（材料加工工程专业论文）选择性激光烧结若干关键技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 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 ) 是一种基于材料累加思想的快速成 形技术，华中科技大学在本领域的研究工作始于1 9 9 6 年，现已成功开发出商品化的 s l s 烧结机，但系统的预热温度控制、设备驱动程序、三维动态扫描等部分的可靠性 和稳定性还有待改进。为此，本文对上述烧结设备控制系统关键技术进行了研究。 在原有温度模糊控制技术的基础上，本文提出依据零件形状特征而自动改变加热 温度的思想，以切片轮廓信息变化的识别为基础，利用多进程技术，实现了基于零件 切片轮廓信息的预热温度自适应调节，为进一步开发智能化的s l s 控制系统打下良 好的基础。 在原有系统中，因振镜与操作系统发生资源冲突及w i n d o w s9 x 操作系统自身的局 限性，导致控制系统运行不够稳定。为此，以面向对象技术原理为指导，以组成系统 的设备为控制对象，以数据的分层传递为手段，研究并开发了w i n d o w sn t 下的设备 驱动程序，从而充分利用了w i n d o w sn t 操作系统的强大功能，提高了烧结设备运行 的安全性和稳定性。 因原有g s l 公司的三维动态扫描系统存在零漂现象，且该系统调试复杂、校正繁 琐，为此本文对s c a n l a b 公司的两套扫描系统进行了研究，包括安装、电气连 接、光路调整、误差校正、动态聚焦测试等，并将该系统与s l s 烧结机成功的进行 了有机结合，为三维动态扫描系统的优化选型奠定了良好的基础。 关键词：快速成形选择性激光烧结设备驱动 。预热温度控制扫描 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) i sak i n do f r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n i q u eb a s e do n m a t e r i a l i n c r e s s t h es t u d yo ns l sa th u a z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y ( h u s t ) s t a r t e d f r o m1 9 9 6a n dt h es l ss y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e da th u s t b u tt h ep r e h e a t i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，t h ed e v i c ed 6 v e rs o i l w a r ea n dt h e3 - d l a s e rs c a n n e rw i t hd y n a m i cf o c u s s c a n n i n gs y s t e md on o tp e r f o r mw e l l i n s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o nb a s i s o ft h ef o r m e r a c h i e v e m e n t ，t h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h ea b o v ec o n t r o ls y s t e ma l ed e e p l yi n v e s t i g a t e di nt h i s d i s s e r t a t i o n b a s e do nt h ef o r m e rt e m p e r a t u r ef u z z yc o n t r o ls y s t e m , an e wi d e at h a tt h et e m p e r a t u r e v a r i e sa c c o r d i n gt ot h ep a r t sc h a r a c t e ri sp u tf o r w a r da n dr e a l i z e d ，w h i c he s t a b l i s h e sa g o o d f o u n d a t i o nf o ra d v a n c e