基于運動控制器的激光沖擊強化數控系統開發

　　近年來,隨著工業PC 機性能的快速發展,可靠性大為提高,而價格卻大幅度降低,以工業PC 機為核心的控制系統已廣泛被工業控制領域所接受。在機床控制領域,采用工業PC 機,在流行的操作系統下發展通用的數控系統,已成為數控技術發展的最新潮流[1]。

　　激光沖擊強化是一種新型的表面強化技術，它是利用強脈沖激光導致的高強度應力波沖擊金屬表面，使材料表層產生塑性應變，從而提高金屬材料表面的強度、硬度等機械性能，并獲得表面殘余壓應力狀態（如圖1所示）。目前，該技術的應用領域已不僅僅局限于強化航空用鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高溫合金等材料，還拓展到航天、汽車、醫學等領域。為了提高激光沖擊強化技術的自動化程度，開發一套基于運動控制器的激光沖擊強化數控系統。

1 數控系統的硬件結構

　　1.1 Galil運動控制器

　　在計算機數控系統中,起著關鍵作用的組成部分是其中的計算機數字控制裝置和伺服系統,系統的計算速度、實時性、伺服更新速度、資源管理能力、數字通信、精密控制、微量進給等性能都取決于這兩個部分。尤其是計算機數控裝置,也就是運動控制單元,更是數控系統的核心單元模塊,數控系統的性能、精度一定程度上依賴于運動控制單元的快速控制能力,由它可完成數控系統中實時性要求比較高的插補、位置控制、開關量I/ O 控制任務,實現CNC系統中多軸聯動的插補計算、位置控制等功能,使用這樣的運動模塊并輔助以其他的設備部件,可以方便靈活地構建應用于不同場合的運動控制系統[2]。

　　PCI總線DMC-1842運動控制器是美國GALIL公司產品，采用32位微處理器，可控制1～4軸，其本身具有多軸直線插補、圓弧插補、輪廓控制、電子齒輪和電子凸輪（ECAM）等功能，板上有2M Flash 可擦寫存儲器及2M RAM，可存儲用戶程序、數量、數組和控制程序，并可脫機運行。

　　DMC1842控制器主要性能：

　　▲ 接收12MHz伺服編碼器反饋信號，2MHz步進電機命令（脈沖+方向）。

　　▲ 帶速度及加速度前饋、積分限制、Notch及低通濾波器的PID。采樣周期62.5μs/軸

　　▲ 運動方式：JOG，PTP定位，輪廓，直線、圓弧插補，電子齒輪，ECAM

　　▲ 2M非易失存儲器: 存儲應用程序，變量, 陣列;2M RAM

　　▲ 每軸正、反向限位及回零輸入

　　▲ 通用I/O：8/8

　　▲ 高速位置鎖存及比較（0.1μs）

　　▲ 無刷伺服電機正弦波換向控制

　　▲ 上電自動程序運行

　　另外，配套的WSDK軟件工具用于伺服性能自動調整和分析，ActiveX控件用于VB編程，擴展DLL文件用于C/C++高級應用編程，使得開發和應用變得方便。

　　1.2 機械本體結構概述

　　數控系統的機械本體采用龍門式結構[3]，共有四個傳動軸，分別為X軸、Y軸、Z軸和R軸。X軸、Y軸和Z軸通過伺服電機連接絲杠驅動，可以實現三軸聯動，其行程分別為800mm、600mm和400mm.。轉軸由伺服電機經減速器減速來驅動，可連續運動，承重10kg。工作臺面為一水池，水作為沖擊強化的約束介質。在實際工作中，可以利用轉臺裝夾工件（如葉片）通過工作臺運動實現不同部位的強化，也可以通過運動軸上的反射鏡實現光斑的移動，從而實現雙工作方式。

　　1.3 控制系統硬件結構

　　該激光沖擊強化數控系統采用工業PC機為基礎，在工控機主板上的PCI擴展槽插上DMC1842多軸運動控制器，形成該系統的控制中心。工控機上的 CPU與運動控制器上的CPU構成主從式雙微處理器結構，兩個CPU各自實現相應的功能，其中DMC1842主要完成機床四軸的運動控制和相關開關量的輸入輸出控制。工控機則實現整個系統的管理功能。數控系統的硬件框圖如圖3所示。其中，PICM2900互聯模塊將控制器電纜轉換成插線端子方式。

2 軟件開發

　　系統采用Visual Basic語言與Galil卡自身的語言綜合開發。其中，VB主要用于界面設計、初始化及參數設置、指令轉換以及和運動控制卡的通訊[4]。整個系統能實現的功能主要有：ISO標準G指令編程、圓弧與直線插補、運動路徑的演示、故障監控與顯示以及各個坐標值的實時顯示等。

　　兩種語言的合理運用，使得編程變得簡單。例如，X軸以JOG方式運動，用兩個按鈕分別控制該軸啟動與停止。相應的初始化完成后，程序如下：

　　Private Sub Command1_Click（） ’X軸啟動

　　Command1.SetFocus

　　DMCShell1.Command = "JG10000;"

　　DMCShell1.Command = "BGX"

　　End Sub

　　Private Sub Command2_Click（） ’停止運動

　　Command2.SetFocus

　　DMCShell1.Command = "STX"

　　End Sub

3 結論

　　本文提出的系統控制方案中，由于采用了基于工業PC機的控制平臺，并結合了Galil運動控制器良好的控制性能，使系統具有較強的開放性和可擴充性，人機界面友好。系統硬件具有較強的穩定性、實時性，可靠性好，運行速度快，控制精度高。