基于運動控制器的激光沖擊強化數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

　　近年來,隨著工業(yè)PC 機性能的快速發(fā)展,可靠性大為提高,而價格卻大幅度降低,以工業(yè)PC 機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。在機床控制領(lǐng)域,采用工業(yè)PC 機,在流行的操作系統(tǒng)下發(fā)展通用的數(shù)控系統(tǒng),已成為數(shù)控技術(shù)發(fā)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(shù)，它是利用強脈沖激光導致的高強度應(yīng)力波沖擊金屬表面，使材料表層產(chǎn)生塑性應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)（如圖1所示）。目前，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)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(yī)學等領(lǐng)域。為了提高激光沖擊強化技術(shù)的自動化程度，開發(fā)一套基于運動控制器的激光沖擊強化數(shù)控系統(tǒng)。

1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　1.1 Galil運動控制器

　　在計算機數(shù)控系統(tǒng)中,起著關(guān)鍵作用的組成部分是其中的計算機數(shù)字控制裝置和伺服系統(tǒng),系統(tǒng)的計算速度、實時性、伺服更新速度、資源管理能力、數(shù)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(shù)控裝置,也就是運動控制單元,更是數(shù)控系統(tǒng)的核心單元模塊,數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)中實時性要求比較高的插補、位置控制、開關(guān)量I/ O 控制任務(wù),實現(xiàn)CNC系統(tǒng)中多軸聯(lián)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(shè)備部件,可以方便靈活地構(gòu)建應(yīng)用于不同場合的運動控制系統(tǒng)[2]。

　　PCI總線DMC-1842運動控制器是美國GALIL公司產(chǎn)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(shù)量、數(shù)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(yīng)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(diào)整和分析，ActiveX控件用于VB編程，擴展DLL文件用于C/C++高級應(yīng)用編程，使得開發(fā)和應(yīng)用變得方便。

　　1.2 機械本體結(jié)構(gòu)概述

　　數(shù)控系統(tǒng)的機械本體采用龍門式結(jié)構(gòu)[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(qū)動，可以實現(xiàn)三軸聯(lián)動，其行程分別為800mm、600mm和400mm.。轉(zhuǎn)軸由伺服電機經(jīng)減速器減速來驅(qū)動，可連續(xù)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(zhì)。在實際工作中，可以利用轉(zhuǎn)臺裝夾工件（如葉片）通過工作臺運動實現(xiàn)不同部位的強化，也可以通過運動軸上的反射鏡實現(xiàn)光斑的移動，從而實現(xiàn)雙工作方式。

　　1.3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　該激光沖擊強化數(shù)控系統(tǒng)采用工業(yè)PC機為基礎(chǔ)，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(tǒng)的控制中心。工控機上的 CPU與運動控制器上的CPU構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu)，兩個CPU各自實現(xiàn)相應(yīng)的功能，其中DMC1842主要完成機床四軸的運動控制和相關(guān)開關(guān)量的輸入輸出控制。工控機則實現(xiàn)整個系統(tǒng)的管理功能。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。其中，PICM2900互聯(lián)模塊將控制器電纜轉(zhuǎn)換成插線端子方式。

2 軟件開發(fā)

　　系統(tǒng)采用Visual Basic語言與Galil卡自身的語言綜合開發(fā)。其中，VB主要用于界面設(shè)計、初始化及參數(shù)設(shè)置、指令轉(zhuǎn)換以及和運動控制卡的通訊[4]。整個系統(tǒng)能實現(xiàn)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(jiān)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(yīng)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(jié)論

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