（材料加工工程专业论文）hrpsⅢa选择性激光烧结机控制系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f f 激光烧结成形技术( s l s ) 是上世纪九十年代初r p 技术中发展起来的又一种 全新的原型制篓方i ；它以粉末材料为加工对象，具有材料选择范围广、适合多 种用途等突出优点夕华中理工大学在该领域的研究工作始于1 9 9 6 年，现已开发 出了商品化的h r p s - a 激光烧结系统。本文就该设备的系统软件设计及工艺 流程分析展开了研究。 为保证系统可靠性，在h r p s - m a 系统中用软件实现了n c 系统的大部分功 能，如三相交流电机位置控制、步进电机控制等。由此开发出来的v x d ( 虚拟驱 动程序) ，其数据流结构的软件设计使系统各功能模块之间相互独立，实现了从人 机界面到控制内核的多层次开放，适应了r p 技术快速发展的需要。 烧结成形的基本操作是用激光束扫描固化零件截面，烧结件质量和成形效率 与很多因素相关，如铺粉质量、激光功率、加热温度等，因此通过大量的实验总 结出一组较合理的工艺参数以满足高精度要求，现已成功应用到h r p s a 系统 之中。 本文通过分析系统的需要，从硬件的选型原则到系统的控制程序开发，从影 响制件的精度的有关因素到系统的稳定性和效率作了大量分析，从中得出一些结 论并已应用于本套系统。 关键词：选择性激光烧结，虚拟驱动程序，高精度高效率，7 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) ，d e v e l o p e di nt h e e a r l yn i n e t i e sl a s tc e n t u r y , i san e w p r o t o t y p em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa m o n gr pt e c h n i q u e s i nt h es l s p r o c e s s ， v a r i e t i e so f p o w d e r m a t e r i a l sc a nb eu s e dt op r o d u c em o d e l sa n dm o u l d sf o ra w i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n s h u s th a sg o n ei n t ot h i sf i e l ds i n c e19 9 6 ，a n dam a r k e t a b l e l a s e rs i n t e r i n g e q u i p m e n t ，n a m e dh r p s - as y s t e m ，h a sb e e nd e v e l o p e d t h i s p a p e r i n c l u d e s s y s t e m s o f t w a r e d e s i g n ，s c a n n i n gp a t hr e s e a r c h ，a n dp r o c e d u r e a n a l y s i so nt h i se q u i p m e n t a i m i n g t oa s s u r eh i g hs t a b i l i t y , t h em a j o rf u n c t i o nm o d u l e so ft h ec n c s y s t e m a r ea c h i e v e d 、v i t i ls o f t w a r ei nh r p s 一a s y s t e m ，s u c ha s3 - xa cm o t o rc o n t r 0 1 s t e p p i n gm o t o rc o n t r o la n de t c t od ot h i s ，v x d ( v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ) i su s e df o r d a t as t r e a ms t r u c t u r ei ns o f t w a r ed e s i g nt om a k et h ef u n c t i o nm o d u l e s i n d e p e n d e n t o fe a c ho t h e r , w h i c ha c h i e v e sm u l t i l e v e lo p e n n e s sf r o mm a n m a c h i n ei n t e r f a c et o c o n t r o lk e r n e l ，a n da l s om e e t st h er e q u i r e m e n to ft h er a p i dd e v e l o p m e n ti nt h er p d o m a i n 1 