基于LinuxCNC數(shù)控系統(tǒng)和EtherCAT總線的復雜異型孔激光加工機床的開發(fā)與應用*

王 斌，茹浩磊，王云峰，陳曉曉，張?zhí)鞚?，張文?/p>

(1. 中國科學院大學，北京 100049; 2. 中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 315201)

0 引言

氣膜孔冷卻技術是20世紀50年代發(fā)展起來并在航空發(fā)動機上廣泛使用的一種主動冷卻技術，最初使用了直圓孔。美國GE公司等上世紀80年代中期開始使用冷卻效率更高的異型孔，孔的形狀經歷了從直圓孔、簡單異型孔到復雜異型孔的演變。通過使用先進的異型氣膜孔冷卻技術，GE公司已經將航空發(fā)動機的總體冷卻效率從1985年的約0.3提高到了2010年的0.6以上。由于未能突破復雜異型冷卻技術，我國航空發(fā)動機冷卻孔技術基本處于西方國家1985年的水平。目前國產新型發(fā)動機可靠性和總體性能提高的瓶頸之一就是先進氣膜冷卻孔制備技術[1]。

氣膜冷卻孔制備技術主要包括電火花加工、電解加工、激光加工等。其中，激光加工作為一種非接觸式的加工方式，具有快速、靈活、能量精密可控及對難加工材料的廣適性等特點，在航空發(fā)動機葉片多層復合結構的精密低損傷加工上具有獨特的優(yōu)勢。但由于高性能葉片是一個外形曲面、內腔復雜的結構，同時葉片高溫合金基體上需要涂覆TBC陶瓷涂層，要利用激光在復雜葉片上“先涂層后打孔”加工出高精度復雜異型孔，面臨著很多的技術挑戰(zhàn)，包括：①單臺激光器一次裝卡穿越高溫合金/TBC復合結構，實現(xiàn)多類材料單一工況的升華式加工；②大傾角(20°～60°)、大深度(2～6mm)、三維可控、精密低損傷加工；③復雜葉片的空間在線定位與校正[2]等。國內雖然對單晶高溫合金/TBC復合結構激光加工進行了大量工藝研究[3]，但這些問題尚未完全解決，而相關技術國外對中國嚴密封鎖，先進的孔加工設備也對中國嚴格出口限制。

為此亟需自主研發(fā)葉片級復雜異型孔的激光加工機床。本文將五軸聯(lián)動機械運動系統(tǒng)和二維掃描振鏡光學系統(tǒng)結合起來，進行機床整體方案、五軸運動系統(tǒng)、激光及光學系統(tǒng)、CCD視覺定位與自動聚焦系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件開發(fā)與集成等方面的設計，組成“5+2”軸的智能化激光加工機床。其中，五軸聯(lián)動機械運動系統(tǒng)用于實現(xiàn)工件待加工處的法向定位等宏觀空間運動，二維振鏡掃描系統(tǒng)結合機械Z軸焦點補償可以實現(xiàn)微小局部的高速逐層去除加工，宏微結合，實現(xiàn)復雜曲面工件上復雜異型氣膜冷卻孔的制備。

1 LinuxCNC數(shù)控系統(tǒng)和EtherCAT總線

傳統(tǒng)的激光加工機床多采用專用數(shù)控系統(tǒng)，這種數(shù)控系統(tǒng)由于采用封閉式結構模式，系統(tǒng)的擴展性和靈活性受到了限制，因此很難將工藝經驗、專用技術集成到控制系統(tǒng)中去，造成數(shù)控系統(tǒng)的很多功能閑置，且成本較高[4]。

LinuxCNC是用于通用數(shù)控機床及機器人等運動控制的開放式數(shù)控系統(tǒng)，最高支持9軸運動控制，是一款開放源代碼的免費軟件。與目前常見的高度集成化的數(shù)控方案相比[5]，使用LinuxCNC的數(shù)控方案具有更好的通用性，可拓展的空間廣泛。LinuxCNC在具有RTAI或Preempt-RT實時內核的Linux操作系統(tǒng)上運行，由運動控制(EMCMOT)、I/O控制(EMCIO)、任務調度(EMCTASK)、交互界面(GUI)、硬件抽象層(HAL)等模塊構成。LinuxCNC的代碼成熟穩(wěn)定，各模塊獨立設計，方便進行二次開發(fā)。

EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)是由德國自動控制公司Beckhoff(倍福)開發(fā)的一種工業(yè)以太網(wǎng)技術，具備高性能、低成本、應用簡易等優(yōu)點，可以有效的降低成本和應用難度，在現(xiàn)代控制領域中得到了廣泛的應用[6]。EtherCAT可在30μs內處理1000個分布式I/O，可在單個以太網(wǎng)幀中最多實現(xiàn)1486字節(jié)的分布式過程數(shù)據(jù)通訊，相當于12000個數(shù)字量輸入或輸出[7]，網(wǎng)絡規(guī)模幾乎無限，可實現(xiàn)最佳縱向集成。

通過將IgH EtherCAT Master提供的應用接口封裝為LinuxCNC HAL下的實時組件，即可實現(xiàn)LinuxCNC對EtherCAT驅動的動態(tài)加載。

2 掃描振鏡高速掃描技術

掃描振鏡的工作原理是，當輸入一個位置信號時，裝有鏡片的擺動電機(振鏡)就會按一定電壓與角度的轉換比例擺動一定角度，擺動電機的動作過程采用閉環(huán)反饋控制。因此，入射的激光束被可以沿軸高速擺動的x軸和y軸振鏡片反射，然后通過一片平場透鏡聚焦，通過控制振鏡擺動角度，即達到改變激光光束路徑的目的。

與機械運動軸相比，掃描振鏡的掃描速度快，可以解決機械軸運動的慣性加速減速問題，特別適合小范圍的高速掃描，如1mm范圍內實現(xiàn)500mm/s以上的掃描速度，大于10mm則可以實現(xiàn)10m/s的掃描速度。目前掃描振鏡已經成為激光加工中一項非常重要的工具。其市場已經從傳統(tǒng)打標和快速成型的應用范圍擴展到多個領域的激光材料加工，包括刻蝕、切割、焊接、表面處理等應用。

3 機床設計與集成

3.1 整體方案設計

整個激光加工機床由五軸精密運動系統(tǒng)、激光與光學系統(tǒng)、CCD視覺定位與自動聚焦系統(tǒng)、機床控制系統(tǒng)、人機交互界面以及其它輔助系統(tǒng)構成，總系統(tǒng)結構框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

3.2 5軸運動系統(tǒng)設計

5軸精密運動系統(tǒng)包括X、Y、Z三軸直線運動模組、A軸和C軸兩個旋轉運動模組等。其中X、Y、Z三軸運動模組將采用龍門式結構。為了獲得有效的隔震效果，底座、橫梁、立柱和導軌基座均采用天然花崗巖經人工打磨制作，其中X軸、Y軸模組均采用直線電機，導軌采用高精密導軌。為防止Z軸在失電情況下，由于重力原因產生自動下滑的現(xiàn)象，造成設備的損壞，Z軸模塊采用抱閘電機直聯(lián)高精密滾珠絲桿傳動。為了提高5軸的定位精度和運動精度，在各模塊中安裝絕對值光柵編碼器，形成閉環(huán)控制。為保證旋轉軸的旋轉精度和實時控制，A軸和C軸均采用力距電機并配絕對值圓光柵，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

該龍門式結構跨度為1300mm，高度為1000mm，X軸有效行程為500mm，設計重復定位精度為±5μm，最大速度1m/s；Y軸有效行程為500mm，設計重復定位精度為±5μm，最大速度1m/s；Z軸有效行程為300mm，設計重復定位精度為±10μm，最大速度200mm/s。A軸旋轉角度為±92°，設計重復定位精度10arcsec；C軸旋轉角度為360°，設計重復定位精度10arcsec，5軸精密運動系統(tǒng)結構圖見圖2。

圖2 5軸精密運動系統(tǒng)結構圖

3.3 激光及光學系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)包括激光器、導光系統(tǒng)以及掃描振鏡。其中，激光器選用高功率50瓦級皮秒激光器，波長532nm，脈寬10ps，重復頻率100kHz～2MHz，最大平均功率53.6W@200kHz，最大單脈沖能量267.9μJ@200kHz，能實現(xiàn)高溫合金、單晶金屬、陶瓷材料、陶瓷基復合材料等難加工材料高速低損傷的升華式去除加工。

采用反射鏡來進行導光。光學元件安裝在固定件上形成反射鏡組，再將整個反射鏡組固定到機床合適位置。通過調節(jié)螺母的微調來校正反射鏡，使激光束能精準的導入到掃描振鏡內，并且最后一個反射鏡與前一個反射鏡之間的光束與掃描振鏡Z向運動方向高度平行，這個設計保證了當掃描振鏡在Z軸的上下移動時不影響激光束的光路，也解決了加工中焦距的實時補償問題。

本系統(tǒng)采用德國RAYLASE SS-IIE-15掃描振鏡來實現(xiàn)小范圍的高速掃描，其掃描速度435cps(每秒轉速)，位置跳轉速度7m/s?？梢詫崿F(xiàn)高重復頻率激光的光斑重疊率控制，這為控制激光加工熱累積效應提供了必要條件。

