張 仟， 黨新安， 楊立軍

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步，許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng).開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)具有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，并向智能化網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展[2].而在眾多開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中，PC+數(shù)控功能板型是目前比較現(xiàn)實(shí)而有效的實(shí)施開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的途徑，因此針對(duì)選擇性激光燒結(jié)成型的控制要求，采用PC+數(shù)控功能板型開(kāi)放式控制方法，設(shè)計(jì)該設(shè)備合適的控制系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

激光燒結(jié)快速成型是由CAD造型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體零件的過(guò)程，成型過(guò)程中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完成CAD幾何信息的接受和處理、加工指令的生成與傳輸、激光燒結(jié)成型過(guò)程的控制[3]等.在國(guó)外已出現(xiàn)的快速成型設(shè)備中，美國(guó)德州大學(xué)采用分布式控制，主機(jī)采用多用戶能力、標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)文件傳輸協(xié)議的UNIX操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)串行傳輸，仍為單機(jī)控制，這種串行化的控制方式有幾個(gè)明顯缺點(diǎn)：

(1)激光燒結(jié)快速成型時(shí)，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上先進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理，完成后再進(jìn)行成型加工.這種方式非常耗時(shí)，在CAD的STL文件調(diào)入后，往往需要幾個(gè)小時(shí)的處理時(shí)間才能開(kāi)始成型加工.

(2)如果提高效率，必須增加計(jì)算機(jī)，從而增加了設(shè)備投資.

(3)當(dāng)成型的零件較為復(fù)雜時(shí)，這種控制方式數(shù)據(jù)量大，對(duì)存儲(chǔ)容量有很高的要求.

針對(duì)以上問(wèn)題，根據(jù)選擇性激光燒結(jié)快速成型工藝對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的要求，選擇性激光燒結(jié)快速成型控制系統(tǒng)采用基于工業(yè)PC機(jī)的單微處理器通用型控制結(jié)構(gòu).SLS成型控制系統(tǒng)硬件主要包括激光掃描控制單元、鋪粉控制單元、小鍵盤及限位開(kāi)關(guān)編碼電路.激光掃描控制單元根據(jù)數(shù)控指令控制X，Y向伺服電機(jī)執(zhí)行激光掃描動(dòng)作，鋪粉控制單元控制Z，U，V向步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)鋪粉動(dòng)作，其中Z,U向步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)粉床的供粉動(dòng)作，V向步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)鋪粉滾筒的鋪粉動(dòng)作.計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)控指令控制激光開(kāi)關(guān)，小鍵盤上的按鍵及限位開(kāi)關(guān)由編碼電路統(tǒng)一編碼輸入計(jì)算機(jī),其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 選擇性激光燒結(jié)(SLS)成型設(shè)備控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 選擇性激光燒結(jié)(SLS)成型設(shè)備控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

為了方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的開(kāi)放化和個(gè)性化，采用實(shí)時(shí)控制由控制卡來(lái)承擔(dān)，IPC非實(shí)時(shí)處理的方式.這種系統(tǒng)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可共享計(jì)算機(jī)的所有資源，并且靈活性好、功能穩(wěn)定.

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件協(xié)調(diào)管理整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，其主要工作有：激光開(kāi)關(guān)控制及人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換、成型裝置的運(yùn)動(dòng)控制.為提高成型系統(tǒng)的效率，SLS控制系統(tǒng)采用多任務(wù)處理機(jī)制.將其成型裝置的功能模塊分為兩個(gè)線程進(jìn)行管理，即數(shù)據(jù)處理線程和加工控制線程.數(shù)據(jù)處理線程的作用在于接受STL文件，進(jìn)行三維零件模型的分層切片處理，產(chǎn)生加工數(shù)控指令等.加工控制線程的主要功能是激光掃描控制、供粉和鋪粉操作、STL文件修補(bǔ)以及人機(jī)交互界面的管理[4]等.因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制器本身都提供了運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù) ，因此本系統(tǒng)通過(guò)下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器所提供的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)，采用Visual C++6.0作為編程工具[5，6]，在后臺(tái)基于Windows操作系統(tǒng)的條件下開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

3 主控制界面

PC+數(shù)控功能板型開(kāi)放式控制系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互能力和用較強(qiáng)的用戶交互界面，操作簡(jiǎn)便.啟動(dòng)系統(tǒng)控制軟件便可進(jìn)入系統(tǒng)主控制界面.如圖3所示，在主控制界面上面有各軸的坐標(biāo)跟蹤顯示，顯示各軸的實(shí)時(shí)位置狀態(tài).主控制界面中左半部為程序編輯區(qū)，該區(qū)用于輸入三維零件模型分層切片處理時(shí)產(chǎn)生的數(shù)控代碼指令.主控制界面右半部為圖形顯示區(qū)，顯示激光掃描當(dāng)前零件層的界面軌跡.在主控制界面左下方還有錯(cuò)誤信息區(qū)，顯示加工時(shí)的錯(cuò)誤信息，便于數(shù)據(jù)的及時(shí)修復(fù).當(dāng)需要查看鋪粉狀況時(shí)，可以從主控制界面中打開(kāi)料軸控制模塊，系統(tǒng)便自動(dòng)切換進(jìn)入鋪粉狀態(tài)模塊(如圖4所示)，從而可以實(shí)時(shí)查看鋪粉情況.

圖3 系統(tǒng)主控制界面

圖4 鋪粉狀態(tài)界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以通用工業(yè)控制機(jī)為基礎(chǔ)操作平臺(tái)，采用PC+數(shù)控功能板型開(kāi)放式控制方法，使控制系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互能力和上層應(yīng)用系統(tǒng)集成能力.通過(guò)多次程序調(diào)試和運(yùn)動(dòng)測(cè)試，系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，為開(kāi)發(fā)新型SLS控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)基于PC+數(shù)控功能板型開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)空間比較大.本控制系統(tǒng)以下幾點(diǎn)有待于進(jìn)一步完善：(1)掃描方式不應(yīng)只限于分區(qū)變向掃描，可針對(duì)不同成型零件采用適當(dāng)?shù)膾呙璺绞?(2)充分利用面向?qū)ο蠹癕icrosoft技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，盡量減少程序編制工作量.

參考文獻(xiàn)

[1] 楊曉京，任 偉.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)建[J]．機(jī)床與液壓，2003，(6)：67-69．

[2] 王世寰，王永章，付云忠．開(kāi)放式軟CNC發(fā)展趨勢(shì)及其體系結(jié)構(gòu)的研究[J]．機(jī)床與液壓，2004，(2)：7-9.

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[4] 廖效果，朱啟逑.數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1997.

[5] 孔 鵬．Visual C++6.0完全自學(xué)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：422．

[6] 黃維通．Visual C++面向?qū)ο笈c可視化程序設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2006：98-102．