1 1 eb a s i c o p e r a t i o n o ft h es l s p r o c e s s i s s c a n n i n g a n d s o l i d i f y i n g t h e c r o s s s e c t i o no ft h e p a r tb yl a s e rb e a m s o ，t h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h e s i n t e r i n gi s r e l a t e dw i t hm a n yf a c t o r , s u c ha s s p r e a de f f e c to ft h ep o w d e r , l a s e r p o w e ra n dt e m p e r a t u r e s o ag r o u po fs a n et e c h n i c sp a r a m e t e rf r o mag r e a to f e x p e r i m e n t h a sb e e nu s e di nt h eh r p s 1 i i a s y s t e ms u c c e s s f u l l y t h o u g hp a r t i c u l a ra n a l y s i sf o rt h ed e m a n do ft h i ss y s t e m ，w eg o tm a n ye n d s w i t hag r e a to f a n a l y s i sf r o mt h ec h o i c eo f h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t t ot h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep a r t sp r e c i s i o n ，a n dt h ee n d sh a db e e nu s e dt ot h i s s y s t e m k e y w o r d s ：s e l e c t i v e l a s e r s i n t e r i n g ，v m u a l d e v i c ed r i v e r ， h i g hp r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 选择性激光烧结技术 1绪论 选择性激光烧结( s l s - - s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 技术是九十年代初r p 技术中发展起来的又一种全新的原型制作方法，它以各种粉末材料( 如石蜡、聚 碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金属等粉材) 为加工对象。s l s 烧结设各，主要由 扫描器、铺粉机构、激光源、预热装置和计算机控制系统等部分组成。它采用具 有动态聚焦功能的振镜扫描结构，因此，其扫描速度较其它种类的快速成形系统 有相当程度的提高，最高扫描速度由具体的动态扫描系统确定，一般烧结速度可 达2 m s ，故成形效率更高。s l s 系统基本上采用开环的z 轴位置控制结构，即不 必实时测量零件的实际高度；与l o m 中的送纸、收纸结构功能类似，s l s 系统 采用了自动铺粉机构完成材料准备。另外，由于加工材料的要求，系统应具有对 材料预热功能，环境温度的测量为非接触式，通过温度传感器或者专门的测温仪 检测温度。 激光烧结成形过程为：首先在工作台面上均匀地铺上一层很薄( o 0 8 m m o 3 r a m ) 的热敏粉末，辅助加热装置将其预热到粉末材料熔点( 粘结剂的软化 温度) 以下的温度，在这个均匀的粉末层面上，计算机在经过数据处理得到零 件的c a d 实体模型的二维剖面后，再控制激光按照设计零件的当前层截面信息 进行选择性烧结，被烧结粉末固化在一起形成零件的实体部分。然后，在计算 机的控制下，工作平台降低一定的高度，铺粉机构铺设一层很薄的粉末，激光束 开始新一层的扫描烧结，层厚一般控制在o 0 8 o 3 0 m m 范围内。系统不断重复 这一过程，直到叠加堆积成三维实体零件。烧结过程结束后，去除未被烧结的 松散粉末，就得到了坯件，将此坯件进行二次烧结或浸渍等后处理，便可得到 最终所需零件。 选择性激光烧结技术具有以下特点p 】： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 材料选择广泛。其工艺材料选择广泛，如尼龙、塑料、金属、陶瓷的 包衣粉末或粉末的混合物均可作为加工材料。s l s 可根据不同的用途选择不同的 材料，如用覆膜砂烧结精密铸造用砂型( 或芯) ，用石蜡粉或塑料粉烧结熔模 铸造用的母模，用陶瓷粉烧结陶瓷模壳，或用金属粉直接成形金属模具或零件。 ( 2 ) s l s 不需特殊支撑、多余材料易于清理、适合原型及功能零件的制造等 优点，而且材料可以重复使用，材料利用率高，粉末材料的利用率几乎可以达到 1 0 0 。 ( 3 ) 工艺过程简单。与其它原型制作工艺( 如s l a 、l o m 等) 不同，s l s 成形无须研究专门的废料清除工艺。 ( 4 ) 具有广阔的应用前景。s l s 可以直接成形金属或陶瓷制件，而快速 原型与快速制模技术相结合是快速成形技术应用的一个主要方面。从目前国内 外s l s 技术的研究情况来看，覆膜砂、石蜡粉以及塑料粉这三种材料的激光烧 结技术的研究比较成熟，已经有商品化的设备推向市场。金属粉末的激光烧结 技术也逐渐成熟，而陶瓷粉末的激光烧结技术尚处在研究阶段，陶瓷粉末的激 光烧结技术属当今激光烧结技术的研究前沿和技术难点。 1 2s l s 技术在国内外的发展与现状 1 2 1 国际上s l s 技术的发展情况 自从7 0 年代末8 0 年代初，美国3 m 公司、日本名古屋研究所以及美国u v p 公司分别提出了基于有选择地逐层固化光敏聚合物的原理制造三维实体的快速成 形概念以来，涌现出许多新的方法。目前的快速成形的方法不再仅仅是s l a 、s l s 、 l o m 和f d m 了，还出现了如立体打印、金属沉积、喷墨等等方法。同时，新的 快速成形机构也不断涌现。到1 9 9 8 年，全世界共有3 3 1 家快速成形服务机构， 2 7 家咨询机构，5 1 家教育与科研机构。其中研究s l s 工艺的有d t m 公司和e o s 公司。公司与公司之间的竞争日趋激烈，促使快速成形技术不断得到提高，不断 得到应用，原型制造速度不断提高，各种新的加工材料不断出现，快速成形设备 华中科技大学硕士学位论文 的品种规格不断齐全，制件精度越来越高，成形尺寸越来越稳定，快速成形软件 功能越来越强大，完善，操作更加简便，性能更加稳定。随着快速成形技术的发 展，就s l s 成形设备的发展来说，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 操作更简单，功能更完善。例如，与烧结站2 0 0 0 相比，d t m 公司的 烧结站2 5 0 0 p l u s 的人机界面更友好、功能更强大。 ( 2 ) 加工速度越来越快，实现了真正意义上的“快速成形”。 ( 3 ) 出现了概念机，并成为快速成形系统的一个发展方向，如1 9 9 8 年3 d 公司推出的a c t u a 的一种改进机型( 热喷实体打印机) 。 ( 4 ) 出现了r p 系统专业化的思想，即针对某些特殊用途而开发的r p 系 统产品。如s t r a t a s y s 公司开发的m e d m o d e l e r ，主要用于一些医院和医学单位。 l2 2 国内s l s 技术的发展情况 白九十年代初在国家科技部、国家自然科学基金委员会和部分地方政府与科 委的支持下，首先在华中科技大学( 原华中理工大学) 、清华大学、西安交通大学、 北京隆源有限公司等一些高等学府和高新技术开发公司开展了成形理论、工艺方 法、设备、软件、材料等配套技术的研究。 目前主要有华中科技大学和北京隆源公司这两家单位从事s l s 设备的研究， 并且已经研制成功了几种基于s l s 工艺的r p 设备，目前正在研制基于其他工艺 的r p 设备。如华中科技大学开发研制的h 1 冲s i 、h r p s 一和h r p s - - i i i a 型 s l s 设备已成劝的实现了产品的商品化。 对于s l s 设备的现状来说，国外的s l s 快速成形系统和成形材料的价格非 常昂贵，运行费用和制件成本高。而华中科技大学自1 9 9 1 年开展快速成形技术 研究以来，将目标定位于在保证高可靠和高性能的前提下，研究和开发能大幅度 降低成本的快速成形技术，通过技术创新，现已开发出的s l s 的硼冲一a 型快 速成形系统，成本大幅度降低了，且在控制、软件、材料和快速制模方面取得了 较大进展。 在应用上，受传统思想、市场机制和市场需求的影响，快速成形在国内的推 华中科技大学硕士学位论文 广受到了很大的阻力。但随着改革的进一步深入，快速成形的应用已出现了蓬勃 发展的局面【8 j 。如深圳殷华模具开发有限公司开展的快速原型和快速制模服务引 起了很大的反响。 在技术上，与国外的差距仍然很明显，主要表现在下方面： ( 1 ) 材料性能与国外相差很大，国内许多快速成形材料都依赖于进口。 ( 2 ) 工艺研究不深入，快速原型件存在诸多缺陷。 ( 3 ) 设备的系统性，可靠性与国外仍有一定差距，使得我国的快速成形设 备的市场竞争力不强。 ( 4 ) 就快速成形理论的研究不足，基本上是照搬国外的，没有形成属于自 己的理论研究。 当然，经过我国科研工作者们的不懈努力以及我国巨大的市场潜力，快速成 形技术在国内的前景是十分美好的。 1 3 课题来源、目的和意义 1 3 1 课题来源 华中理工大学( 现华中科技大学) 从1 9 9 1 年开始从事快速原型技术的研究， 先后得到了国家自然科学基金、国家教育部博士点基金、国家科技部、湖北省科 委和武汉市科委的资助。该课题是国家8 6 3 计划项目( “快速原型制造系统”， 编号8 6 3 5 1 1 - 9 2 0 - 0 1 0 ) 重点支持，目前已经取得令人瞩目的社会效益和经济效益， 有力的推动了中国快速成形技术的发展与进步。 