王 礬 吳樹謙 吳國慶

1(南通大學(xué)電氣工程學(xué)院 江蘇 南通 226019) 2(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

激光表面微織構(gòu)是指通過激光對(duì)材料表面進(jìn)行燒蝕氣化，形成一定形狀紋理的一種表面處理工藝，其在潤滑、抗摩減磨、改變材料表面特性、提高材料力學(xué)性能等方面均有研究前景與應(yīng)用價(jià)值[1-2]。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光微織構(gòu)研究正朝著精細(xì)化、復(fù)雜化、多元化方向發(fā)展，在不斷提高激光微織構(gòu)加工系統(tǒng)智能化水平的同時(shí)，也對(duì)激光微織構(gòu)加工軟件開發(fā)提出了更高要求。當(dāng)前激光微織構(gòu)加工軟件多依托已有數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)，然而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)軟件往往封閉在系統(tǒng)框架內(nèi)部，移植性、兼容性、開放性較低，無法滿足新型設(shè)備的特殊需求。例如在搭載高性能激光器的多軸機(jī)床上，對(duì)多種形狀工件進(jìn)行激光微織構(gòu)加工，就需要開發(fā)專用的加工軟件[3-4]。目前，針對(duì)激光數(shù)控精細(xì)加工系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外眾多科研學(xué)者展開了研究。吳兆奎等[2]基于LabVIEW開發(fā)了三維移動(dòng)平臺(tái)與飛秒激光器集成控制軟件平臺(tái)；孫曉等[6]基于C++對(duì)840Dsl數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了三維激光切割控制軟件；Tofil等[7]基于LabView建立了用于表面微處理的超快TruMicro實(shí)驗(yàn)激光控制系統(tǒng)的軟件平臺(tái)；Zhong等[8]結(jié)合CNC數(shù)控系統(tǒng)的軟件集成開發(fā)環(huán)境，針對(duì)具有激光輔助的五軸微銑削加工機(jī)，提出了一種混合微型機(jī)床的可重構(gòu)控制軟件架構(gòu)。上述研究或自行開發(fā)，或借助廠商提供的數(shù)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，在實(shí)驗(yàn)中仍存在以下缺點(diǎn)或不足：(1) 激光器種類單一，在激光微織構(gòu)工藝效果實(shí)驗(yàn)中，無法開展多種類激光器織構(gòu)效果的對(duì)比實(shí)驗(yàn)；(2) 基于已有數(shù)控軟件的二次開發(fā)移植性難度大，可配置性差，系統(tǒng)集成度低；(3) 加工工藝選擇匱乏、加工效果可視性差，無法滿足多種工件形狀不同織構(gòu)形貌的加工要求，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測加工進(jìn)程。

綜上所述，針對(duì)激光微織構(gòu)加工控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中存在的功能不齊全、人機(jī)交互性差、加工過程中可視化程度低等問題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)一套多功能激光微織構(gòu)加工軟件系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)床四軸聯(lián)動(dòng)加工控制，而且滿足了兩種激光器、四種加工工藝、多種織構(gòu)形貌精密加工的功能需求，并對(duì)其功能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 軟件體系架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的多功能激光微織構(gòu)加工軟件系統(tǒng)是在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下，基于QT開發(fā)框架設(shè)計(jì)開發(fā)的PC端上位機(jī)軟件，系統(tǒng)架構(gòu)為6層體系架構(gòu)，包括用戶層、邏輯層、驅(qū)動(dòng)層、存儲(chǔ)層、支撐層和物理層，如圖1所示。

圖1 軟件體系架構(gòu)

用戶層為多功能激光微織構(gòu)加工軟件系統(tǒng)的人機(jī)交互層，在PC端軟件界面下，操作人員可以通過功能選項(xiàng)和文本框調(diào)用相應(yīng)功能并發(fā)布加工指令。

