高性能激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí) 云，王聯(lián)鳳，侍 倩，侯春杰，楊 洋

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

金屬激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)是增材制造領(lǐng)域的一種關(guān)鍵技術(shù)，利用“分層-疊加”的增材制造的方式，首先用計(jì)算機(jī)將物體模型化，然后，利用SLM設(shè)備按照預(yù)設(shè)好的流程將原材料分層加工，逐層增加材料。金屬增材制造技術(shù)是整個(gè)增材制造體系中最為前沿和最具潛力的技術(shù)，正逐步從研發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)化生成，而SLM金屬增材制造技術(shù)是目前領(lǐng)域內(nèi)最先進(jìn)、精度最高的金屬增材制造技術(shù)，技術(shù)能采用多種金屬粉末直接成型相對(duì)密度接近100%、具有良好尺寸精度及表面粗糙度的金屬零件，因而引起了廣泛的關(guān)注。

SLM技術(shù)成形過程中易產(chǎn)生孔隙、變形、球化、裂紋等缺陷，影響SLM成形效果的影響因素達(dá)到非常多，工藝較難控制；而SLM設(shè)備的性能和穩(wěn)定性是決定SLM成形質(zhì)量的根本因素，SLM設(shè)備的性能主要體現(xiàn)在光路系統(tǒng)質(zhì)量、鋪粉平整度和精度、成形腔氣氛環(huán)境等。

當(dāng)前在S LM裝備研發(fā)方面，德國EOS、SLM Solution等眾多國外公司已成功研發(fā)了多種型號(hào)穩(wěn)定可靠的SLM設(shè)備，部分對(duì)中國實(shí)行禁運(yùn)；國內(nèi)SLM設(shè)備在型號(hào)種類、穩(wěn)定性、打印質(zhì)量等方面，與國外相比還存在很大的差距，亟需自主開發(fā)增材制造設(shè)備，突破高精高效鋪粉技術(shù)、高可靠氣氛控制技術(shù)和高性能人性化軟件開發(fā)技術(shù)等，提高我國增材制造技術(shù)整體水平。

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高精高效和高穩(wěn)定性控制，本文根據(jù)系統(tǒng)高速高精度技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合開放式、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了基于倍福高性能、全軟件式的數(shù)字嵌入式控制器的激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備控制方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制、工作氣氛控制、激光掃描振鏡系統(tǒng)控制及邏輯控制；并利用QT軟件平臺(tái)，開發(fā)實(shí)用、多功能集成的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定高效控制和自檢測自診斷。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)組成及各部分功能介紹

激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備控制系統(tǒng)主要由人機(jī)界面模塊、工業(yè)PC模塊、運(yùn)動(dòng)邏輯控制模塊、激光振鏡掃描模塊和氣氛控制模塊構(gòu)成。其中人機(jī)界面主要負(fù)責(zé)用戶的輸入、實(shí)現(xiàn)切片文件的解析、狀態(tài)顯示和設(shè)備自檢測和自診斷功能；工業(yè)PC模塊采用倍福高性能嵌入式控制器，主要負(fù)責(zé)設(shè)備運(yùn)動(dòng)和邏輯控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算、氣氛控制算法、監(jiān)控、實(shí)時(shí)通訊等任務(wù)；運(yùn)動(dòng)邏輯控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)成型缸和鋪粉軸電機(jī)的協(xié)調(diào)控制和邏輯控制；激光振鏡掃描模塊，采用德國Scanlab公司的PCI RTC4板卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描振鏡的控制；氣氛控制模塊主要對(duì)成形腔中的氧含量進(jìn)行控制，確保氧含量在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

工業(yè)PC 和IO 從站模塊、驅(qū)動(dòng)模塊之間采用EtherCAT通訊，EtherCAT是開放的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，具有實(shí)時(shí)高效性、硬件的依賴性小、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的適用性廣等特點(diǎn)。

人機(jī)界面和倍?？刂破髦g采用異步ADS協(xié)議通訊，不會(huì)造成系統(tǒng)堵塞，通訊效率高。

1.2 運(yùn)動(dòng)邏輯控制模塊

運(yùn)動(dòng)邏輯控制模塊主要包括伺服驅(qū)動(dòng)單元、IO從站、限位開關(guān)和急停等，采用強(qiáng)實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)EtherCAT作為現(xiàn)場總線，實(shí)現(xiàn)高精度多軸協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)鋪粉的高精度、高平整度控制和故障報(bào)警。其中伺服驅(qū)動(dòng)器選擇具有EtherCAT通訊接口方式的松下的高精度伺服驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)時(shí)接收控制器發(fā)送的控制指令，同時(shí)將當(dāng)前電機(jī)位置、速度、扭矩等現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋給控制器。I/O從站負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、緊急停車、常規(guī)數(shù)字量IO等外部邏輯運(yùn)算操作。

