基于工控機(jī)的激光數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的研究*

何忠鍇，王 超，王 品,武 南

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所 高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽 110168；3.沈陽高精數(shù)控智能技術(shù)股份有限公司， 沈陽 110168)

基于工控機(jī)的激光數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的研究*

何忠鍇1,2，王 超2,3，王 品2,3,武 南3

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國科學(xué)院沈陽計算技術(shù)研究所 高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽 110168；3.沈陽高精數(shù)控智能技術(shù)股份有限公司， 沈陽 110168)

針對航空發(fā)動機(jī)微孔冷加工所需的超快激光數(shù)控機(jī)床設(shè)計了一種基于工控機(jī)的控制系統(tǒng)。文章采用工控機(jī)作為整個激光數(shù)控機(jī)床的主控制設(shè)備，將控制軟件運行于工控機(jī)上。控制軟件與工控機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)、協(xié)同控制單元等組成控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的主要控制任務(wù)包括：初始化激光器和復(fù)合光束掃描模塊、向數(shù)控系統(tǒng)傳送光束指向調(diào)整電機(jī)的位置信息、配置協(xié)同控制單元完成恒重疊螺旋掃描和非圓形面掃描控制等。控制系統(tǒng)還包含簡單的工藝數(shù)據(jù)庫同時實現(xiàn)對工藝數(shù)據(jù)庫的增、刪、改、查以及維護(hù)，并為整個激光數(shù)控機(jī)床提供簡單易操作的人機(jī)交互交界面。整個系統(tǒng)最終能達(dá)到機(jī)床的控制要求，滿足加工需求。

激光數(shù)控機(jī)床；工控機(jī)；控制軟件

0 引言

隨著激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展，激光加工以其靈活的加工方式、較快的加工速度以及加工材料浪費少、加工工件精度高等一系列優(yōu)點受到越來越多加工行業(yè)的青睞，特別是在機(jī)械制造、醫(yī)療器械、汽車、航空航天、電子電路等行業(yè)。激光加工技術(shù)通過與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，使其成為工業(yè)生產(chǎn)自動化關(guān)鍵技術(shù)[1]。激光數(shù)控機(jī)床以激光來取代傳統(tǒng)刀具進(jìn)行加工生產(chǎn)也將逐漸成為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢。目前，激光數(shù)控加工朝著智能化、開放化、精細(xì)化等趨勢發(fā)展，激光加工相關(guān)技術(shù)成為當(dāng)今激光加工產(chǎn)業(yè)研究的熱點問題[2，4]?；诖吮尘?，為了滿足國內(nèi)飛機(jī)發(fā)動機(jī)自主研發(fā)的迫切需要，進(jìn)一步開展對飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片等關(guān)鍵零件皮秒、飛秒激光無重鑄層微孔成形工藝及裝備關(guān)鍵技術(shù)研究。同時開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片等微孔成形數(shù)控機(jī)床。本文研究并設(shè)計了以工控機(jī)作為主控設(shè)備的航空發(fā)動機(jī)微孔冷加工超快激光數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)實現(xiàn)對機(jī)床中激光器、激光加工檢測部件、數(shù)控系統(tǒng)等設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，同時完成激光加工工藝的整理和存儲等工作?？刂葡到y(tǒng)還為整個機(jī)床提供人機(jī)交互界面，方便了操作人員操作。

1 系統(tǒng)概況

1.1 控制對象

激光數(shù)控機(jī)床是一個集合光、機(jī)、電、檢測于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，包含葉片類微孔加工機(jī)床和發(fā)動機(jī)火焰筒微孔加工機(jī)床兩部分。主要的控制對象包括：機(jī)床軸運動控制、聚焦微動伺服控制、機(jī)床IO控制、激光器功率監(jiān)測與控制、復(fù)合光束掃描模塊控制、光束指向監(jiān)測與調(diào)整控制、光學(xué)掃描頭切換伺服控制、終端監(jiān)測控制、恒重疊率螺旋掃描控制和非圓形面掃描加工控制、以及三維檢測輔助定位控制等。