dr e s e a r c h t h ef o r m e rc o n t r o ls y s t e mh a sl o ws t a h i l i t yb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fw i n d o w s9 x a n dt h ec o l l i s i o nb e t w e e nt h eg a l v a n o m e t e rd r i v e rs o f t w a r ea n dw i n d o w s o p e r a t i o ns y s t e m h e n c ean e wd e v i c ed r i v e rs o f t w a r eb a s e do nt h ew i n d o w sn ti ss t u d i e da n dd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l yi nt h i sp a p e r ，w h i c h m a k e sf u l lu s eo ft h er e s o u r c eo fw i n d o w sn t hi sp r o v e d t 1 a tt h en e wd r i v e rs o f t w a r ei sm u c hm o r er e l i a b l ea n ds t a b l et h f i nt h ef o r m e r b e c a u s et h ep r e v i o u ss c a n n i n gs y s t e mm a d ea tg s ic o l t d h a sp r o b l e m ss u c ha sz e r o o f f s e t ，c o m p l i c a t e di n s t a l l a t i o n a n dc a l i b r a t i o n ，t w os e t so fs c a n n i n g s y s t e mm a d ea t s c a n l a bc o l t d a r es t u d i e da n da p p l i e ds u c c e s s f u l l yh r p ss e r i e so fs l sm a c h i n em a d e a th u s t ，w h i c he s t a b l i s h e sag o o df o u n d a t i o nf o rt h e o p t i m i z a t i o na n dc h o i c eo ft h e s c a n n i n gs y s t e m k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n gd e v i c ed r i v e r p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs c a n n i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：卯中年r 月l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阋和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：针煮终 日期：细牛年牛月寥z 日 指导教师签名：趺参斟 日期：一( f 年牛月2 , 2 白 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 国内外激光选区烧结控制技术研究概述 选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 技术是r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术的一种，s l s 系统主要由激 光源、扫描器、铺粉机构、预热 装置和计算机控制系统等部分组 成。其结构如图1 1 所示。s l s 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，因其选材广 泛、不需特殊支撑、材料可重复 利用、工艺简单等特点f i 】而得到 广泛应用和快速发展。 图1 1s l s 的结构组成 s l s 是一项新型的加工技术，它与传统的加工技术有着本质的区别。