摘 要:以圆柱形金属零件激光直接快速成型为实例,阐述了激光直接快速成型技术工艺参数的确定方法,并给出数控平台移动位移、驱动速度、驱动加速度与脉冲、脉冲频率、脉冲频率变化率之间的对应关系。以VC6.0为二次开发平台,采用PCI1240运动控制卡和步进电机驱动器对步进电机的旋转运动进行控制,以完成被加工零件需要的平面曲线扫描运动和分层间歇运动。
关键词:激光直接快速成型 运动控制卡 步进电机驱动器
中图分类号:TN249文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)02(c)-0041-01
1 激光直接制造成型系统构成
金属零件激光直接制造成型系统主要由CO2激光发生器系统、粉末递送装置、同轴送粉器、三维运动工作台系统、冷却水循环系统、保护氩气、运动控制硬件系统、软件控制系统等8个模块组成,图1是激光直接制造成型系统的结构原理图。
由图1可见,激光直接制造成型系统的所有组成系统的工作行为都是在工控计算机的统一指令下完成协同运动的。激光发生器系统是发生激光的必要组成部分,冷却水循环系统为激光器、光闸、反射镜、聚焦透镜以及粉末喷嘴提供循环冷却水,用以带走激光产生的热量,从而避免硬件设备烧损;三维运动工作台系统主要由精密二维X-Y 轴工作台和精密一维Z轴工作台及其驱动步进电机组成,X-Y 轴二维工作台装载工件做平面扫描运动,Z 轴则带动同轴粉末喷嘴完成运动距离等于一个分层厚度的系列间歇运动,从而完成工件的长高直至工件最后成形结束;运动控制硬件系统主要由工控计算机、运动控制卡、开关电源、步进电机驱动器等硬件设备组成,它是实现自动化成形过程的硬件基础,其主要控制对象是三维工作台和粉末递送装置的步进电机的旋转运动;软件控制系统是专门为实现对激光直接制造成型系统进行整体控制而开发的,激光直接制造成型系统只有在软件控制系统的控制管理下才能实现完整、有序、协调的零件成形运动全部过程[1]。
本文以圆柱形零件为例,采用台湾研华公司的PCI1240 4轴步进/伺服电机运动控制卡、北京和利时公司的SH-20402A步进电机驱动器与42BYG250A-SASSML-0151步进电机,利用VC6.0为二次开发工具,说明激光直接制造成型的加工过程。
2 激光直接制造成型零件加工
2.1 控制变量的参数转换
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制,将电脉冲转换成相应的角位移或线位移的执行机构。当步进驱动器接受到一个脉冲信号时,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即歨距角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的,同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
本系统采用丝杠螺母机构把步进电机的转动变成平台的移动,其中,运动平台速度、位移、加速度与运动控制卡的脉冲数、脉冲频率、脉冲频率变化率的转换关系如下:
(1)
(2)
(3)
式中:为丝杠螺距;为步进电机步距角;为步进电机驱动器细分量;为减速比。
本实验中,,,,,由式(1)～式(3)可得平台的位移、速度、加速度与脉冲、脉冲频率、脉冲频率变化率的转换关系。
2.2 圆柱形零件激光直接制造成型加工实例
激光直接制造成型系统是利用高能量高密度的激光束作用于材料表面使其迅速升温、熔化从而快速成型。它通过数控平台X、Y 轴方向的往复移动和Z轴方向的间歇运动,控制激光束在工件表面的位置从而加工出所需要的形状。X方向、Y方向、Z方向的运动是其主要的运动,并分别由一台步进电机进行驱动。控制软件利用PCI1240运动控制卡提供的库函数,采用VC++进行二次开发,通过数控平台的移动来控制被加工零件的轮廓形状。主程序界面如图2所示。
3 结语
在激光直接制造成型工艺中,扫描间距、扫描方式、粉末喷出速度对于零件的成型加工具有重要影响。采用运动控制卡对三维数控平台进行平面扫描和分层间歇运动控制时,数控平台的速度、位移、加速度与脉冲、脉冲频率、脉冲频率变化率的转换关系是开发零件制造成型控制软件的基础。
参考文献
[1]杨森,钟敏霖,张庆茂,等.激光快速成型金属零件的新方法[J].激光技术,2001.
[2]尚晓峰,刘伟军,王天然.金属粉末激光成形扫描方式[J].机械工程学报,2005.
[3]史玉升,钟庆,陈学彬,等.选择性激光烧结新型扫描方式的研究及实现[J].机械工程学报,2002.
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