3.4 CCD視覺定位與自動聚焦系統(tǒng)設計

由于激光精密加工對焦點位置非常敏感，必須保證激光始終聚焦在待加工的表面，因此在復雜曲面結構件上加工需要建立一套自動聚焦系統(tǒng)，以實現(xiàn)曲面的焦點自動跟隨。

如圖3所示，本文結合激光精密自動測距技術與CCD視覺定位，建立一套自動聚焦系統(tǒng)，驅動機械運動軸實現(xiàn)曲面的焦點自動跟隨。利用CCD視覺系統(tǒng)檢測工件的定位特征點，獲取工件空間位置信息，然后比對工件CAD模型的定位特征點，校正工件位姿，最后通過激光測距傳感器在加工位置周邊采集3點位置擬合出法線方向，并把相關信息傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，完成每個加工點的空間定位。

圖3 CCD視覺定位及激光測距系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)需要，本文采用大恒工業(yè)攝像頭MER-1070-14U3M，配合DH-WWH20-110AT遠心工業(yè)鏡頭對工件待加工位置進行視覺定位。采用基恩士LK-H150激光測距傳感器精密測量傳感器到加工點的距離，其主要參數(shù)：工作距離150mm，測量范圍±40mm，重復定位精度0.25μm。

3.5 控制系統(tǒng)設計

本文設計的“5+2”軸激光加工機床電氣控制框圖如圖4所示。采用集成開源IgH EtherCAT master的低功耗工控機(Intel J1900、4G內存、240G SSD)作為EtherCAT主站，采用支持EtherCAT總線的直線電機、伺服電機驅動器和支持EtherCAT總線的倍福EK1100耦合器作為EtherCAT從站。倍福EK1100耦合器再通過內部的E-bus接口和EL1008數(shù)字量輸入模塊、EL2008數(shù)字量輸出模塊相連。

圖4 “5+2”軸激光加工機床電氣控制框圖

同時，工控機運行LinuxCNC數(shù)控軟件，完成各個軸控制量的計算，通過EtherCAT現(xiàn)場總線，可以實現(xiàn)LinuxCNC和直線電機、伺服電機驅動器、I/O輸入輸出模塊之間的通訊。在用戶將G代碼輸入到LinuxCNC中后，LinuxCNC中的RS-274/NGC解釋器會將G代碼解釋成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的數(shù)據(jù)塊；這些數(shù)據(jù)塊會通過LinuxCNC中的硬件抽象層(HAL)傳遞到EtherCAT主站系統(tǒng)；之后EtherCAT主站將數(shù)據(jù)塊以EtherCAT幀的形式發(fā)送至EtherCAT從站并最終驅動執(zhí)行元件。

另外，用于控制掃描振鏡動作的掃描振鏡控制板卡通過USB通訊接口和工控機相連，用于設置激光器頻率、能量等參數(shù)的激光器驅動電源通過RS232通訊接口和工控機相連。掃描振鏡控制板卡還通過I/O接口和激光器驅動電源相連，通過調節(jié)PWM頻率和模擬量電壓大小，可以在加工時根據(jù)工藝需要實時改變激光器的頻率和能量等參數(shù)。CCD工業(yè)攝像頭通過USB3.0接口和工控機相連，激光測距傳感器則通過RS232通訊接口和工控機相連。

為了實現(xiàn)對掃描振鏡x和y兩個方向的運動控制和激光的實時同步控制，系統(tǒng)將采用基于USB2.0高速模式通訊接口的掃描振鏡實時控制卡。其以大規(guī)模可編程邏輯陣列FPGA為基礎，采用大規(guī)模集成電路和多層電路板結構以及精簡的控制算法，獨立地保存和處理主機的命令，傳輸速度達到25Mbps，滿足激光加工對掃描振鏡的實時控制要求。

3.6 軟件開發(fā)與集成設計

本系統(tǒng)軟件功能主要包括運動控制、I/O信號控制、激光測距信號采集、CCD圖像顯示、掃描振鏡控制、激光器控制等功能。考慮到軟件開發(fā)的周期與難度，本系統(tǒng)采用模塊化設計方法，各功能軟件獨立運行又可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸，同時可以增加開發(fā)新的功能[8]。這若干個相對獨立的軟件分別為：運動數(shù)控軟件、圖像顯示軟件、掃描振鏡控制軟件和激光器參數(shù)設置軟件。其中圖像顯示軟件使用大恒圖像提供的linux SDK：Galaxy X86 Linux SDK For DAHENG GigE & USB3 Cameras，通過該軟件來采集CCD實時信號并顯示圖像。掃描振鏡控制軟件則使用EZCAD2.7.6，并可進行二次開發(fā)。激光器參數(shù)設置軟件由激光器廠家提供。