1 3 2 课题的目的和意义 为了发展我国的快速成形制造系统，华中科技大学( 原华中理工大学) 自1 9 9 1 年起就开始了快速原型制造技术的研究，针对我国国情并考患到国际上快速成形 技术的发展趋势，将发展l o m 和s l s 技术放在了首位。 华中科技大学硕士学位论文 本课题的研究是在华中科技大学快速成形中心的h r p s - - i i a 型粉末烧结系 统的研制开发上进行的，因而重点解决设备商品化过程中遇到的一些关键问题。 ( 1 ) s l s 控制系统的优化 由华中科技大学开发研制的h r p s i 型粉末烧结系统采用的是与l o m 设 备相同的激光扫描控制系统，它通过控制电机带动x 和y 方向的丝杆来实现激光 的扫描，该系统工作噪音大。h r p s - - i l i 型粉末烧结系统则采用国产的动态聚焦扫 描系统进行烧结，因此在结构上与第一代粉末烧结系统相比有很大变化，它没有 采用以往的三缸送粉结构，而是采用一种独特的落粉装置，该系统结构紧凑，占 地空间小，但是烧结材料受到限制。为改善这一缺陷，新开发的h r p s - - a 型 s l s 粉末烧结系统仍然采用传统的三缸送粉结构，在原有的控制系统的基础上， 增加了一些控制元器件，并进一步完善了原有的控制程序，使得整个系统的运行 更加稳定可靠，结构标准化，材料的选择上余地更大，很好的满足了商品化的要 求。 ( 2 ) 制件的精度问题 制件的精度问题是任何一种商品化设备必须考虑的问题。影响s l s 制件精度 的主要因素有激光的开关延时时间，激光波长，铺粉装置的铺粉效果，材料的收 缩性能，环境温度等。本文从调整激光开关延时，铺粉装置的速度规划出发，摸 出一组好的开关延时时间，铺粉速度的组合，以保证制件的精度。 1 4 课题的主要研究内容和本文的主要工作 快速成形技术是一项包括精密机械学、c a d 、计算机、激光、控制技术和材 料科学等诸多学科领域的- - f 7 综合学科，因而它的研究内容广泛而复杂。课题的 主要研究内容和本文的主要工作如下： ( 1 ) h r p s - - m a 选择性激光烧结机控制系统硬件设计 根据h r p s - - i i i a 的工艺要求，选择相应的硬件单元，设计出套能实现其 工艺要求的硬件系统。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) h r p s - - m a 选择性激光烧结机控制系统软件设计 根据硬件系统的功能要求，开发h r p s i l i a 粉末烧结控制系统的虚拟设备 驱动程序，并实现和数据处理软件的通信。 ( 3 ) h r p s - - i i i a 选择性激光烧结机的精度、稳定性和效率的研究 研究如何保证h r p s i l i a 选择性激光烧结机的精度、稳定性以及提高其工 作效率的方法。 全文分为5 章，各章内容如下： 第1 章全文概述，主要介绍了课题的技术背景、理论、意义及本文的主要 工作。 第2 章根据h r p s - - i i a 型选择性激光烧结机的工艺要求选择合适的硬件 单元，分析其关键技术，从理论上分析硬件的选型原则并进行性能分析。 第3 章介绍如何开发本系统的控制软件，从w i n d o w s 操作系统内核机制开 始详细介绍底层驱动程序的工作机理及一些相关知识。详述开发本套系统控制软 件的关键技术及该软件的功能接口、具体的程序结构。 第4 章分析该粉末烧结系统的系统精度、稳定性对制件性能产生的影响， 同时对一些影响制件性能的与硬件相关的工艺参数进行分析。并对如何提高系统 的稳定性，提高系统的运转效率做了进一步的探讨。最后提出一些改进设想。 第5 章对全文做一个回顾和总结，结合本课题对未来的主要研究方向作出 了展望。 1 5 本章小结 本章首先简要介绍了快速成形技术的原理、特点及应用，然后介绍了国内 外的研究现状和发展趋势，并指出了国内在该研究领域内与国际先进水平之间 的差距，最后介绍了本课题的来源、意义及主要研究内容。 华中科技大学硕士学位论文 2 h r p s 1 t i a 硬件系统的设计 为大幅度降低硬件成本、提高控制系统的可靠性，在整个硬件系统中，只 使用少量的接口模板( 开关量i o 、a d 和d a 等) ，根据系统的设计要求合理的 选择所需要的各个硬件器件，并搭配组合成一套结构简练、性能完善的选择性 激光烧结系统。 2 1h r p s a 控制系统的结构 选择性激光烧结快速成形系统s l s 具有成形速度高、材料利用率高的优点。本 图2 一l 系统整体构成图 华中科技大学硕士学位论文 套h r p s 一a 系统的电气控制部分主要由两个功能性模块构成，即激光扫描模块 与辅助控制模块，并且这两个模块之间相互联系不多，基本上是独立运作。激光扫 描模块为g s i 公司的激光扫描器h p l k l 2 3 0 9 ，它由h c 2 控制卡、振镜控制器、 动态聚焦扫描头以及p c m a r k m t 应用软件构成。h r p s m a 快速成形系统的 辅助控制模块则包括工作平台控制、送粉机构、温度控制和各开关量的控制等部 分。其系统整体构成如上图2 - 1 所示。