对大多数零 件来说，利用s l s 技术制造的零件强度还没有达到功能强度的要求，为此还需广大 科技工作者不断的努力，才能提高快速成形系统的性能指标和制造出的零件精度强 度。按其系统组成，s l s 主要可以分为机械设备、数据处理、硬件控制、工艺处理等 方面。在机械设备、成形软件和工艺技术一定的条件下，改进设备的控制技术、提高 控制精度等，对于最终提高产品质量有着十分重要的意义。 s l s 控制子系统主要由激光器、振镜、机械、信号检测、温度控制等组成。激光 器主要有h e - - c d 激光器、氩离子激光器( a r + ) 、倍频的固体激光器、c 0 2 激光器 等，我们一般采用功率较大( 5 0 w ) 、激光波长为1 0 6 u m 的c 0 2 激光器。振镜提供 厂商主要有美国g s i 和高科、德国s c a n l a b 等；信号检测主要是对各种数字、模 拟信号的采集、滤波，然后采取某种方式进行计算，输出一定量进行控制，如北京隆 源公司采用双缸送粉、红外温控加热等方式，取得了较好的应用效果2 】1 3 1 ：华中科技 大学的模糊温度控制、多轴联动的机械运动方式及基于g s i 公司的振镜应用开发都是 华中科技大学硕士学位论文 基于w i n d o w s9 x 的，软件运行安全性、系统稳定性等存在较大问题1 4 j ，本文正是在 华中科技大学s l s 烧结机原有控制系统基础上的升级和加强。 1 2 课题来源、目的和意义 本课题来源于湖北省重点科技攻关项目注塑模快速制造集成系统，项目编号 2 0 0 1 a 1 0 7 8 0 2 。 为了发展我国的制造业的发展，华中科技大学自1 9 9 1 年起就开始了快速原型制 造技术的研究，针对我国国情并考虑到国际上快速成形技术的发展趋势，华中科技大 学将s l s 技术的研究和应用处于一个非常重要的地位。 根据科研实践和s l s 设备用户的反馈信息，我们发现已有s l s 设备在温度控制 方式单，当零件切片发生某些特殊变化时控制不能根据零件具体形状改变控制强 度，这对系统的制造过程自动化、智能化带来较大的影响，同时也耗费大量的人力， 增加了加工过程的生产成本；另外，控制系统采用基于w i n 9 x 的v x d 虚拟设备驱动 程序，运行稳定性、可靠性存在较大隐患；振镜原来主要从美国g s i 公司引进，实践 中发现有部分设备稳定性差，出现零点漂移等故障，对生产造成巨大损失。这些都是 s l s 控制系统的关键部分，基于此，本文重点对下述问题进行研究，并提出解决方 案： ( 1 )预热稳定自适应控制研究 原有系统对温度实行单一调节，温度控制强度不能满足具体加工零件温度控制变 化的需求，本文拟开发一种基于零件切片的预热温度控制子系统； ( 2 )s l s 控制系统安全性、稳定性研究 原有系统制造过程中，软硬件有时候频繁抢占资源，当操作系统无法处理时，将 出现死机等故障；因为原有设备驱动程序是基于w i n d o w s9 x 的v x d 虚拟设备驱动， 由于w i n d o w s9 x 操作系统本身的限制，系统运行稳定性较差，需要驱动程序的升 级，并考虑程序的标准化。 ( 3 ) s l s 振镜扫描系统的多样性选择 分别引进德国s c a n l a b 的p o w e r s c a n 3 3 扫描头、r a t i 0 4 0 动态聚焦和 s k l 0 2 0 扫描头和v a r i 0 2 0 动态聚焦等三维振镜动态扫描系统，进行研究，包括调 试、开发应用。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本论文的主要工作 激光选区烧结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一门综合学科，因而它的研究内容广泛而复杂。本课题的 主要研究内容和本文的主要工作如下： 第l 章绪论，概述s l s 控制系统当前国内外的研究现状以及发展趋势，分析当 前s l s 设备中的控制关键技术的主要问题； 第2 章基于零件切片的预热温度自适应控制子系统开发，根据s l s 的工艺要 求，选择相应的控制方案，设计出一套能实现其工艺要求的温度检测与控制子系统； 第3 章基于n t 技术的选择性激光烧结机驱动程序开发， 根据s l s 的运行要求，研究与开发粉末烧结机的基于w i n d o w sn t 下的设备驱动 程序： 第4 章基于s c a n l a b 的两套三维动态扫描系统研究，包括安装、电气连接、 光路调整、误差校正、动态聚焦测试等，并与s l s 烧结进行有机结合； 第5 章总结和展望，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。