運動數(shù)控軟件采用LinuxCNC開源程序作為基礎，是整個系統(tǒng)軟件開發(fā)的核心內容,其構架上分為4部分：運動控制模塊、輸入輸出部分、圖形交互界面和任務控制模塊。運動控制模塊為一個實時模塊，能從系統(tǒng)底層TASK任務中接收運動指令，實現(xiàn)運動軸軌跡規(guī)劃、正/逆動力學運算完成指定軸的指令速度位置解析計算。同時，系統(tǒng)也將實時地把運動Motion的狀態(tài)反饋給系統(tǒng)任務TASK。輸入輸出部分主要用來處理急停、電磁閥和噴氣裝置等一些輔助的I/O控制，任務調用周期循環(huán)，TASK負責接收I/O命令后，再經過HAL定義腳輸出I/O的信號控制，從HAL的驅動中讀取驅動的反饋I/O狀態(tài)，把實時信息反饋給任務TASK[9]。本文通過配置系統(tǒng)調用INI文件和硬件抽象層HAL文件，同時采用跨平臺語言Python為主要開發(fā)語言、C語言為用戶模塊編寫語言、Qt語言為圖形庫，開發(fā)具有自主知識產權的用戶界面，實現(xiàn)五軸聯(lián)動控制、加工軌跡實時顯示、JOG和NC模式切換、機床與用戶坐標系設定、加工參數(shù)的設定與實時調整、自定義擴展I/O、激光測距傳感器的數(shù)據(jù)采集及顯示、機械運動與激光控制交互等功能。

另外，由于集成的掃描振鏡控制軟件和激光器參數(shù)設置軟件需要運行在Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下。本文采用在Linux操作系統(tǒng)中安裝VMware Workstation虛擬機程序，在虛擬機中運行Windows操作系統(tǒng)，分配一個CPU核心、2G內存和120G硬盤空間供其使用，將需要Windows環(huán)境的控制軟件移植到Linux環(huán)境下使用，因此只需要一臺工控PC機便可以完成所有軟件控制參數(shù)的操作。如圖5所示。

(a) 5軸運動數(shù)控軟件界面

(b) 掃描振鏡控制軟件界面 圖5 “5+2”軸機床集成的部分軟件界面

4 設備性能與加工試驗

4.1 機床重復定位精度

采用Agilent E1733A激光干涉儀對激光加工機床的重復定位精度進行測定，結果顯示，該機床的直線軸重復定位精度均在5μm以內，旋轉軸的重復定位精度在5arcsec以內，達到預定指標要求，如圖6和表1所示。

圖6 激光干涉儀測得的X軸原始數(shù)據(jù)圖

表1 激光加工機床各軸重復定位精度數(shù)據(jù)

4.2 異型孔激光加工試驗

如圖7所示，利用搭建完成的激光加工機床在鋁合金材質的燃燒室火焰筒內外環(huán)模擬件上加工傾斜30°的復雜異型氣膜冷卻孔陣列，加工效果好，效率高，單孔加工時間2.5min，如圖8所示。用基恩士共聚焦顯微鏡VK-X210對單孔質量進行測量分析，如圖9所示，得到進氣端圓孔直徑0.573mm，異型孔內壁粗糙度2.704μm，滿足加工指標要求。如圖10所示，異型孔異型部分長度2793μm、深度1093μm，與異型孔設計模型的尺寸偏差也在公差要求范圍內。

(a) 激光加工機床 (b) 模擬件 圖7 5軸聯(lián)動激光加工機床和燃燒室火焰筒模擬件

(a) 氣膜孔出氣端 (b) 氣膜孔進氣端 圖8 在燃燒室火焰筒模擬件復雜曲面上激光加工的異型氣膜孔陣列

圖9 異型氣膜孔進氣端圓孔直徑測量

圖10 異型氣膜孔出氣端形貌

5 結論

本文基于LinuxCNC開源數(shù)控系統(tǒng)和EtherCAT通訊總線技術，結合五軸機械運動系統(tǒng)和二軸掃描振鏡光學運動系統(tǒng)，開發(fā)了一種航空發(fā)動機渦輪葉片復雜異型氣膜冷卻孔加工用的“5+2”軸激光加工機床。試驗結果表明，該機床技術指標達到設計要求，可實現(xiàn)復雜曲面結構上異型氣膜冷卻孔的低損傷制備，加工指標符合要求。