邏輯層是根據(jù)用戶層調(diào)用的軟件功能模塊，嵌套到軟件中[9]，進(jìn)行加工原點(diǎn)設(shè)定、機(jī)床運(yùn)動(dòng)和激光參數(shù)配置、加工路徑計(jì)算和規(guī)劃等，并給出加工效果圖和機(jī)床運(yùn)動(dòng)策略。

驅(qū)動(dòng)層通過Visual Studio軟件和基于QT設(shè)計(jì)的PC端軟件生成動(dòng)態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)邏輯層的加工策略和用戶層的功能應(yīng)用，完成對(duì)激光微織構(gòu)加工硬件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。

存儲(chǔ)層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[10]。RAM、SDRAM和FLASH負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用戶操作、軟件運(yùn)行、程序調(diào)用等過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和非易失數(shù)據(jù)；PLC寄存器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)加工過程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作數(shù)據(jù)和指令；SD存儲(chǔ)卡負(fù)責(zé)存儲(chǔ)軟件初始化程序和歷史數(shù)據(jù)。

支撐層是上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互層，其依托Modbus通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)交互。四軸機(jī)場運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與外部設(shè)備及其內(nèi)部通過總線進(jìn)行通信；PC端軟件通過LAN網(wǎng)口與運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；PLC梯形圖代碼通過RS232串口下載；外部輸入顯示設(shè)備通過RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

物理層由四軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、多功能激光工作模塊、外部輔助裝置、信息終端等硬件設(shè)備構(gòu)成。信息終端為激光微織構(gòu)控制系統(tǒng)的運(yùn)行提供信息平臺(tái)，下發(fā)控制指令至系統(tǒng)各模塊；四軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)激光加工過程中的位置變換；多功能激光工作模塊實(shí)現(xiàn)工作激光器的激光參數(shù)配置，配合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)完成加工工作；外部輔助裝置提供照明、水冷等外部支持，輔助加工完成。

1.2 軟件功能設(shè)計(jì)

為了使激光微織構(gòu)加工控制系統(tǒng)能夠滿足不同工藝加工[11]，滿足操作人員不同功能需求，多功能激光微織構(gòu)加工軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用開放式、模塊化、集成化的思路[12]，進(jìn)行了四個(gè)模塊的功能設(shè)計(jì)，包括程序管理模塊、加工工藝管理模塊、報(bào)警監(jiān)測模塊和操作單元模塊，如圖2所示。

圖2 軟件總體功能框圖

2 軟件功能實(shí)現(xiàn)

2.1 程序管理模塊

程序管理模塊的功能界面設(shè)計(jì)如圖3所示，具體包括實(shí)時(shí)坐標(biāo)顯示、歷史程序管理、加工原點(diǎn)設(shè)點(diǎn)、PLC設(shè)置、程序顯示編輯、操作管理六個(gè)功能。在開始加工前，操作人員可以通過軟件手動(dòng)調(diào)節(jié)工作臺(tái)位置，通過升降Z軸位置尋找激光焦點(diǎn)，并將調(diào)節(jié)好的四軸機(jī)床坐標(biāo)設(shè)定為加工原點(diǎn)；通過程序目錄調(diào)用歷史G代碼程序，也可以通過程序?qū)υ捒蚓庉婫代碼程序，初步完成加工前的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)調(diào)整。

圖3 程序管理界面

2.2 加工工藝管理模塊

激光參數(shù)配置模塊的功能包括選擇待加工的激光器類型和配置激光器工作參數(shù)，其界面設(shè)計(jì)如圖4所示。本文所述激光微織構(gòu)控制系統(tǒng)搭載YAG固體激光器和IPG光纖激光器，操作人員可以參照激光器技術(shù)指標(biāo)根據(jù)實(shí)際需求選擇激光器并完成激光參數(shù)設(shè)置。

圖4 激光參數(shù)設(shè)置界面

本文設(shè)計(jì)了方形點(diǎn)陣加工、旋轉(zhuǎn)點(diǎn)陣加工、旋轉(zhuǎn)柱面加工和激光打標(biāo)四種加工工藝，滿足多種形狀工件的不同加工需求，如圖5-圖8所示。

