摘 要：通過分析激光沖擊強化技術的加工工藝特點，開發了基于工業控制計算機、運動控制器及交流伺服電動機為主體的激光沖擊強化數控系統，并對它的硬件和軟件設計做了詳細的論述。
關鍵詞：運動控制器 數控系統 激光沖擊強化
Development of NC system for Laser Shock Processing Based on Motion Controller
Bai Fengmin
Abstract: This paper analyzes the characteristics of working process of laser shock processing, develops the NC system of the laser shock processing based on industrial PC, motion controller and servo motor, and describes its hardware and software designs.
Key words: Motion Controller, NC, Laser Shock Processing
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。
圖1 激光強化處理示意圖
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
圖2：系統機械本體結構示意圖
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。
圖3：系統硬件框圖
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。
參考文獻
[1] 章聲. 基于PMAC的數控火焰切割機數控系統開發.機電工程,2002, 19（2）:38-40
[2] 吳忠. 基于Galil運動控制器的切割機控制系統.機電工程,2003, 20（4）:44-46
[3] 李顯，殷蘇民. 基于PMAC的玻璃雕刻機數控系統的研究和開發.蘭州工業高等專科學校學報,2003, 10（4）:25-28
[4] 王浩.高級Windows程序設計技術[M].上海：同濟大學出版社，1997
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