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 基于零件切片的预热温度自适应控制 在选择性激光烧结( s l s ) 中，温度是重要的工艺参数之一。粉末的预热温度直 接决定了烧结深度和密度。如果预热温度太低，由于粉层冷却太快，熔化颗粒之间来 不及充分润湿和互相扩散、流动，烧结体内留下大量空隙，导致烧结深度和密度大幅 度下降，使成形件质量受到很大的影响。随着预热温度的提高，粉末材料导热性能变好， 同时低熔点有机成分液相数增加，有利于其流动扩散和润湿，可以得到更好的层内烧结 和层间烧结，使烧结深度和密度增加，从而提高成形质量。但是，若预热温度太高，又会导 致部分低熔点有机物的碳化和烧损，也不能保证所需的烧结深度和密度，同样也影响到 成形件的质量，可见温度控制是s l s 系统中重要组成部分，需要选择适当的算法， 把温度控制在预定的范围内具有极其重要的意义垆j 。 预热虽然非常重要，但因为温度控制的影响因素多而杂，国内外在这方面的研究 比较少。针对温度场在激光加热条件下的变化规律很多学者进行了大量的研究。例 如，文献1 6 】对激光温度场做了简化，采用一维模型来计算温度场，它考虑了激光光强 分布不均匀的因素，但忽略了能量在烧结件横向的传播。文献【7 】采用了二维模型和 均匀激光光强作为分析来计算温度场。g a b r i e l b u g e d a 利用有限元法进行三维烧结 模拟，研究了三维的传热模型【8 】，k d a i 和l s h a w 则主要研究激光扫描方式及其带 来不同热量等对残余应力和扭曲变形的影响 9 j ，他们是从粉末烧结的机理来进行研究 的；国内如华中科技大学和北京航空航天大学等主要是侧重扫描路径、材料性能的影 响0 1 ，关于温度的控制，华中科技大学的模糊控制【1 2 1 ，使用效果良好。但是仅实 现了温度的常规控制，当零件截面几何形状变化时，用这种方式得到的最终制件会发 生严重翘曲变形，无法满足生产中对离精度零件制作的需要。基于此，以华中科技大 学丌发的h r p s 设备为研究对象，在前人研究的基础上，本文提出一种新的控制方 法，使粉末预热温度随具体零件截面几何信息不同而实现预热温度的自动控制。 h r p s 系统的温度控制系统主要由两个功能性模块构成，即温度检测模块与温度 控制模块，两者相辅相成组成闭环控制系统。其中温度检测利用热电偶或者红外测温 仪采集微弱信号，信号经温度数字仪放大后传入a d 转换板，然后输入计算机进行 4 华中科技大学硕士学位论文 数据处理及温度显示。温度控制模块则是把采集的数据分析和按定的控制算法计算 后得出控制量，由d a 转换板输出，通过控制可控硅的触发电压而控制加热管的输 出功率，最终达到变化加热能量的变化 1 2 i 。 2 2 控制算法 2 2 1 温度控制算法发展 近年来温度控制的方法发展迅速，开关控制、p i d 控制、模糊控制以及神经网 络，遗传算法在温度控制上都有应用。温度控制越来越智能化，越来越符合工艺要 求。过去我们采用开关控制，即根据温度偏差的大小，由p w m 算法得出固态继电 器的通断时间来控制温度。但是，由于加热器不像机械传动具有大惯性，加热管忽 明忽灭，给操作人员带来很多不变。为此我们需要选择一种根据温差能够平滑过渡 的控制方法。 p i d 控制即利用比例、积分、微分控制，自1 9 世纪4 0 年代以来广泛应用于工 业生产中。控制系统将实时采集的温度值与设定值比较，差值作为p i d 功能模块的 输入。p i d 算法根据比例、积分、微分系数算出合适的输出控制参数，利用修改控 制变量误差的方法实现闭环控制，是控制过程连续。其缺点是现场p i d 控制参数整 定麻烦，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制漂离最佳状态。 人工神经网络是当前主要的，也是重要的一种人工智能技术。它是一种采用数理 模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。人 工神经网络以其高度的非线性映射，子组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的 非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能量强。在温控系统中，将温度的影响 因素如散热、对流、被加热物体的物理性质和被加热物体的温度作为网络的输入，以 实验数据作为样本，在微机上反复迭代。随实验与研究的进行和深入，自我完善与修 _ j f ，得到网络权值。