与由华中科技大学快速成形中心开发的 h r p s i 和h r p s i l l 型粉末烧结系统相比，第一代即h r p s i 采用的两轴半联动， 由电机控制丝杆运动，激光扫描头在丝杆上沿x 和y 方向扫描，该系统没有动态 聚焦系统，因此在成形过程中要求激光功率与迸给速度自动匹配；与第二代系统 相比，新系统采用传统的三缸送粉系统，同时在温度控制，电机控制上采用了性 能更为稳定可靠的控制板卡。 2 2 动态聚焦系统 2 2 1 动态聚焦扫描器的基本原理 h p l k l 2 3 0 9 动态聚焦扫描器由动态聚焦镜m 2 、偏转镜m o 和m 7 及动态聚焦 扫描器的控制器组成。由g s i 公司生产的激光扫描器h p l k l 2 3 0 9 和c 0 2 激光器 组成的系统的扫描范围最大可达4 0 0 r a m ，扫描距离最大5 2 2 7 m m ，输入光束直径 ( i n p u tb e a md i a m e t e r ) 为9 m m ，光斑直径最大为3 5 0 u r n ，最小仅有1 2 0 u r n ，扫 描速度可达1 0 m s 。该系统既能保证快速成形制件的精度要求，又能满足实际需 要，切实的做到快速制造。 h p l k l 2 3 0 9 动态聚焦扫描器的光路如图2 2 【4 lj 。c 0 2 激光器产生的激光经过 调整镜m l 和m 2 后，进入动态聚焦镜，该镜片在控制器的作用下能够实时沿光路 在小范围内调整位置，以保证激光经过m 。和m 。偏转后，聚焦在工作面上。偏 转m o 和m 实现激光在工作平面上的坐标定位，动态聚焦则实现激光在z 轴( 垂 直方向上) 的焦点补偿。因此，该系统能够保证工作平面上光斑最小，激光能量 华中科技大学硕士学位论文 均匀，而且具有扫描幅面大的特点。其相比之下，固定焦面扫描器的工作面为一 个弧面，只能在一个较小的扫描范围内近似为平面，显然无法满足大台面的实际 要求。 、l粤敏mm 瓣 、 、ll i ui ，2 = ：= = 一 。一一 t u r n i n g 加n m ：= = ： 一s h u l 一o l l a l l i o n 呻。呻翻 x-，h n 图2 - 2 动态聚焦光路原理 动态聚焦扫描器在工作时，必须有动态聚焦配置文件支持，该文件是根据系 统的基本结构参数，如工作面的大小、工作距离( 偏转镜中心到工作台面的距离) 生成的一个焦面补偿文件。其补偿方法是在工作平面上建立若干个参考点，计算 出每一个点的焦点补偿量的大小，以建立坐标点与补偿量的对应关系，供扫描软 件使用。如果所设参考点越多，则补偿精度越高。在激光扫描时，扫描系统则根 据当前工作点的x 、y 的坐标，通过适当的插值处理，计算出补偿量的大小，依 此控制动态镜的位移量。 由此可见，i - i p l k l 2 3 0 - - 9 动态聚焦扫描器的核心是实现对偏转镜m x 和m 7 偏转角度、以及动态聚焦镜的位置的控制。h p l k l 2 3 0 - - 9 动态聚焦扫描器的结构 如图2 3 所示1 4 z j 。 9 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3s l s 振镜扫描系统基本结构 h c 2 控制卡安装在计算机内部，它通过控制电缆与动态扫描控制器相连。动 态扫描控制器主要包括五个功能模块：电源模块、h c i 接口卡、x 、y 、z 轴控制 模块。x 、y 、z 轴即偏转镜与动态聚焦镜则分别为三个独立的位置( 角度或直线) 控制环，扫描头则由聚焦镜、物镜、偏转镜构成，完成激光能量的精确传递。扫 描系统工作时，控制软件p c m a r km t 将待扫描输出的数据文件经过补偿后， 转换成控制指令，下载到扫描控制器，以完成数据文件到控制指令的转换：h c 2 控制卡的控制信号发送到动态聚焦控制器，并将它分解到三个运动轴，完成对具 体的扫描点的控制以及完成对激光能量控制。 2 2 2 振镜扫描系统的控制思想与实现 扫描控制器软件p c m a r km t 是d o s 版的应用软件，它包括三个层次的基 本模块【3 8 】：m h p m d e v s y s 、m m a r k i t e x e 和m m c l e x e 【4 ”。 m h p m d e v s y s 包含h c 2 控制卡的基本信息，该文件被置于c o n f i g s y s 中， 在计算机系统启动时自动加载h c 2 控制卡信息。 m m r k i t e x e 是p c m a r km t 的一个重要的组成部分，它接受应用程序的 指令，如将要在工作面上扫描的文字或者图形信息，并将它们变换成适当的矢量 集，该矢量集表示要完成的扫描路径。借助该应用软件中所具有的用户操作指令， 华中科技大学硕士学位论文 这些矢量集可以被更进一步加工。最后，m m a r k e x e 将这些扫描矢量转移给 更底层的m m c l e x e ，以完成扫描加工。 m m c l e x e 的主要功能可以描述为：矢量自动分段、转角处理、将矢量划分 为微矢量、确定微矢量的步长、微矢量几何校正、微矢量输出等。它首先根据扫 描器的控制参数表优化这些矢量，然后将它们输出至扫描系统。