之为阴极 针板直流高压通过限流电阻加在阴阳极之间形成稳定的辉光放电由于激光器的 辉光放电具有负阻特性，故电路中串入了针排电阻，以保证放电的稳定性 图2 - 3 放电激励电极结构原理示意图 冷却系统包括两种水冷系统，一种是常温水用来冷却全反射镜和输出镜及光桥 杆等必须防止冷凝水的部分。另一种是低温水冷，由制冷压缩机和水泵组成的低温水 1 2 基于p m a c 的激光三维堆积层高随动控制研究第二章三维堆积系统及层高随动控制方案 冷机组提供，经过循环冷却，将水冷至5 1 0 度，注入阳极板和热交换器，以热交换 器冷却流经它的循环气体。 充排气系统用管道和相应阀门将激光器箱体与一台真空泵和充气系统相连，自动 控制各开关阀门来达到充排气。 2 3 2 开放式p m a c 数控系统 数控系统的精度直接决定激光加工的精度，开放式数控系统为激光加工提供了很 大的方便，特别是对于激光三维堆积零件的加工，随着p c 的普及，“p c + 运动控制卡” 的方案，将是运动控制系统一个主要的发展趋势。 本文中使用的运动控制卡是美国d e l mt a u 公司p m a c 运动控制卡【3 1 - 3 4 。p m a c 是p r o 奎r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r 的缩写，中文意思是可编程多轴控制器，顾名 思义就是能够同时控制多个运动轴以一定的精度、一定的速度进行联动的控制系统部 件。p m a c 数控系统是当今流行的一种开放式数控系统，其特性符合开放式数控系统 特点。 p m a c 属于典型的基于d s p 的伺服控制卡，其核心处理器为m o t o r o l a 公司的 d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 数字信号处理器，单卡可以同时处理8 个轴的协调伺服控制，是本 课题中开放式数控系统的核心。p m a c 卡既可以装在p c 机插槽中进行控制，也可以 完全脱机运行。依靠集成在r o m 中的程序，它能独立完成实时、多任务的控制，并 可自动进行优先级判断，而无需主机介入。它依靠存贮在内部的程序进行单独的运算， 执行运动程序、p l c 程序、进行伺服环更新，并可以串口、总线两种方式与主计算机 进行通信，而且它还可以自动对各种任务进行优先等级判别，从而进行实时的多任务 处理，这使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻了主机和编码器的负担，提 高了整个控制系统的运行速度和控制精度。p m a c 也可以p c 机或者兼容机为硬件平 台，以d o s 或w i n d o w s 为软件平台，作为c n c 系统的控制核心完成对电机的位置 和速度的实时控制。此时主机可从繁重的运动控制程序中解脱出来，进行高层次的管 理和控制任务 3 5 - 3 8 】。 1 3 第二章三维堆积系统及层离随动控制方寨基于p i l c 的激光三维堆积层高随动控制研究 图2 - 4p m a c 开放式数控系统结构示意图 数控激光加工系统空间坐标被定义为x 轴、y 轴、z 轴、c 轴、a 轴这五轴五 轴分别与p m a c 系统中# 5 号电机、样4 号电机、# 3 号电机、并2 号电机、静1 号电机一 一映射其系统硬件连接如图2 5 所示通过映射做到伺服电机与坐标轴的对应，在 p m a c 系统中控制电机的运动即可实现控制相应加工工件的空间位置运动 工控机( i p c ) 1 i 人 ny p l a c a c c 8 s ，上 上 1 l 伺服驱动船l侗服驱动器2佣服驱动铀3伺服驰动器4 伺服驱动嚣5 0j0j l 伺服电机- l侗服电机# 2佣服电机_ 3伺服电机佃服电机_ 5 jj j jj ia 轴llc 轴il z m lly 轴ljx 袖l 图2 - 5五轴开放式数控系统硬件连接示意图 a c c - 8 s 板卡是p m a c 2 一系列板卡附件之一具有两相输出的a c c - s s 扩展板 1 4 基于p m a c 的激光三维堆积层高随动控制研究第二章三维堆积系统及层高随动控制方案 卡是为了p m a c 更轻松的连接步进电机控制器和伺服电机控制器而设计的。其方向 信号和步进信号输出与r s 4 2 2 兼容，并且既可与采用差分模式的伺服电机驱动器相 连，也可与采用单端模式的步进电机驱动器相连，还可仿真电机位置闭环反馈。如果 通过跳线与外部编码器相连，还可形成真正的位置闭环反馈3 9 1 。 t b 6m o t o rd r i v eo u t p u ta x i s11 10 一 llllillll p i nt e r m i n a lb l o c k ) 引 oooooodo o t o p 、，互c ” p i n 撑 s y m b o lf u e i c t i o n d e s c r i p t i o n l n o t e s 1s t e p l +o u 翱) md i f fs i e p p c ro u t - 4 - 2s 了1 e p l o u t p u td i f fs t e p p e rc h i t 一 3d 妤u + o u t p u td 矸d i f e c r i o no u t + 4d h t l o u q ，咐 d 下d i r e c 吐o no u t 一 5a e n l +o u t p u ta m pe a t a b l eo x 印u t + 6a e n 】一 o u t p u t a h 【pe n a b l eo 它吡t 一 7f a l 珏j r l + i n p u t d f h ? e ff a u l t + 8f a u l t l 一 l n p md f i i 譬f a t i l t 9+ 5 v - d c s u p p l y l og 泐 s l l p p i y t h ef l i f 函e n t a ld r o v e 五g l sm a yb el l s t 试a ss i 力g i t 卜e n d 6 文t l c h d 踅童吐1 i n l i t 细e a c hi n d i v i d u a ld 曲t o - d u c l i ：n ga e 小k 酗：l df a u l t x ) o u t p u ti s2 0 m a t h e + s v d ca n dg n d 嘞l y s i t a r s ep f o 访d e dh e r et op r o v i d eb i 鹳f o ri s o t a t e df a t d tc i j r c u i t x 3 ri i lm 嘶啊 & r i v e rs y s 托眠o c c a m o n a l l yt h eg 奠dx n t t s tb eo o m l c c t c dw i t hd i f i e ? r t i a 主l 錾，删嚏u 凼髓o p t o - l s o a t i o ni 墨 舶，u s l ：do nt h el = o i z ：) rd f i v 巴f ( s 譬en o 谢o n s1 麓 d e fp ld e s c d 嘶o na b o r e ) 1 1 址l ，驼f l sc o 弛杈：i o fi sa 弛o e n i xm c v ，1 5 1 0 - s t 一3 8 1c d d i t at a up n0 1 6 - p 0 0 h 1 0 3 8 p 图2 - 6a c c - 8 st b 6 接线板功能示意图 当p m a c 2 使用a c c - 8 s 扩展板时，p m a c 2 输出一系列宽度不变，频率不同的 脉冲( p f m )