1.2 控制系統(tǒng)功能及要求

控制系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)對激光器、激光加工檢測設(shè)備、數(shù)控系統(tǒng)等部件的協(xié)調(diào)控制同時完成激光加工工藝數(shù)據(jù)的整理和存儲。系統(tǒng)除了滿足上述功能外，還應(yīng)該滿足以下要求：

(1)可靠性高同時能滿足加工精度要求；

(2)具有友好的人機(jī)交互界面，便于操作和維護(hù)；

(3)擁有良好的實時性；

(4)有一定的可拓展性。

1.3 控制方案

根據(jù)控制對象的加工需要，整個控制包含：工控機(jī)控制部分、數(shù)控系統(tǒng)部分、協(xié)同控制單元部分、操作工作站部分等四部分[3]。其中工控機(jī)作為整個控制系統(tǒng)的主控制器，具體控制任務(wù)主要包括：初始化激光器和復(fù)合光束掃描模塊等、向數(shù)控系統(tǒng)傳送光束指向調(diào)整電機(jī)的位置信息、配置協(xié)同控制單元完成恒重疊螺旋掃描和非圓形面掃描控制功能等。數(shù)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個機(jī)床的軸運動控制、IO控制、光學(xué)掃描頭切換電機(jī)控制、指向調(diào)整電機(jī)控制、激光器安全控制以及接受工控機(jī)指令等。協(xié)同控制單元則主要用于接受工控機(jī)的指令控制完成對恒重疊螺旋掃描控制以及非圓形面掃描控制功能的實現(xiàn)。操作工作站作為人機(jī)交互的主要硬件接口，主要用于機(jī)床、各輔助功能模塊的啟動控制。

2 工作原理

工控機(jī)從工藝數(shù)據(jù)庫讀取加工參數(shù)對激光器和光束掃描系統(tǒng)進(jìn)行初始化(或者手動設(shè)置參數(shù)進(jìn)行初始化)，參數(shù)設(shè)定后，工控機(jī)根據(jù)加工參數(shù)向數(shù)控系統(tǒng)傳送光束指向調(diào)整電機(jī)的位置信息，數(shù)控系統(tǒng)接收到命令后控制指向調(diào)整模塊調(diào)整加工頭位置。同時通過焦距測量模塊獲得焦距信息并返回，然后通過數(shù)控系統(tǒng)傳給工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)返回的信息來判斷測量值是否在誤差范圍內(nèi)，如果不在則調(diào)整Z軸進(jìn)給量。各監(jiān)測模塊則通過對設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控來采集加工過程中各設(shè)備的加工數(shù)據(jù)和加工信息，并將這些信息返回給工控機(jī)，工控機(jī)通過分析作出判斷并對加工設(shè)備進(jìn)行實時調(diào)整，同時在人機(jī)交互界面以可視化方式顯示這些加工信息。

在圓形恒重疊率掃描螺旋加工時協(xié)同控制單元根據(jù)復(fù)合光束掃描模塊輸出的位置傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實時計算，并反算出當(dāng)前被掃描處應(yīng)具備的激光器輸出的重復(fù)頻率，通過激光器脈沖選擇功能實時調(diào)節(jié)激光器實際輸出的重復(fù)頻率，從而實現(xiàn)對加工的恒重疊率掃描螺旋加工優(yōu)化。對于非圓形面掃描加工則需要根據(jù)復(fù)合光束掃描模塊輸出的位置傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實時計算，并判斷當(dāng)前掃描位置是否在非圓形面內(nèi)部。當(dāng)處于內(nèi)部時打開激光器的GATE信號(開關(guān)控制信號)，反之則關(guān)閉，即可實現(xiàn)非圓形面乃至組合形面的加工[5-6]。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

