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快速成型计算机控制系统 |
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作者：李小林 吴晓鸣 田宗军 唐亚兴 黄因慧 |
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引言
快速成型技术以增材制造思想(MIM：Material Increasing Manufacturing)一次快速成型复杂的零部件或模具。以下以SLS(Selective Laser Sintering激光选区烧结)为例说明成型方法。
SLS造型法是用一系列的等高线去切割CAD模型，得到高度方向的等高截面。用得到的截面数据确定轮廓截面的数据。用红外激光束扫描，使粉末材料粘接固化，形成一层的轮廓。
图1表示了SLS成型的步骤。
(a)铺粉；
(b)粉末在激光的作用下粘接、硬化，并与已硬化的下层粘和；
(c)粉桶活塞下降。
重复步骤(a)、(b)、(c)直到最后一层，形成立体模型。
图1 SLS成型的工作原理图
由上例可知，SLS成型控制过程是一个复杂、综合性的数控加工过程。其控制的目标为实现全自动的电气拖动机床运动控制运动，并尽量减少误操作。它牵涉到多轴多运动参数以及多过程参数控制，在控制过程中还有大量的CAD数据处理和成型运动轨迹信息传输的任务。因此，该控制系统的设计目标为：实现最佳的成型效果，提高成型效率。
1 控制系统设计
快速成型系统主要可以分为数据处理和成型执行两大部分。数据处理部分完成由三维CAD模型加工轨迹的离散过程，由高性能计算机处理。下层成型执行部分根据离散化后的信息加工过程的执行和控制，由数控RP&M(Rapid Prototyping/Part Manufacturing)设备来完成。通过对国内外一些快速成型控制系统的深入分析可发现，其控制系统的控制任务分立顺序完成，这种串行化控制方案具有极大的耗时性，成型效率低。针对这个缺点，在本控制系统的研究开发过程中提出了模块化的数据处理和成型控制并行运作的方法和多处理器主从式并行交互通信的控制系统总体结构。这些方案体现了极大的时间节约性和整体协调性。
近年来，微型计算机技术的飞速发展使微机CNC紧密结合，更好地利用PC机软、硬件资源成为开发各种计算机控制系统的十分重要的问题。在本快速成型系统中，上层主控机586工控机，为主机。下层执行机采用80C320CPU应用系统，为子机。主机、子机以特定的通信协议进行双向通讯，构成并联的双层系统。整个控制系统设计带有分布式控制系统的特征。主机完成CAD数据处理和总体控制任务，主要功能有：
(1)由CAD模型生成符合快速成型工艺特色的CNC信息；
(2)将获得的CNC信息传给下层机，触发信号由下层机提供；
(3)对成型情况进行监控并进行运动参数的反馈，必要时对快速成型设备的运动状态进行干涉；
(4)实现人机交互，提供真实感的零件三维CAD模型显示和CNC轨迹信息实时显示；
(5)提供各种可选的加工参数，满足不同的材料和加工工艺的要求。
上层主机软件基于Windows95平台，主控软件和CAD数据处理软件采用VC++编程。操作系统的多线程功能使主机的各项任务可以并行执行。提高了快速成型的加工速度。控制系统的数据流图如图2。
图2 控制系统的数据流图
下层子机系统进行成型运动控制。其CPU采用高速芯片DS80C320。主要任务为电气运动控制，它一方面按照预定的顺序与主机相互触发，实现CNC信息和运动参数的接受，控制RP&M成型运动，一方面响应上层主机传输的控制命令，对运动状态进行控制。在下层机的设计中，为避免以往在VLSI电路之间使用LSI或MLSI器件进行接口而造成的结构繁琐庞大的缺点，采用可编程逻辑器件(ispPLD)替代传统的TTL器件，使下层机系统的功能和可靠性大为增强。
为提高数据传输的速度和可靠性，在双向系统通讯方案中提出精简完善的双向通讯规则，主机向子机传数据采用写外设方式。控制系统的总体结构如图3所示。
图3 控制系统的总体结构图
2 控制系统效果分析
本快速成型控制系统已成功应用于南京航空航天大学的选择性激光烧结设备上，并参加了97年全国模具机床展。该控制系统通过采用并行化控制的总体结构和多处理器主从式交互通讯的控制方式，实现了多项复杂控制任务的高效并行协调运动。
主控制机控制软件在Windows95操作系统下实施各项控制任务，为先进的微机软件与具体的数控任务的有效结合开辟了思路，使数控领域能实现更为复杂功能更强大的控制。另外在设计中，精简完善的通信协议对计算机短程并行通信很有意义。
该控制基于Windows95，CAD模型处理软件采用VC++编程，Windows95和VC++提供的资源使得能在最短的时间设计出更友好的人机界面。VC++的OOP(面向对象编程)技术降低了编程的工作量，提高了程序编制的生产率，增加了程序的可靠性、可修改性和可移植性。烧结层数选择功能，使得在工艺实验中可以选择CAD模型的一部分进行烧结成型。这样，可以用不同的参数烧结CAD模型的不同层，更详细地研究各种参数对成型过程的影响。而且停电以后再次烧结时可以从停止的部分继续烧结。极大地方便了工艺实验。
总之，针对快速成型技术中关键性的计算机控制问题和工艺特点研制的快速成型控制系统，对改进快速成型技术，加快快速成型技术在国内的推广有很大的现实意义，同时也为复杂运动过程的计算机控制问题提供了新的思想方法和实现手段。(end)
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(11/12/2004) |
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