在学习动态非线性系统时，不需要知道系统实际结构，但是当系 统滞后比较大时将造成网络庞大难以训练。 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制方法。主要嵌入操作人员的经验 和直觉知识，它适用与控制不易于取得精确的数学模型和数学模型不确定或经常变化 的对象。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 基于切片信息的预热温度自适应控制算法 使预热温度随零件截面几何信息不同而实现自动调节，首先要获取零件的截面信 息，并对信息进行判断，从而实现基于零件截面几何信息的预热温度自动控制。本文 把对零件每一层截面几何信息的获取过程称为切片。怎样得到切片信息呢? 在当前的 r p 领域，普遍是通过对s t l ( s t e r e ol i t h o g r a p h y ) 文件的处理来实现。s t l 是美国3 d s y s t e m 提出的种数据交换格式，因其格式简单并对三维模型建模方法无特定要求 而得到广泛的应用，成为快速成形系统中事实上的标准文件输入格式【1 。 本文提出的预热温度自适应控制系统中，在烧结过程中的每一层对零件进行实时 切片【玎 ，并把切片信息存储在一个数据结构s l i c e 中。因为需要捕捉切片的变化，所 以至少应记录两层( 本文即记录两层) 切片信息，即当前加工的h 1 层和预备切的 h 2 层，切片信息分别保存在s l i c e l ，s l i c e 2 。设每层高度为h ，有： h2 = 1 + h ， ( 1 ) h 为1 到h2 间层数，取月= i 。 针对上述切片信息变化问题，我们提出一种基于切 片轮廓信息的突变判别自适应算法，即利用s t l 文件 具有的轮廓环信息，通过把h i 、h 2 两层切片的轮廓环 进行一一配对，然后依照要求( 偏差要求，由工艺要 求决定) ，把个轮廓环进行放大和缩小后形成偏差 允许范围，然后考察相对应的轮廓环是否在偏差允许 图2 1 内、外环定义 范围之内：然后对所有一一配对的轮廓环进行分析， 得到类似结果。为了说明方便，先给出几个定义： 定义1 ：切片。本文把对零件每一层截面几何信息的获取称为切片。 定义2 ：环，内环，外环。本文定义为，一个封闭的首尾相接的几何图形都叫 环。环是s t l 文件信息的基本单元，每一切片都由一个或者若干环组成，环分内 环、外环两种：按顺时针方向沿着环边沿前i 如如果靠近环的实体部分都在人的右手 侧，则此环为外环，反之为内环，如图2 1 所示。 定义3 ：轮廓环的突变。如果两个关联层( 即高度，如h 1 和h 2 ，主要考虑相邻 层) 的切片信息之间差别太大，认为两个层面之间发生了突变。 定义4 ：轮廓环的一一对应关系。当两个关联高度的切片信息间没有发生突变 时，h l 上的某个轮廓环上的所有点沿着实体的表面移动到达h 2 位置时，所有的点 _ 一_ _ - - - 一 6 华中科技大学硕士学位论文 都落在这个层面上的某个轮廓环上，则称这两个轮廓环为对应的两个环。图2 , 2 中标 识了两组轮廓环的一一对应关系，一般在两层面间没有发生突 变时，它们间的轮廓环总是一一对应的，而且相对应的两个环在形状上是相近似 的。 x 图2 2 轮廓环的一一对应关系 定义5 ：平面偏差标准。即x y 平面上判断两个高度切片信息是否发生突变的依 据。当比较两个高度对应轮廓环上的点时，如果两个点的距离大于平面偏差标准时， 就认为两层面发生了突变。本文约定。为平面偏差标准。 定义6 ：特殊截面。当被比较的h 1 、h 2 层切片信息发生突变时，我们需要在对 h 2 层烧结前对粉末预热温度进行急速提升加热强度以满足加工工艺要求。为方便 计，本文称h 2 层截面为特殊截面。 2 2 2 1比较轮廓环的数量 以高度为h 1 处层面的轮廓环为基准，高度为h 2 处层面切片与之相比较，由生 产实际的工艺要求知道，我们这里只需要考虑外环。由上述定义二，我们只需对各层 外环数目计数。当h 1 、h 2 两层轮廓外环的数量不相等、并且是当h 2 层外环数大于 h 1 层外环数时表示两层面之间发生了突变，此时我们无需进行下一层比较即可以断 定h 2 层为特殊截面；当轮廓环的数量相等时进行下一步的比较，参见2 2 2 2 节。 2 2 2 2 确定轮廓环的一一对应关系 在不能确定两层切片间是否发生突变时，不妨先假设它们是没有突变的，再将两 层的轮廓环一一对应进行配对，然后只需对相对应的两个轮廓环进行比较，判断是否 发生突变。将两层间的轮廓环一一对应进行配对比较，可以判断是否突变同时极大减 少重复计算。