激光數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的硬件主要以工控機(jī)作為控制核心，以數(shù)控系統(tǒng)和協(xié)同控制單元作為控制中間層，激光器、功率監(jiān)測、終端監(jiān)測、指向監(jiān)測、三維檢測輔助定位系統(tǒng)、光束掃描系統(tǒng)等則作為被控對象[7-9]，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

工控機(jī)在數(shù)據(jù)處理和保存方面相對于數(shù)控機(jī)有著巨大的優(yōu)勢，工控機(jī)作為主控制系統(tǒng)可保存各個監(jiān)測設(shè)備返回的監(jiān)測信息并且通過分析各監(jiān)測設(shè)備返回的信息來實時向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送控制命令。數(shù)控系統(tǒng)接收到命令后，根據(jù)工控機(jī)發(fā)送的參數(shù)要求來調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和角度，從而實現(xiàn)執(zhí)向調(diào)整和光路切換以及聚焦微動等功能[10-11]。

數(shù)控機(jī)采用多通道式分體結(jié)構(gòu)，共配置兩個通道，運動控制分別采用MⅢ總線和脈沖控制方式，IO和控制面板采用SSBⅢ總線通訊方式。數(shù)控機(jī)通過接受工控機(jī)發(fā)送來的加工位置信息和工藝數(shù)據(jù)信息來實現(xiàn)對各軸的位置控制和對IO的操作控制。

圖1 機(jī)床控制系統(tǒng)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

基于硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，因此整個機(jī)床控制軟件主要由工控機(jī)控制軟件和數(shù)控系統(tǒng)控制軟件兩部分組成[12]，其中工控機(jī)的系統(tǒng)軟件平臺選用Windows7操作系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)則采用實時Linux操作系統(tǒng)來確?？刂频膶崟r性，應(yīng)用軟件的人機(jī)交互界面都基于QT進(jìn)行開發(fā)，整個控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

軟件設(shè)計方案中工控機(jī)控制程序直接運行監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)用程序，同時對監(jiān)測和采集的信息進(jìn)行分析，然后根據(jù)需要存入數(shù)據(jù)庫或者發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。而數(shù)控系統(tǒng)軟件程序則接收工控機(jī)命令或者根據(jù)操作人員手動設(shè)置來對伺服電機(jī)運動進(jìn)行控制。相比于直接使用數(shù)控系統(tǒng)軟件來完成所有功能，這樣的軟件設(shè)計方案一方面可拓展性強(qiáng)，如果需要再添加新的模塊，可以直接開發(fā)基于Windows的應(yīng)用程序并將其運行于工控機(jī)上，另一方面工控機(jī)的處理速度和存儲能力要比數(shù)控機(jī)強(qiáng)，加快了加工過程中數(shù)據(jù)的處理速度。

4.1 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4.1.1 工控機(jī)軟件程序

運行于工控機(jī)上的軟件程序主要包含人機(jī)交互界面、工藝數(shù)據(jù)庫、三維測量軟件程序、指向監(jiān)測可執(zhí)行程序、終端監(jiān)測可執(zhí)行程序以及光束掃描系統(tǒng)程序等。這些應(yīng)用程序在Windows7操作系統(tǒng)上運用C++語言進(jìn)行開發(fā)，人機(jī)交互界面通過QT編程實現(xiàn)。

4.1.2 數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺與結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)軟件采用層次化結(jié)構(gòu)，其中HMU(人機(jī)交互單元)采用Linux、MCU(微控制單元)采用實時Linux，通信中間件實現(xiàn)HMU、MCU及相關(guān)單元間的數(shù)據(jù)通信，并支持相關(guān)功能的實現(xiàn)。人機(jī)界面實現(xiàn)多通道加工過程的顯示與操作，任務(wù)控制通過開發(fā)有限狀態(tài)機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)對多通道間的協(xié)調(diào)進(jìn)行管理，運動控制器與PLC控制器實現(xiàn)對運動軌跡及PLC的控制，應(yīng)用層及用戶行規(guī)實現(xiàn)對多總線的支持。具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)圖