这一过程要经过 两个步骤：第一，生成优化的矢量表，第二，将前一步的结果转化为用于控制扫 描头和激光的机器语言( 指令) 。 在计算机系统启动后，p c m 懈( m t 的批处理文件激活p c m m i n i t e x e ，并 由p c m m 烈i t e x e 完成p c m a r km t 的初始化，然后，p c m a r km t 就常驻 内存。p c m m i n i t e x e 运行时，自动寻找p c m a r k m t i n i 文件，该文件包含扫描 系统的配置参数。为实现对p c m a r km t 的调用，在s l s 设备应用软件中设计 了三个与p c m a r km t 相关的接口程序：i n m a r k e r e x e 、d o m a r k e r e x e 、 r e m a r k e r e x e 。 ( 1 ) p c m a r km t 初始化程序：i n m a r k e r e x e 应用程序在初始化时，根据烧结材料的理化性能，选择合适的烧结参数，如 激光输出功率、扫描速度、以及烧结过程中的环境温度。初始化参数文件 s c a n s p d & a t 包括两个参数：扫描速度和激光功率，应用程序调用并执行 i n m a r k e r e x e 就能够将它们传递给p c m a r km t 。 在i n m a r k e r e x e 程序首先打开s c a n s p d d a t 文件，读取上述两个参数， 并将它们与其它参数合并成一条字符，生成如下的命令【4 1 1 ： s e t _ p a r a _ s e t + 】 m a r ks t e ps i z e 】 j u m ps t e ps i z e 】 s t e pp e r i o d m a r kd e l a y 】 j u m p d e l a y 】【s t r o k ed e l a y 】 1 a s e ro nd e l a y 【l a s e ro f fd e l a y 】 q - s w i t c h w i d t h 】【l a s e rp o w e f l a u t o - s e g m e n t a t i o n b r e a ka n g l e 】 d i t h e rw i d t h 【d i t h e rf e e d 】 p o w e rc h a n g ed e l a y 】 f p s m e s s a g e 其中，m a r ks t e ps i z e 为扫描矢量的大小；j u m ps t e ps i z e 为非扫描的矢量的大 小：s t e pp e r i o d 是单步扫描周期，单位为微秒( us ) ：m a r kd e l a y 指扫描矢量结束 延时；j u m pd e l a y 指非扫描的矢量的结束延时；s t r o k ed e l a y 是扫描序列结束延时； 华中科技大学硕士学位论文 l a s e ro nd e l a y 指激光开延时；l a s e r o f f d e l a y 则指激光关延时；q - s w i t c hw i d t h 指 的是激光功率调节时的周期；l a s e rp o w e r 表示激光输出的有效时间长度，激光输 出功率采用占空比调节，其中q - s w i t c hw i d t h 和l a s e r p o w e r 两参数的单位都用微 秒( us ) 表示，l a s e r p o w e r q - s w i t c hw i d t h 的比值可以用来表示输出功率的大小： a u t o s e g m e n t a t i o n 是一个使能禁能命令；b r e a ka n g l e 指扫描线跳变角度，取值范 围为o 1 8 0 。；d i t h e rw i d t h 指的是激光光斑直径大小；d i t h e rf e e d 指的是两个脉 冲之间的时间间隔；p o w e rc h a n g ed e l a y 则指设置激光能量供给时间；f p s 是一个 使能禁能命令。在这些数据量中，s t e p p e r i o d 决定了。则s l s 系统的扫描步长确 定了，那么扫描速度也就可以由单步扫描周期得到，因此，单步扫描周期可以看 成是扫描速度的另一种表示形式。s l s 系统的扫描范围为4 0 0 m m * 4 0 0 m m ， p c m a r km t 以两字节来表示x 和y 坐标，即6 5 5 3 6 * 6 5 5 3 6 对应满幅面，如果 将扫描步长设置为5 0 ，因此，当扫描速度s p e e d _ r a m 设置为3 0 0 m m s ，得到单步 扫描周期s t e pp e r i o d ，即s t e pp e r i o d = 5 0 + 4 0 0 ( 0 0 6 5 5 3 6 + s p e e d _ r a m ) ，约1 0 1 7 u s 。 在本套m 冲s 一a 选择性激光烧结系统中，选用的c 0 2 激光器的功率为 2 5 w a t t ，由于它的最大输出功率会随累计工作时间下降，应利用参数设置适当补 偿激光器的实际输出功率；参数q - s w i t c hw i d t h 基本固定不变。 