激光快速成形系统控制模块的研发与实现

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激光直接决速成形技术是在 80年代末期出现的快速原型技术的基础上结合同步送料激光熔覆技术所发展起来的-项先进制造技术，它利用高能激光束局部熔化金属表面形成熔池，同时将金属原材料同步送人熔池而形成与基体金属冶金结合且稀释率很低的新金属层，加工过程中采用数控系统控制工作台根据 CAD模型给定的路径往复扫描，便可在沉积基板二逐线、逐层地熔覆堆积出任意形状的功能性j维金属实体零件或仅需少量精加工的近形件，其实质是计算机控制下的 维激光熔 。它的出现给装备制造业带来了全新的技术理念。该技术融合了CAD、激光加工、材料科学、数控加工等相关领域的关键技术，以离散堆积”为成形理念，能够在无工模具的情况下由计算机驱动直接沉积成形金属零件，因此，在很大程度上节省了制造周期和开销。应该说，激光熔覆直接 速制造技术是陕速成形技术的进-步发展，它将现有盼陕速成形技术推进到直接成形全密度高强度功能性金属零件的新高度，是 1j基成形基本原理和激光加工技术精华的集成 。研究激光直接决速成形技术的首要任务是研究并设计出-套功能齐全、运行可靠的金属零件激光成形系统，掌握金属零件激光成形总体设计技术及系统集成技术。根据金属零件激光成形系统的功能需求，研究了系统的集成技术并且设计了系统控制软件。编写了基于 Windows的单机型实时控制程序，使各个组成拈在工控计算机的统-指令下完成协同运动，实现自动化程度较高的金属零件激光直接快速成形全部过程，从而制造出全密度金属功能近形零件。

2成形系统计算机控制拈激光直接快速成形的系统示意图，如图 1所示。按照拈化设计思想，金属零件激光快速成形系统主要包括四个组成拈：激光能量供给拈、运动控制拈、金属粉末送给拈和计算机控制拈。每个拈各自执行特定的功能，但却彼此相互协调来统-完成快速成形任务。

来稿日期：2012-09-12作者简介：李妙妍，(1979-)，女，讲师，硕士，主要研究方向：无线网络通信 、先进制造技术、Web技术及应用No.7July.2013 机械 设 计 与制 造 l13槽中。温度信号的采集是通过工控机串口来实现的，采用量程为(0～lOOO)℃的 10支热电偶组以及台湾研华公司生产的ADAM-4018型信号采集器和 ADAM-4520型光电隔离转换器。激光功率的采集也是通过工控机串口来实现的，实时采集到的激光功率值用于与目标功率值进行比较，实现激光功率的恒定调节。红外热像仪热成像信号通过插入工控机-个 ISA插槽内的图像采集卡进行采集，通过相应的处理软件拈进行成像处理。

22控制拈软件结构金属零件激光成形机系统的零件制造过程可全 自动完成 ，整个过程不需要人工干预。软件系统是金属零件激光成形系统计算机控制拈的重要组成部分，软件的性能和效率将直接影响整个控制拈的性能，因此必须在正确的软件工程思想的指导下，才有可能开发出性能可靠、功能完备的控制软件。通过对控制软件功能需求的分析，并结合金属零件激光成形的工艺特点和控制拈硬件特点，对控制软件的功能和结构进行了设计，系统的软件功能结构图，如图4所示。

图4激光成形系统控制拈软件结构Fig.4 Laser Forming System Control Module Software Structure软件系统的中心任务就是全面控制金属零件激光成形机系统，保证零件成形加工运动过程自动完成。与成形加工运动过程最直接相关的是运动控制卡的初始化操作、CLI文件的读取以及成形加工参数设定。运动控制卡初始化之前要正确配置控制卡的各轴参数，参数的确定要依据硬件系统的结构，-旦正确输入之后，保存成文件，-般不需要再改动。而运动控制卡的初始化操作则是在每次运行软件的同时都要进行的操作，否则系统无法运动。CLI文件记录了零件的分层信息以及每-分层的轮廓线以及填充线信息，该数据文件是成形加工运动路线依据，决定成形的零件形状。成形加工参数是成形加工运动的又-个重要参数组合，它包括粉末输送量、扫描间距值、第-层的初始 z轴位置、扫描运动速度、快送进给运动速度等等，这些参数是通过大量工艺实验来获得的。

与成形加工运动过程密切相关的还有成形温度监控、激光功率监控以及成形过程监控等监控拈。成形温度监控可以实时监控成形零件熔池的温度、形状以及成形零件整体的温度梯度变化情况。激光功率监控可使激光输出功率相对稳定在-个很小的变化范围内。成形过程监控可以实时检测成形过程中的各种状态信息，同时还具有故障诊断、加工参数存储、断电保护等功能。除此之外，金属零件激光成形系统控制拈还具有许多辅助功能操作，比如系统功能状态的检测、粉末喷嘴位置精调、基本形状加工测试、辅助运动等等。这些功能对系统的正常运行、成形工艺试验、精确调整系统等方面也起到非常重要的作用。软件操作界面，如图5所示。

层面仿真显示区图5激光成形系统计算机控制软件界面Fig.5 Laser Form ing System Computer Control Software Interface3结论激光直接决速成形是继数控技术之后，出现的-项对于装备制造业影响意义深远的先进制造技术，而发展和应用该技术的首要前提是开发出合适的成形系统与设备。由于该技术的高度集成化、智能化与自动化，计算机控制拈成为成形系统中的最关键部分，该拈使数控工作台、光闸、送粉器、PCI-1240运动控制卡等交互作用在-起，因此可以通过计算机编程来实现沉积区域和扫描模式、粉末流量和化学成分等的自由控制。激光成形系统计算机控制拈的高度柔性和自动化使得金属零件成形过程的操作与运转简单易行。计算机控制拈由两部分组成：软件部分和硬件部分。硬件结构主要由工控计算机、电机、运动控制卡组成，它们共同构成了整体外部框架，并由软件结构驱动。软件结构表现为带有图形用户界面的系统应用程序，可以指示系统组成拈合作完成运动和自由调节工艺参数，以此实现成形系统的自动化与智能化。硬件部分和软件部分相互作用、彼此协调，使得成形过程快速灵活、便于实现。