4.2 控制系統(tǒng)軟件主要功能模塊實現(xiàn)

根據(jù)機(jī)床加工所需的功能要求，整個控制系統(tǒng)將主要實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)庫管理、焦距測量、三維測量、激光器控制、光路切換、四光楔掃描、振鏡掃描、終端監(jiān)測、指向調(diào)整、功率監(jiān)測等11部分功能。具體的控制系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

所有的功能模塊最終在人機(jī)交互界面進(jìn)行操作，以下將部分主要功能模塊的功能、工作流程和運行結(jié)果作簡要介紹：

(1)工藝數(shù)據(jù)庫管理

工藝數(shù)據(jù)庫管理模塊主要用于實現(xiàn)對以.xls為擴(kuò)展名存儲的數(shù)據(jù)表文件進(jìn)行操作，其中包括新建文件和刪除文件、對文件的重命名、自由選擇路徑導(dǎo)入文件等。具體可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)表文件中整條記錄的增、刪、改操作和對部分屬性進(jìn)行批量修改。修改后的文件既可以繼續(xù)保存到原系統(tǒng)路徑，也可以保存到系統(tǒng)中的任意路徑。部分功能模塊執(zhí)行后的結(jié)果也可以選擇保存到工藝數(shù)據(jù)庫。

(2)焦距測量

焦距測量模塊包括坐標(biāo)軸位置顯示、測量參數(shù)設(shè)定、測量結(jié)果記錄及狀態(tài)反饋、數(shù)據(jù)表操作等功能。坐標(biāo)位置顯示是通過人機(jī)交互界面顯示坐標(biāo)軸的實時位置。測量參數(shù)設(shè)定則主要是用來設(shè)定測量傳感器的位置偏移和Z軸允許的誤差值，設(shè)定完的誤差值可以保存在系統(tǒng)文件中。測量結(jié)果記錄主要反饋的是離焦距的距離值和焦距測量傳感器的狀態(tài)。數(shù)據(jù)表操作則主要是指用戶可以選擇其中某一行數(shù)據(jù)，然后在操作界面點擊開始自動測量按鈕，此時系統(tǒng)會從當(dāng)前選中行開始進(jìn)行連續(xù)測量，一直測量到該表格的最后一行數(shù)據(jù)為止，點擊停止自動測量按鈕可以隨時停止測量。焦距測量模塊工作流程如圖5所示。

圖5 焦距測量模塊工作流程圖

(3)三維測量

三維測量模塊在運行可執(zhí)行程序時會通過工控機(jī)向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送測量命令，數(shù)控系統(tǒng)則將當(dāng)前各軸位置發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)。同時，如果通過操作界面設(shè)定新的目標(biāo)位置，數(shù)控系統(tǒng)則通過比較目標(biāo)位置和當(dāng)前位置并調(diào)整各個軸的位置，使各個軸最終定位在新的坐標(biāo)位置。三維測量的具體工作流程如圖6所示。

圖6 三維測量模塊工作流程圖

(4)光路切換

光路切換模塊實現(xiàn)兩部分功能，分別是掃描頭切換的相關(guān)操作和狀態(tài)顯示、打穿監(jiān)測的相關(guān)操作和狀態(tài)顯示。兩部分功能的共同點是都能控制各自軸的運動方式和顯示當(dāng)前的電機(jī)狀態(tài)，不同的是掃描頭切換部分可以獲取四光楔掃描頭和振鏡掃描頭的當(dāng)前位置坐標(biāo)并可以修改和保存其位置信息，而掃描監(jiān)測部分則獲取打穿監(jiān)測初始位置并可以對初始位置進(jìn)行修改和保存。其包含具體功能如圖7所示。