除诸如激光开关延时、激光能量大小及光斑直径等参数对制件的精度影响较 大，需要根据工艺分析来确定其值外，其它参数一般采用隐含设置。 如下为一个具体的命令形式： s e t p a r a _ s e t 8 5 0 1 0 0 0 1 0 1 7 5 0 0 5 0 0 5 0 0 1 0 0 1 0 0 1 2 0 0 1 0 0 1 2 5 5 o l o 】 0 0 0 0 n e w s e t l 】 p c m a r km t 在内存中以m a r k e r 的名字驻留，小m 4 a r k e r e x e 在取得该文 件输入输出指针后，即可以将字符串命令写入p c m a r km t ，完成对p c m a r k m t 的初始化作业。 ( 2 ) p c m a r km t 任务调度程序：d o m a r k e r e x e p c m a r km t 支持多种数据格式，比较典型的格式有h p g l 、条形码等。若 想要将p c m a r km t 的扫描文件格式设置为h p g l ，则d o m a r k e r e x e 首先 华中科技大学硕士学位论文 执行g o c r e a t e h p 9 1 命 - ，然后执行g o s e ts o u r c e h p 9 1 p l t 】，确定数据文件 名为h p g l p l t ，接着就执行m a r k ，以启动新的扫描烧结任务。在烧结过程中，计 算机不断地对c a d 文件切片生成对应层的h p g l p i t ，即文件h p g l p i t 的内容处 于不断的更新过程中，直至完成全部的切片烧结。 ( 3 ) p c - m a r km t 结束管理程序：r e m a r k e r e x e 在完成当前的烧结任务后，执行命令文件r e m a r k e r c x e 即可释放被 p c m a r k 仃占用的内存空间，并使之处于休眠状态。文件r e m a r k e r e x e 包含 有完成相关操作的命令r e l e a s e 。 2 2 3 振镜扫描系统的安装与调试 振镜扫描系统安装是否得当直接关系着系统的安全问题和制件的精度，强度 是否满足要求。因此，在使用h r p s - - i i a 系统进行制件生产前，必须确保振镜 扫描系统处于安全和正常的工作状态下。 其中存在两个需要注意的问题： ( 1 ) 系统地是否接好，必须确保系统的安全，以防意外发生。 ( 2 ) 光路是否调好，即激光经过调整镜m 1 和m 2 后是否恰好处于光路中心 线上，只有这样激光才会很好的聚焦到工作台面上。当这一点没有得到保证时， 由前所述，h p l k l 2 3 0 9 的输入光束直径为9 m m ，这时会有一部分光在通过光路 时被隔断，造成烧结出来的制件精度和强度都得不到保证。 在上述两点得到保证以后，就要通过专用的软件对振镜的精度进行调整，直 到烧结出来的测试图形的尺寸精度满足要求为止，具体的调整将在第四章进行详 述。 2 3f i r p s - - a 辅助控制部分 2 3 1h r p s 一a 辅助控制原理 m 冲s i a 快速成形系统的辅助控制动作主要有铺粉辊的左右平移及自转 华中科技大学硕士学位论文 ( 包括平移到左右限位开关和左右接近开关) 、工作缸的上升与下降、左右送粉缸 的上升与下降、温度的检测与控制( 包括工作缸与送粉缸的温度检控) 、氧气浓度 的检控等。其中铺粉辊的动作实现由三相交流电机、变频器、光隔离输出控制板、 数据y o 通道共同完成；三个缸的动作则是由三轴步进电机控制卡、步进电机共 同实现：温度的检控则是由温度传感器、红外测温仪、加热管、可控硅、a d 转 换卡、d a 输出控制卡协同完成；氧气的检控由电磁阀、氧气浓度传感器、a d 转换卡共同实现。具体动作协同运转如下述： h r p s - - a 快速成形系统在烧结过程中，切片层厚度不变，每烧结完一层后 工作平台下沉设定的层厚高度，然后重新铺粉。铺粉辊左右交替运动，同时，铺 粉辊自转，以维持铺粉均匀与平整。h r p s l l i a 系统采用热电偶测量两个送粉缸 和红外测温仪检测烧结腔的预热温度和加热温度，对于不同的烧结材料，可以选 择适当的预热温度，并由计算机实现三个缸的温度的闭环控制，以达到对温度的 要求。 h r p s 一 i i a 快速成形系统的机械运动与温度控制的原理如图2 3 所示 3 63 73 引 p c l 一8 3 9 控制板p c l 一8 1 8 控制板d a c 一7 2 2 6 控制板 i d a 墨 ；瑟 墨 喜 啪 矗 嚣 i 2 图2 - 3t i i s - i i i a 快速成形系统控制结构原理 二怍 打艇 q 嚣 华中科技大学硕士学位论文 在控制计算机中除h c 2 激光扫描控制板外，还安装了三块接口板p c l 一8 1 8 、 p c l 8 3 9 和6 通道的d a 输出卡d a c - - 7 2 2 6 。p c l 一8 3 9 用于控制3 个步进电机的 正反转实现控制工作平台和送粉缸的高度的目的，控制信号为脉冲输出。