圖2 運(yùn)動(dòng)邏輯控制硬件框圖

1.3 氣氛控制模塊

氣氛控制模塊主要包括數(shù)字IO模塊、模擬IO模塊、模擬量輸出模塊、真空泵、電磁閥、壓力傳感器、氧傳感器、變頻器和鼓風(fēng)機(jī)。本文采用正壓控制策略，采取抽真空+充排氣式流程控制，整個(gè)過程中真空泵只需工作一次，在最開始的時(shí)候?qū)υO(shè)備進(jìn)行抽真空充氬氣，然后只需通過不斷地開啟或閉合電磁閥來實(shí)現(xiàn)設(shè)備腔內(nèi)氣體的置換，在打印的過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測氧含量，當(dāng)氧含量過高時(shí)，打開充氬氣電磁閥，往里充氬氣，充至腔內(nèi)高于腔外17mBar，由于氬氣密度要大于空氣密度，這樣氬氣沉在底部就會(huì)將空氣擠到上面，此時(shí)再打開出氣電磁閥，將頂部的混合氣體排出去，通過這樣不斷地充排氣過程，直至氧含量符合打印要求。充排氣式流程控制所采取的是正壓控制方法，可以使設(shè)備腔內(nèi)一直維持正壓以上，控制穩(wěn)定性更好。

圖3 成形腔氣氛控制硬件框圖

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)選擇倍福TwinCAT3作為開發(fā)軟件，操作系統(tǒng)采用裁剪的Windows操作系統(tǒng)。CPU時(shí)間片段可細(xì)分到50us級(jí)，滿足實(shí)時(shí)控制的要求。人機(jī)界面系統(tǒng)采用QT軟件開發(fā)。

根據(jù)上述系統(tǒng)構(gòu)成的介紹，此激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備的控制軟件包括運(yùn)動(dòng)控制、光路控制、氣氛控制、報(bào)警處理、專家權(quán)限等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部切片處理軟件生成的.aff文件的解析和打印制作，及對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖如圖所示。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，程序模塊主要包括人機(jī)界面模塊、管理模塊、激光振鏡控制模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、文件讀取和解析模塊、打印作件模塊、自動(dòng)打印模塊、氣氛控制模塊、參數(shù)讀寫和報(bào)存模塊等。各個(gè)模塊之間主要通過動(dòng)態(tài)鏈接庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)，降低軟件模塊之間的耦合程度，提高程序的可擴(kuò)展性和維護(hù)性。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

程序中人機(jī)交互界面主要負(fù)責(zé)接收用戶輸入，顯示系統(tǒng)輸出，負(fù)責(zé)其他模塊功能的協(xié)調(diào)調(diào)研，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)等；管理模塊主要是程序內(nèi)部驅(qū)動(dòng)模塊與界面模塊的橋梁，實(shí)現(xiàn)設(shè)備所有動(dòng)作命令的指令解析及發(fā)送；激光振鏡控制模塊負(fù)責(zé)激光和振鏡的驅(qū)動(dòng)功能，接收上層指令，反饋激光振鏡狀態(tài)，負(fù)責(zé)激光的通斷、激光功率、掃描速度等參數(shù)的設(shè)置；運(yùn)動(dòng)控制模塊主要負(fù)責(zé)和TwinCAT3軟件進(jìn)行通信，發(fā)送指令并接收TwinCAT3的反饋，直接控制著各個(gè)電機(jī)的啟停、復(fù)位和各參數(shù)設(shè)置；文件數(shù)據(jù)讀取模塊負(fù)責(zé)讀取和解析外部的.aff格式文件，并存放在內(nèi)存中，以備打印作件模塊的調(diào)用；打印作件模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)在打印零件過程中，對(duì)切層文件解析，按照解析數(shù)據(jù)來控制設(shè)備的電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、激光振鏡系統(tǒng)，并反饋打印狀態(tài)，逐層打印直到全部完成；自動(dòng)打印模塊負(fù)責(zé)設(shè)備的一鍵自動(dòng)打印，即在設(shè)備氣氛滿足打印條件后，自動(dòng)讀取打印文件，進(jìn)行打印直到完成打??；氣氛控制模塊負(fù)責(zé)設(shè)備氣氛的控制，與TwinCAT3軟件進(jìn)行通訊，發(fā)送指令和接收反饋結(jié)果，直接控制著真空泵、變頻器、電磁閥的通斷，即氧含量、壓力等參數(shù)的設(shè)置和實(shí)時(shí)界面顯示；參數(shù)讀寫和保存模塊負(fù)責(zé)參數(shù)文件的讀取和參數(shù)修改后的保存。

3 結(jié)語

本文根據(jù)系統(tǒng)高速高精度技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合開放式、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，基于倍?？偩€開放式數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，提供編程接口，實(shí)現(xiàn)了滿足各功能模塊的自定義，繼而設(shè)計(jì)了一套滿足激光選區(qū)熔化增材制造設(shè)備控制功能的個(gè)性化控制系統(tǒng)。在硬件系統(tǒng)上，倍福工業(yè)控制器配置TwinCAT3，具有強(qiáng)大的快速運(yùn)算處理和高精度控制能力；選擇工業(yè)網(wǎng)EtherCAT作為現(xiàn)場總線，實(shí)時(shí)性強(qiáng)易擴(kuò)展；利用采用倍福的可插拔式IO從站，接線簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)。在軟件開發(fā)上，遵循易用性和實(shí)時(shí)性原則，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了高可靠性、易操作、功能齊全的軟件系統(tǒng)。通過調(diào)試和使用表明：設(shè)備可連續(xù)無故障工作500h以上，定位精度±0.01mm以內(nèi)，工作腔體內(nèi)氧含量可穩(wěn)定控制在200ppm以內(nèi)，急停故障等操作響應(yīng)在10ms以內(nèi)，滿足設(shè)備高精高效和實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)備打印件性能良好，成形不銹鋼零件的致密度優(yōu)于99%，綜合機(jī)械性能達(dá)到同質(zhì)鍛件標(biāo)準(zhǔn)。