選擇性激光燒結(SLS)成型設備控制系統(tǒng)設計

張 仟， 黨新安， 楊立軍

(陜西科技大學機電工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

計算機技術的飛速發(fā)展推動了數(shù)控技術的進步，許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商利用PC機豐富的軟硬件資源開發(fā)了開放式體系結構的新一代數(shù)控系統(tǒng).開放式數(shù)控系統(tǒng)具有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化網(wǎng)絡化發(fā)展[2].而在眾多開放式數(shù)控系統(tǒng)中，PC+數(shù)控功能板型是目前比較現(xiàn)實而有效的實施開放式數(shù)控系統(tǒng)的途徑，因此針對選擇性激光燒結成型的控制要求，采用PC+數(shù)控功能板型開放式控制方法，設計該設備合適的控制系統(tǒng)具有重要的應用價值.

1 控制系統(tǒng)硬件設計

激光燒結快速成型是由CAD造型轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶓w零件的過程，成型過程中計算機控制系統(tǒng)完成CAD幾何信息的接受和處理、加工指令的生成與傳輸、激光燒結成型過程的控制[3]等.在國外已出現(xiàn)的快速成型設備中，美國德州大學采用分布式控制，主機采用多用戶能力、標準網(wǎng)絡文件傳輸協(xié)議的UNIX操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)串行傳輸，仍為單機控制，這種串行化的控制方式有幾個明顯缺點：

(1)激光燒結快速成型時，在一臺計算機上先進行數(shù)據(jù)信息處理，完成后再進行成型加工.這種方式非常耗時，在CAD的STL文件調(diào)入后，往往需要幾個小時的處理時間才能開始成型加工.

(2)如果提高效率，必須增加計算機，從而增加了設備投資.

(3)當成型的零件較為復雜時，這種控制方式數(shù)據(jù)量大，對存儲容量有很高的要求.

針對以上問題，根據(jù)選擇性激光燒結快速成型工藝對計算機控制系統(tǒng)的要求，選擇性激光燒結快速成型控制系統(tǒng)采用基于工業(yè)PC機的單微處理器通用型控制結構.SLS成型控制系統(tǒng)硬件主要包括激光掃描控制單元、鋪粉控制單元、小鍵盤及限位開關編碼電路.激光掃描控制單元根據(jù)數(shù)控指令控制X，Y向伺服電機執(zhí)行激光掃描動作，鋪粉控制單元控制Z，U，V向步進電機實現(xiàn)鋪粉動作，其中Z,U向步進電機實現(xiàn)粉床的供粉動作，V向步進電機實現(xiàn)鋪粉滾筒的鋪粉動作.計算機根據(jù)數(shù)控指令控制激光開關，小鍵盤上的按鍵及限位開關由編碼電路統(tǒng)一編碼輸入計算機,其硬件結構如圖1所示.

圖1 選擇性激光燒結(SLS)成型設備控制系統(tǒng)硬件結構圖

圖2 選擇性激光燒結(SLS)成型設備控制系統(tǒng)軟件結構圖

為了方便地實現(xiàn)人機界面的開放化和個性化，采用實時控制由控制卡來承擔，IPC非實時處理的方式.這種系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)點：可共享計算機的所有資源，并且靈活性好、功能穩(wěn)定.

2 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)軟件協(xié)調(diào)管理整個數(shù)控系統(tǒng)，其主要工作有：激光開關控制及人機交互、數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換、成型裝置的運動控制.為提高成型系統(tǒng)的效率，SLS控制系統(tǒng)采用多任務處理機制.將其成型裝置的功能模塊分為兩個線程進行管理，即數(shù)據(jù)處理線程和加工控制線程.數(shù)據(jù)處理線程的作用在于接受STL文件，進行三維零件模型的分層切片處理，產(chǎn)生加工數(shù)控指令等.加工控制線程的主要功能是激光掃描控制、供粉和鋪粉操作、STL文件修補以及人機交互界面的管理[4]等.因為運動控制器本身都提供了運動控制函數(shù)庫 ，因此本系統(tǒng)通過下位機運動控制器所提供的運動控制函數(shù)庫，采用Visual C++6.0作為編程工具[5，6]，在后臺基于Windows操作系統(tǒng)的條件下開發(fā)控制系統(tǒng)應用軟件，其總體結構如圖2所示.

3 主控制界面

PC+數(shù)控功能板型開放式控制系統(tǒng)具有友好的人機交互能力和用較強的用戶交互界面，操作簡便.啟動系統(tǒng)控制軟件便可進入系統(tǒng)主控制界面.如圖3所示，在主控制界面上面有各軸的坐標跟蹤顯示，顯示各軸的實時位置狀態(tài).主控制界面中左半部為程序編輯區(qū)，該區(qū)用于輸入三維零件模型分層切片處理時產(chǎn)生的數(shù)控代碼指令.主控制界面右半部為圖形顯示區(qū)，顯示激光掃描當前零件層的界面軌跡.在主控制界面左下方還有錯誤信息區(qū)，顯示加工時的錯誤信息，便于數(shù)據(jù)的及時修復.當需要查看鋪粉狀況時，可以從主控制界面中打開料軸控制模塊，系統(tǒng)便自動切換進入鋪粉狀態(tài)模塊(如圖4所示)，從而可以實時查看鋪粉情況.

圖3 系統(tǒng)主控制界面

圖4 鋪粉狀態(tài)界面

4 結束語

本文以通用工業(yè)控制機為基礎操作平臺，采用PC+數(shù)控功能板型開放式控制方法，使控制系統(tǒng)具有友好的人機交互能力和上層應用系統(tǒng)集成能力.通過多次程序調(diào)試和運動測試，系統(tǒng)已經(jīng)達到了相對穩(wěn)定的狀態(tài)，為開發(fā)新型SLS控制系統(tǒng)奠定了基礎，同時基于PC+數(shù)控功能板型開放式運動控制系統(tǒng)的二次開發(fā)空間比較大.本控制系統(tǒng)以下幾點有待于進一步完善：(1)掃描方式不應只限于分區(qū)變向掃描，可針對不同成型零件采用適當?shù)膾呙璺绞?(2)充分利用面向?qū)ο蠹癕icrosoft技術進行軟件設計，盡量減少程序編制工作量.

參考文獻

[1] 楊曉京，任 偉.開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺的構建[J]．機床與液壓，2003，(6)：67-69．

[2] 王世寰，王永章，付云忠．開放式軟CNC發(fā)展趨勢及其體系結構的研究[J]．機床與液壓，2004，(2)：7-9.

[3] PMAC User Manual等各種使用手冊[R].

[4] 廖效果，朱啟逑.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1997.

[5] 孔 鵬．Visual C++6.0完全自學手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007：422．

[6] 黃維通．Visual C++面向?qū)ο笈c可視化程序設計[M]．北京：清華大學出版社，2006：98-102．