同时， 它还具有d i 和d o 的功能，d i 主要处理铺粉辊平移到左右极限和接近开关处时 的输入信号d o 主要输出各个开关量的控制命令，如控制激光、振镜、风扇、 电磁阀的电源输入的继电器的开与关。 本套h r p s - - i i a 系统主要特点与技术参数如下： ( 1 ) 成形零件尺寸：4 0 0 m m 4 0 0 m m 5 0 0 m m ( 2 ) 激光性能参数：水冷、c 0 2 、2 5 w 、光斑直径3 5 m m ( 3 ) 扫描系统：振镜式动态聚焦系统 ( 4 ) 机械结构：双缸送粉机构、铺粉机构 2 3 2 h r p s - - i i i a 系统辅助控制硬件选型原则 要使垭冲s 一a 整个系统正常运转，必须合理的选择所需的硬件组合，需 要从各方面考虑，如：系统功率，系统的稳定性等等。其中硬件的选择是根据设 备的设计要求进行的。由于本套系统采用的是双缸送粉装置和工作缸扫描相结合 的烧结机构，因此在缸体驱动、铺粉辊的驱动部分、控制板的选择、加热装置的 选择等方面都要通过严格的计算和选择。 2 3 2 1 工控板的选型 选择什么样的工控板作为控制元器件要根据实际的需要。因此，在选择工控 板前必须先计算好有多少开关量，a d 转换点数，d a 输出控制以及具体要实现 什么样的功能等等。 由于本套系统没有采用以前的落粉装置，而是采用三缸送粉装置，它需要三 个步进电机驱动。为此，选择p c l _ 8 3 9 三轴步进电机控制卡作为步进电机驱动元 器件。 另外，根据设计要求，需要的输入信号有铺粉辊的接近开关信号( 2 个) 、限 华中科技大学硕士学位论文 位开关信号( 2 个) 以及为防止系统扩充需要的2 个备用的输入通道，共有6 个 输入开关量；系统需要的输出有激光电源开关、振镜电源开关、工作缸风扇开关、 铺粉辊左右平移输出、铺粉辊正反自转输出、电磁阀开关以及备用的开关，共有 1 4 个输出开关量，考虑到将来系统扩充需要，选择的光隔离输入和输出控制板均 为点数为1 6 的p c l7 8 2 ( 输入) 和p c l _ 7 8 5 ( 输出) 控制板。 由于需要对系统的温度和氧气浓度进行检测与控制，共需4 个a d 转换通道， 4 个d a 输出通道，加上一个备用的通道，共需a d 、d a 各5 个点。根据市场 上所能提供的产品，我们选择的是具有1 6 个单端输入( 8 个双端输入) 的p c l8 1 8 单端( 双端) 输入a d 转换板和d a c7 2 2 6 六通道d a 输出卡作为控制板卡。 2 3 2 2 步进电机的选型 作为动作的执行元件，步进电机的选择首要考虑的是其功率是否满足系统的 需要。 设缸体质量为m l 、铺粉的最大质量为m 2 、缸体上升过程中与支撑之间的摩 擦系数为u 、电机驱动器的功率为p 、电机静力矩m 、电机的转分辨率为n ，步 进电机输出频率为f 、己知设计的丝杆螺距为l 5 、取m l = 1 0 k g 、设缸体向上移 动距离为s ( 这里只考虑最大负荷时电机是否满足需要) 、缸体移动s 距离用时t 。 则，系统稳定运行应满足( 过程损耗忽略不计) 1 3 0 l ： m=( 1 + g t ) ( m l + m 2 ) g s x5( 1 ) p = ( m l + 1 1 1 2 ) g s t ( 2 ) t=2 ( 3 ) 6 0 = 2 f n( 4 ) 由前面提到的本套系统的设计的技术参数，设粉末材料的密度为pg c m 3 考虑最大负重时m 2 = 8 0p ( k g ) 。以铁粉末为例，粉末密度在2 6 3 5g e m 3 间，视其紧实程度而定，估算时取3 5g c m 3 关，查相关的技术资料，取1 t = o 5 。则( 1 ) 式右边经过估算值为3 2 n m ，在保 证有一定的余量的前提下，选择日本m y c o m 公司的型号为s d 4 5 2 3 0 的步进电 华中科技大学硕士学位论文 机驱动器和型号为p s4 9 1 3 m 0 2 的步进电机作为三个工作缸的驱动装置。 其中p ：1 1 5 2 = 2 3 0 ( 瓦)m ：3 5n m 均能很好的满足系统需要 2 3 2 3 变频器和三相交流电机的选型 工控机通过光隔离输出控制板实现对变频器的控制，变频器输出导通使三相 交流电机平移、自转，从而完成铺粉动作。选择变频器只要能保证系统稳定运行， 能使电机正常运转即可。在确定变频器之前必须先确定好所需的三相交流电机， 然后根据三相交流电机的功率确定变频器的型号。 铺粉辊在工作状态下的运动状态由平移和自转组成，设其平移速度为v 1 、自 转角速度为6 0 、铺粉辊半径为r = 3 7 5 m m 。根据工艺要求，铺粉辊外径的切向速率 应与其平移速率相等，即有6 3 r = v 1 ，在设备选型时可以近似为相等。设铺粉 辊运动中所受导轨的摩擦力为n 、粉末材料的摩擦力为也、铺粉辊自转所受的摩 擦力为f 3 、控制平移的变频器提供的功率为p 1 、控制自转的变频器提供的功率为 p 2 、已知铺粉辊质量m 约1 7 5 k g 、平移时摩擦系数由参考资料得“= 0 3 5 ，过程 损耗忽略不计，则稳定状态下应有： p 1 = ( n + f 2 ) v 1( 1 )