现在我们可以按照下面的方法来确定轮廓环的一一对应关系。首先找出 各轮廓环的x 、y 坐标的最大最小值，将一组轮廓环中的环按照各自x 坐标的最小值 的大小排序，当某几个环的x 坐标最小值之差小于。时，再按照y 坐标的最小值大 华中科技大学硕士学位论文 小依次从d , n 大的顺序排序。这样两组轮廓环上的轮廓环就按照排列的顺序一一对应 了。之所以当某些轮廓环的x 坐标最小值之差小于。时要再以y 坐标的最小值的大 小排序，是为了排除如图2 3 所示的歧义情况，图中咖扣层的两个轮廓环r 0 0 和 r 0 1 的x 、y 坐标最小值分别为x m i n r 0 0 、y m i n o 、x m i n r 0 1 和y m i n l ，r i n 9 1 层的 两个轮廓环r 1 0 和r 11 的x 、y 坐标最小值分别为x m i n r l o 、y m i n o 、x m i n r ll 和 y m i n l ，其中四个轮廓环的x 、y 坐标最小值满足以下关系： x m i n r 0 0 x m i n r 0 1 ：x m i n r l l x m i n r l 0 ；x m i n r 0 1 - x m i n r 0 0 o ；x m i n r l 0 一 x m i n r l1 3 0 0 或a 2 ( h i ，h 2 ) 2 0 。 3 0 0al ( h 1 ，h 2 ) 1 0 0 或1 22 1 0 ，o u t l i n e ( h 1 ，h 2 ) 2 1 5 或o u t r i n 甙h 1 0 ，非特殊截面，实行常规 温控 其中，a i ( h 1 ，h 2 ) 、a 2 ( h 1 ，h 2 ) 、o u t l i n e ( h 1 ，h 2 ) 、o u t r i n g ( h 1 ，h 2 ) 分别为h l 、h 2 层切 片的面积差、轮廓范围( 二维) 坐标值差最大值、外环信息比较( 环数和范围) 等函 数。切片结束，铺粉完成后激光烧结前，温控系统先检测当前粉层温度，直到达到预 定目标值( 否则加强热升温) ，才开始下一步烧结制造。 2 3 温度控制稳定性研究 用下述模型描述粉末短时间内的加热( 4 ) ： 7 一t0 = k l f + 2 t 1 1 1 ) 其中，t0 起始点温度，t 为时间t 后测 量温度， ，t ，是系数，根据试验确定 当遇到特殊截面，强制加热开始。由( 1 1 ) 式知此时 温差较大( i 区，大于设定值2 0 以上) ，以2 5 s 的速度上升；当温度加热到一定程度，接近设定值 ( i i 区，大于3 而小于2 0 ) ，温度上升速度开始下 盅： 一一r j 7 o 、y c 弋：一 1 l 图2 1 2 温度控制稳定性 降，逐渐达到设定值；当温度达到设定值后( h i 区) ，只有一、两次超调，其幅值小 于2 c ，以后温度便在设定值稳定运行，上下调节偏差2 ，观察测量的温度和 温控调节情况如图2 1 2 所示，这一结果达到了工程设计要求。 2 4 应用效果分析 比较于原有控制方式，根据本文提供算 法制造的零件表面性能、尺寸精度、形状 精度等都得到较大提高。预热温度控制采 用常规控制和基于零件切片的控制方式分 8 常艇温度控制捌件效果 别得到的制件如图2 1 3 所示，二者翘曲量 见表5 。 可见，基于零件切片的预热温度控制系 一 统提高了制造的自动化和智能化，在节省 图2 1 3 不同温控方式下制件效果比较 02 曼，矿 2 = h ，2 ：擅 2 d 华中科技大学硕士学位论文 生产成本的同时提高了制件的尺寸和形状精度，用户反应良好。 但是，考虑到s l s 成形的材料有高分子、金属、陶瓷等，不同材料成形的预热温 度是不同的，相应的控制要求也会不同；同时，上述( 2 1 0 ) 式为一经验公式，还有 待经过大量实验的检验。这就进一步启发 我们可以用数学统计等方法得出不同材料 的最佳预热温度，使温度控制更好地随切 片信息变化而变化，以适应不同材料、不 同形体的制件需求：另外，还可以用专家 系统、神经网络等改进控制算法，从而使 s l s 工艺更加完善，使整个系统的性能更 加优越。 龋蕊鼢喘嚣”一” 肭撇r n 二盈 表2 5 平板翘曲量比较 占 l23 4 5678 a m , n 18 5 60 85 4 2 249ll47 b r a m0 2 o 60 2 0 50 3 0 40 107 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 基于w i n d o w sn t 的驱动程序开发 如果说硬件是系统的骨架，那么软件就是现代控制系统的核心。