圖5 方形點(diǎn)陣加工管理界面

圖6 旋轉(zhuǎn)點(diǎn)陣加工管理界面

圖7 旋轉(zhuǎn)柱面加工管理界面

圖8 激光打標(biāo)加工管理界面

針對(duì)方形點(diǎn)陣加工功能，可以按照加工需求配置方形點(diǎn)陣加工的相關(guān)行列參數(shù)；針對(duì)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)陣加工功能，可以設(shè)置圓環(huán)加工的起始內(nèi)環(huán)半徑以及徑向圓環(huán)間距和偏角參數(shù)；針對(duì)旋轉(zhuǎn)柱面加工功能，可以將加工柱面視為長為圓周的方形平面，根據(jù)平面加工的參數(shù)要求進(jìn)行工藝設(shè)置；針對(duì)激光加工功能，軟件支持讀取.dxf的CAD文件，將CAD圖紙的坐標(biāo)、線長、半徑等參數(shù)進(jìn)行識(shí)別與處理。為了豐富加工可視化與便捷性，軟件提供加工效果預(yù)覽窗口和一鍵生成G代碼功能[13-14]，在加工效果預(yù)覽窗口中，操作人員可以通過軟件生成加工效果示意圖，在加工開始前預(yù)覽加工的最終效果；在一鍵生成G代碼功能中，軟件將根據(jù)操作人員配置的工藝參數(shù)，融合直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)算法，為操作人員自動(dòng)生成G代碼，用于加工中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的路徑規(guī)劃，以避免編寫G代碼的繁瑣操作，也降低了操作人員的入門難度。

2.3 報(bào)警監(jiān)測模塊及操作單元

報(bào)警監(jiān)測模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況、操作人員操作過程、G代碼執(zhí)行過程，同步生成操作日志，及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過程中出現(xiàn)的問題，必要時(shí)立即停止系統(tǒng)運(yùn)行，并發(fā)出報(bào)警提示，以保障系統(tǒng)與軟件的規(guī)范運(yùn)行，其功能界面設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 報(bào)警監(jiān)測界面

如圖10所示，操作單元模塊位于軟件界面右側(cè)，提供七種工作方式，方便操作人員便捷操作。在自動(dòng)方式下，可以實(shí)現(xiàn)G代碼程序的選停與執(zhí)行；在編輯方式下，可以新建、修改、刪除G代碼程序；在錄入方式下，可以對(duì)編輯錄入的G代碼程序進(jìn)行調(diào)試；在手動(dòng)方式下，可以對(duì)三軸工作臺(tái)與Z軸激光頭位置進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，完成加工原點(diǎn)定位與激光調(diào)焦工作；在單步方式下，可以控制四軸機(jī)床按一定的單步增量進(jìn)行單步進(jìn)給；在手輪方式下，可以控制四軸機(jī)床按一定的手輪增量進(jìn)行手輪進(jìn)給；在回零方式下，可以一鍵控制機(jī)床坐標(biāo)回歸零點(diǎn)。操作單元模塊提供輔助操作環(huán)節(jié)，極大化地簡化操作人員操作步驟，以節(jié)約加工配置的時(shí)間，提高加工效率，滿足加工工作需求。

圖10 操作單元界面

3 軟件關(guān)鍵技術(shù)

3.1 機(jī)床三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)

為了滿足激光微織構(gòu)精密加工的加工需求，本文在實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)時(shí)，采用空間三維建模技術(shù)，建立機(jī)床三維運(yùn)動(dòng)模型，并通過機(jī)床線位移與伺服電機(jī)脈沖數(shù)之間的換算關(guān)系，如式(1)所示，將機(jī)床直線軸的實(shí)時(shí)位置轉(zhuǎn)換為軟件的機(jī)床坐標(biāo)，完成機(jī)床位置坐標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示與調(diào)節(jié)。

(1)

