金屬零件激光直接快速成型制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)

摘 要:以圓柱形金屬零件激光直接快速成型為實(shí)例，闡述了激光直接快速成型技術(shù)工藝參數(shù)的確定方法，并給出數(shù)控平臺移動位移、驅(qū)動速度、驅(qū)動加速度與脈沖、脈沖頻率、脈沖頻率變化率之間的對應(yīng)關(guān)系。以VC6.0為二次開發(fā)平臺，采用PCI1240運(yùn)動控制卡和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器對步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行控制，以完成被加工零件需要的平面曲線掃描運(yùn)動和分層間歇運(yùn)動。

關(guān)鍵詞:激光直接快速成型 運(yùn)動控制卡 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器

中圖分類號:TN249文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0041-01

1 激光直接制造成型系統(tǒng)構(gòu)成

金屬零件激光直接制造成型系統(tǒng)主要由CO2激光發(fā)生器系統(tǒng)、粉末遞送裝置、同軸送粉器、三維運(yùn)動工作臺系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、保護(hù)氬氣、運(yùn)動控制硬件系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)等8個模塊組成，圖1是激光直接制造成型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。

由圖1可見，激光直接制造成型系統(tǒng)的所有組成系統(tǒng)的工作行為都是在工控計算機(jī)的統(tǒng)一指令下完成協(xié)同運(yùn)動的。激光發(fā)生器系統(tǒng)是發(fā)生激光的必要組成部分，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)為激光器、光閘、反射鏡、聚焦透鏡以及粉末噴嘴提供循環(huán)冷卻水，用以帶走激光產(chǎn)生的熱量，從而避免硬件設(shè)備燒損;三維運(yùn)動工作臺系統(tǒng)主要由精密二維X-Y 軸工作臺和精密一維Z軸工作臺及其驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)組成，X-Y 軸二維工作臺裝載工件做平面掃描運(yùn)動，Z 軸則帶動同軸粉末噴嘴完成運(yùn)動距離等于一個分層厚度的系列間歇運(yùn)動，從而完成工件的長高直至工件最后成形結(jié)束;運(yùn)動控制硬件系統(tǒng)主要由工控計算機(jī)、運(yùn)動控制卡、開關(guān)電源、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等硬件設(shè)備組成，它是實(shí)現(xiàn)自動化成形過程的硬件基礎(chǔ)，其主要控制對象是三維工作臺和粉末遞送裝置的步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;軟件控制系統(tǒng)是專門為實(shí)現(xiàn)對激光直接制造成型系統(tǒng)進(jìn)行整體控制而開發(fā)的，激光直接制造成型系統(tǒng)只有在軟件控制系統(tǒng)的控制管理下才能實(shí)現(xiàn)完整、有序、協(xié)調(diào)的零件成形運(yùn)動全部過程[1]。

本文以圓柱形零件為例，采用臺灣研華公司的PCI1240 4軸步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動控制卡、北京和利時公司的SH-20402A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與42BYG250A-SASSML-0151步進(jìn)電機(jī)，利用VC6.0為二次開發(fā)工具，說明激光直接制造成型的加工過程。

2 激光直接制造成型零件加工

2.1 控制變量的參數(shù)轉(zhuǎn)換

步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接受到一個脈沖信號時，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(即歨距角)?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

本系統(tǒng)采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動變成平臺的移動，其中，運(yùn)動平臺速度、位移、加速度與運(yùn)動控制卡的脈沖數(shù)、脈沖頻率、脈沖頻率變化率的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:

(1)

(2)

(3)

式中:為絲杠螺距;為步進(jìn)電機(jī)步距角;為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器細(xì)分量;為減速比。

本實(shí)驗(yàn)中，，，，，由式(1)～式(3)可得平臺的位移、速度、加速度與脈沖、脈沖頻率、脈沖頻率變化率的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2.2 圓柱形零件激光直接制造成型加工實(shí)例

激光直接制造成型系統(tǒng)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溫、熔化從而快速成型。它通過數(shù)控平臺X、Y 軸方向的往復(fù)移動和Z軸方向的間歇運(yùn)動，控制激光束在工件表面的位置從而加工出所需要的形狀。X方向、Y方向、Z方向的運(yùn)動是其主要的運(yùn)動，并分別由一臺步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動?？刂栖浖肞CI1240運(yùn)動控制卡提供的庫函數(shù)，采用VC++進(jìn)行二次開發(fā)，通過數(shù)控平臺的移動來控制被加工零件的輪廓形狀。主程序界面如圖2所示。

3 結(jié)語

在激光直接制造成型工藝中，掃描間距、掃描方式、粉末噴出速度對于零件的成型加工具有重要影響。采用運(yùn)動控制卡對三維數(shù)控平臺進(jìn)行平面掃描和分層間歇運(yùn)動控制時，數(shù)控平臺的速度、位移、加速度與脈沖、脈沖頻率、脈沖頻率變化率的轉(zhuǎn)換關(guān)系是開發(fā)零件制造成型控制軟件的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊森，鐘敏霖，張慶茂，等.激光快速成型金屬零件的新方法[J].激光技術(shù)，2001.

[2]尚曉峰，劉偉軍，王天然.金屬粉末激光成形掃描方式[J].機(jī)械工程學(xué)報，2005.

[3]史玉升，鐘慶，陳學(xué)彬，等.選擇性激光燒結(jié)新型掃描方式的研究及實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報，2002.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文