圖7 光路切換模塊操作界面

(5)四光楔掃描

四光楔模塊分為自動模式和手動模式。自動模式下實現(xiàn)圓孔加工的默認(rèn)加工參數(shù)不可修改，但可以顯示當(dāng)前各個軸的位置信息和速度信息。手動模式下可以對位移旋轉(zhuǎn)軸、上偏旋轉(zhuǎn)軸、下偏旋轉(zhuǎn)軸、位移進(jìn)給軸的運行狀態(tài)進(jìn)行手動設(shè)置，具體包括各個軸的速度、轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)角。兩種模式下均包含狀態(tài)顯示，用于顯示各個軸的使能狀態(tài)、是否存在故障、是否允許位移進(jìn)給超過上限位和下限位等。自動模式操作界面如圖8所示。手動模式界面與自動模式操作界面類似。

圖8 四光楔掃描自動模式操作界面

(6)功率監(jiān)測

功率監(jiān)測模塊可以對激光器的輸出功率在一定時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可記錄1h時之內(nèi)的功率變化，超過1h圖像將重新刷新，并且可以計算出在一定周期內(nèi)功率的最大值和最小值以及功率的平均值，點擊此模塊操作界面的計算按鈕可以計算最終的功率值[13]。具體操作界面如圖9所示。

圖9 功率監(jiān)測模塊操作界面

5 結(jié)束語

本文采用工控機(jī)作為超快激光數(shù)控機(jī)床的控制核心，并結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)和協(xié)同控制單元構(gòu)成整體控制框架，整體控制結(jié)構(gòu)簡單明了，同時控制軟件部分采用模塊化設(shè)計，軟件結(jié)構(gòu)層次分明。整個系統(tǒng)借助工控機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，使加工過程中的運算效率和I/O速度得以提高，同時數(shù)控系統(tǒng)基于實時Linux系統(tǒng)開發(fā)而來，滿足了部分模塊的運行時的實時性需求。整個機(jī)床控制系統(tǒng)經(jīng)過前期測試運行，能夠很好的實現(xiàn)對激光器、激光加工檢測設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備、測量設(shè)備等的協(xié)調(diào)控制，最終達(dá)到機(jī)床控制要求，滿足企業(yè)的加工需求。整個研究和設(shè)計對以后有關(guān)激光數(shù)控機(jī)床的研究具有一定的參考價值。

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(編輯 李秀敏)

Research on the Control System of Laser Numerical Control Machine Tool Based on Industrial Computer

HE Zhong-kai1,2，WANG Chao2,3，WANG Pin2,3，WU Nan3

(1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.National Engineering Research Center for High-end CNC，Shenyang Institute of Computing Technology，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110168，China)

A control system based on industrial computer is designed for the ultra fast laser numerical control machine tool,which is needed for the aircraft engine micro hole machining. In this paper, industrial control computer is used as the main control device of the whole laser numerical control machine tool and the control software running on the computer. The whole control system consists of control software, industrial control, numerical control system, the coordinated control unit, etc.Its main tasks include:initialize the laser and composite beam scanning module,transfer the position information of the motor to the numerical control system,configuring cooperative control unit to complete the constant overlapping spiral scanning and non circular surface scanning control, etc. The control system contains a simple process database, which can achieve the process database's CRUD(create, read, update, delete) operations and database maintenance,and it also provides an easy to operate man-machine interactive interface for the laser numerical control machine tool. Eventually the whole system can meet machine control requirements and the demand of processing.

laser numerical control machine tool； IPC；control software

1001-2265(2017)02-0104-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.026

2016-05-17；

2016-06-23

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項航空發(fā)動機(jī)微孔冷加工超快激光數(shù)控機(jī)床(2014ZX04001041)

何忠鍇(1991—)，男，湖北黃岡人，中國科學(xué)院大學(xué)碩士研究生，研究方向為數(shù)控技術(shù)，(E-mail)hezhongkai14@163.com。

TH165;TG659

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