随着技术的进步 和用户对稳定性要求的提高，粉末烧结机原w i n 9 x 下的v x d 驱动程序因为运行稳定 性较差，并且不能充分的利用操作系统提供的资源，已不能胜任市场的需求，于是开 发基于n t 的设备驱动程序成为必然的选择。本章首先介绍了w i n d o w s 环境下控制系 统的特点及w i n d o w sn t 2 0 0 0 下设备驱动程序编程环境，然后阐述了s l s 系统控制 软件在w i n n t 2 0 0 0 下的实现方法。实践证明，较之于s l s 机原有v x d 设备驱动程 序，本文开发的n t 式设备驱动程序使用的稳定性、安全性、可靠性有很大的提高。 3 1 开发平台技术介绍 开放式数控系统是当前数控系统发展的主要趋势。对开放式数控系统的研究主要 是为了解决频繁变化的需求和控制系统专一的矛盾，从而建立一个可重构的平台，增 强数控系统的柔性和适应性 1 7 j 。 阻前的数控系统中利用的是通用的c p u ，它不能满足数控系统的实时性要求，如 插补、位置控制等，因此必须设计专用的芯片和硬件电路，从而导致各生产商设计自 己专用的软、硬件系统。这使得数控系统的开发成本高、可扩展性、可维护性和易用 性差、升级困难。随着p c 性价比的不断提高，发展基于p c 的数控系统成为研究的 重点 1 8 1 ；基于p c 机的数控系统有利于实现总线式、模块化、开放化的数控系统【1 9 1 。 目前基于p c 的数控系统中，软件平台多为d o s 和w i n d o w s 为主。d o s 允许用户直 接修改中断向量和访问硬件，这使得d o s 具有较强的实时性。可d o s 是单任务操作 系统，运行于实模式下，且程序受限于6 4 0 k 内存，对于3 2 位的c p u 实际上只能当 作1 6 位使用，不能充分利用现有的资源，而且操作界面单一化。又因为d o s 是单任 务的，当数控系统在运行某个进程时，就不能同时进行另外的操作，这种情况对数控 系统是极为不利的。因为通常数控系统在进行某些操作时，需要把当前系统的一些状 态及时地显示给用户，实现用户和系统底层间的信息交换，但对于单任务的d o s 系 统而言，几乎不可能做到不丢失信息。总之，用d o s 作为数控系统的软件平台，虽 然具有较强的实时性，但因为是一种单任务的系统，不能充分利用p c 机丰富的资 源，终将被多任务、有较强实时性和界面友好的操作系统所代替。 华中科技大学硕士学位论文 原有w i n9 x 系统虽然是多任务系统，但本质上仍然是基于d o s 的。原v x d 驱动 程序虽然也能实现各项控制任务，但其稳定性较差。并且中断是基于操作系统时钟 0 8 # 中断产生，当资源发生冲突( 如振镜与时钟中断抢占c p u ) 时，会产生意想不 到的情况，如零件扫描的某个区域丢失，当资源冲突严重，操作系统无法调解时，会 导致死机的发生，给生产带来不可估量的损失。 w i n d o w sn t 2 0 0 0 是一种多任务、抢占式、可重入的3 2 位操作系统，它能够在 多种硬件体系结构上运行，符合现代控制系统开放性的要求。w i n d o w s 实际上是基于 时间片轮转同时兼顾优先级的操作系统，因此它能快速响应某些高优先级的任务，又 同时保证优先级较低的任务在适当的时候( 如c p u 空闲时) 被得以执行。与d o s 相 比，w i n d o w s 提供更好的用户界面和编程接口 2 0 2 1 1 o 实时性是数控系统的首要的关键技术，但w i n d o w s 相对于v x w o r k s 、r t l i n u x 和q n x 等工业实时操作系统而言它是一个弱实时系统【捌。w i n d o w s 是一个通过截取 d o s 的0 8 h 中断来实现消息驱动的操作系统。在w i n d o w s 系统中当某个程序被执行 时，操作系统即为它创建了一个进程( p r o c e s s ) ，这个进程可以又可以创建多个线程 ( t h r e a d ，l i g h tp r o c e s s ) 。线程是w i n d o w s 系统中被调度的基本单位，进程作为线 程运行的环境如拥有内存空间，串行口等各种资源。每个线程都有一个完全不受其他 线程影响的消息队列，每当系统截获一个消息，就把该消息挂接到相应的队列，而线 程被执行时即可从该队列提取消息进行处理【4 ”。从消息的截获、挂接到此消息被处 理需要消耗一段较长的时间，所以这种机制并不适合数控系统强实时的要求。例如 w i n d o w s 提供的种系统定时器中断是1 8 2 次秒，即定时周期为5 4 9 5 毫秒。用户 可以设置一个定时器，系统每隔一定时间发一个w mt i m e r 消