式中：n為伺服電機(jī)需要獲取的脈沖個(gè)數(shù)；x為機(jī)床線位移量；p為滾珠絲杠螺距；k為伺服電機(jī)的電子齒輪比。軟件系統(tǒng)通過換算關(guān)系，將實(shí)際加工所需線位移量轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)所能接收的脈沖量，以保障激光微織構(gòu)加工精度，并將位置精度控制在微米級(jí)。

3.2 激光器與工作臺(tái)協(xié)調(diào)控制技術(shù)

在激光微織構(gòu)加工過程中，需要激光器的出光頻率與工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速率保持協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而保障激光器配合工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)發(fā)射工作激光，在工件指定位置加工出微觀形貌。因此，本文在實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)時(shí)，在軟件內(nèi)部內(nèi)置激光器出光調(diào)節(jié)模塊，根據(jù)行列數(shù)、行列間距等工藝參數(shù)獲取激光加工位置坐標(biāo)，并將其與軟件實(shí)時(shí)讀取的四軸機(jī)床坐標(biāo)相比較，當(dāng)兩者一致時(shí)，則認(rèn)為工件運(yùn)動(dòng)到指定位置，從而控制激光器出光，進(jìn)行激光微織構(gòu)加工。本文采用機(jī)床空間坐標(biāo)位置控制激光器與工作臺(tái)協(xié)調(diào)工作，相較傳統(tǒng)的利用時(shí)間控制激光器工作的控制方法更為精確、直接，更能滿足激光微織構(gòu)加工的高精度、高可靠性的要求。

3.3 加工效果模擬仿真技術(shù)

由于激光微織構(gòu)加工具有微觀特性，工藝效果肉眼不易觀測。因此，本文在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，特別增設(shè)加工效果預(yù)覽功能，系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)行列間距等工藝參數(shù)，生成加工示意圖，對(duì)加工效果進(jìn)行模擬仿真，便于操作人員在加工前期對(duì)加工效果進(jìn)行觀測預(yù)知，也便于操作人員對(duì)不恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)及時(shí)做出調(diào)整，仿真效果則會(huì)根據(jù)工藝選擇和工藝參數(shù)的不同而產(chǎn)生變化。

4 軟件功能調(diào)試

4.1 激光微織構(gòu)加工控制系統(tǒng)搭建

為了驗(yàn)證軟件的功能，本文結(jié)合激光微織構(gòu)加工硬件系統(tǒng)和上述軟件開發(fā)了激光微織構(gòu)加工控制系統(tǒng)，對(duì)激光微織構(gòu)加工控制系統(tǒng)進(jìn)行了環(huán)境搭建，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 激光微織構(gòu)加工控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

多功能激光微織構(gòu)加工軟件系統(tǒng)根據(jù)加工需求計(jì)算規(guī)劃加工平臺(tái)運(yùn)動(dòng)路徑，協(xié)調(diào)激光器的工作參數(shù)和激光開閉頻率，完成加工決策與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。軟件通過LAN網(wǎng)線接口與系統(tǒng)總控制器連接通信，將加工工作指令通過總控制器發(fā)送至機(jī)床加工系統(tǒng)，并與機(jī)床加工系統(tǒng)的各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加工啟停信號(hào)、激光器參數(shù)、輔助設(shè)備運(yùn)行情況等信息的數(shù)據(jù)交互。機(jī)床的X、Y及旋轉(zhuǎn)軸伺服系統(tǒng)為工作中的加工工作臺(tái)提供驅(qū)動(dòng)力，機(jī)床Z軸借助夾具夾持激光頭，通過調(diào)節(jié)激光頭高度實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)定位，保障微織構(gòu)工藝質(zhì)量與激光加工效果。YAG激光控制模塊和IPG激光控制模塊通過各自激光驅(qū)動(dòng)器分別控制兩種激光器工作，構(gòu)成激光控制系統(tǒng)。水冷機(jī)、光柵尺、照明設(shè)備等設(shè)備輔助機(jī)床加工系統(tǒng)，完成激光微織構(gòu)加工。

根據(jù)圖11所示的硬件結(jié)構(gòu)圖，對(duì)軟件的工作環(huán)境進(jìn)行了搭建，如圖12所示。

圖12 軟件工作環(huán)境

4.2 軟件實(shí)驗(yàn)測試

本文應(yīng)用多功能激光微織構(gòu)加工軟件系統(tǒng)，在不銹鋼SUS304表面完成了多組激光微織構(gòu)加工，對(duì)軟件功能進(jìn)行了測試驗(yàn)證。加工操作流程如圖13所示。

圖13 加工操作流程圖

依據(jù)加工操作流程，依次運(yùn)行軟件各模塊，選擇IPG激光器調(diào)節(jié)激光功率為150 W，脈沖寬度為2 000 μs，脈沖個(gè)數(shù)為5，不同進(jìn)給速度、不同重復(fù)次數(shù)的參數(shù)配置下，進(jìn)行50×10的方形點(diǎn)陣加工，加工宏觀效果圖如圖14所示。選用德國μsurf系列nanofocus三維高分辨率共聚焦顯微鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)材料表面微織構(gòu)形貌進(jìn)行觀測，對(duì)不銹鋼SUS304表面形貌分別進(jìn)行5倍和20倍物鏡放大觀測，部分表面形貌如圖15所示。

圖14 方形點(diǎn)陣加工宏觀效果圖

圖15 加工微觀效果圖

測試結(jié)果表明，多功能激光微織構(gòu)加工軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定流暢，功能全面完善，操作簡便可靠，界面生動(dòng)直觀；多樣化的加工工藝選擇能夠滿足多種形貌加工需求，完善了激光微織構(gòu)加工設(shè)備的功能性；友好的圖形界面能夠大大簡化操作難度，使功能軟件易于上手，提高了加工效率，保障了良好的人機(jī)交互感。

5 結(jié) 語

本文以激光微織構(gòu)加工需求為背景，在Visual Studio 2010的開發(fā)環(huán)境下，基于QT開發(fā)了一套多功能激光微織構(gòu)加工軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了程序管理、加工工藝管理、報(bào)警監(jiān)測、操作單元四個(gè)功能模塊，支持進(jìn)行方形點(diǎn)陣加工、旋轉(zhuǎn)點(diǎn)陣加工、旋轉(zhuǎn)柱面加工、激光打標(biāo)四種工藝加工；設(shè)計(jì)了加工效果預(yù)覽生成功能，便于操作人員在加工前期對(duì)加工效果進(jìn)行預(yù)知和及時(shí)調(diào)整；設(shè)計(jì)了G代碼自動(dòng)生成功能，采用G代碼方式控制四軸工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，融合多種插補(bǔ)算法，加工效率更高，機(jī)床定位誤差更小，加工效果更好。軟件內(nèi)置.dxf文件數(shù)據(jù)讀取、處理、顯示功能，支持打標(biāo)圖紙一鍵轉(zhuǎn)化，操作簡單可靠，人機(jī)交互友好。

同時(shí)，考慮到加工過程中存在的定位精度不高、表面織構(gòu)形貌不易觀測等問題，應(yīng)用機(jī)床三維坐標(biāo)變換技術(shù)，提高定位精度至微米級(jí)；應(yīng)用激光器與工作臺(tái)協(xié)調(diào)控制技術(shù)，借助機(jī)床空間坐標(biāo)控制激光出光與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)協(xié)同工作；應(yīng)用加工效果模擬仿真技術(shù)，仿真模擬加工微觀效果，最終達(dá)到激光微織構(gòu)加工特有的高精度、改善觀測難度的要求。

利用激光微織構(gòu)加工設(shè)備構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)開發(fā)的軟件進(jìn)行功能測試，驗(yàn)證了軟件的有效性。結(jié)果表明，本文軟件能夠滿足激光微織構(gòu)加工的功能需求，軟件層次清晰，功能設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行正常流暢，管理便捷直觀，可視化程度高，能夠?yàn)榧す馕⒖棙?gòu)加工提供軟件平臺(tái)，為激光表面形貌研究提供技術(shù)支撐，對(duì)多功能激光微織構(gòu)加工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。