| 0 引 言
快速成型技術以增材制造思想(MIM：Material Increasing Manufacturing)一次快速成型復雜的零部件或模具。以下以SLS(Selective Laser Sintering激光選區(qū)燒結)為例說明成型方法。
SLS造型法是用一系列的等高線去切割CAD模型，得到高度方向的等高截面。用得到的截面數(shù)據(jù)確定輪廓截面的數(shù)據(jù)。用紅外激光束掃描，使粉末材料粘接固化，形成一層的輪廓。
圖1，表示了SLS成型的步驟。(a)鋪粉；(b)粉末在激光的作用下粘接、硬化，并與已硬化的下層粘和；(c)粉桶活塞下降。重復步驟(a)、(b)、(c)直到最后一層，形成立體模型。
圖1 SLS成型的工作原理圖
由上例可知，SLS成型控制過程是一個復雜、綜合性的數(shù)控加工過程。其控制的目標為實現(xiàn)全自動的電氣拖動機床運動控制運動，并盡量減少誤操作。它牽涉到多軸多運動參數(shù)以及多過程參數(shù)控制，在控制過程中還有大量的CAD數(shù)據(jù)處理和成型運動軌跡信息傳輸?shù)娜蝿?。因此，該控制系統(tǒng)的設計目標為：實現(xiàn)最佳的成型效果，提高成型效率。
1 控制系統(tǒng)設計
快速成型系統(tǒng)主要可以分為數(shù)據(jù)處理和成型執(zhí)行兩大部分。數(shù)據(jù)處理部分完成由三維CAD模型加工軌跡的離散過程，由高性能計算機處理。下層成型執(zhí)行部分根據(jù)離散化后的信息加工過程的執(zhí)行和控制，由數(shù)控RP&M(Rapid Prototyping/Part Manufacturing)設備來完成。通過對國內外一些快速成型控制系統(tǒng)的深入分析可發(fā)現(xiàn)，其控制系統(tǒng)的控制任務分立順序完成，這種串行化控制方案具有極大的耗時性，成型效率低。針對這個缺點，在本控制系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中提出了模塊化的數(shù)據(jù)處理和成型控制并行運作的方法和多處理器主從式并行交互通信的控制系統(tǒng)總體結構。這些方案體現(xiàn)了極大的時間節(jié)約性和整體協(xié)調性。
近年來，微型計算機技術的飛速發(fā)展使微機CNC緊密結合，更好地利用PC機軟、硬件資源成為開發(fā)各種計算機控制系統(tǒng)的十分重要的問題。在本快速成型系統(tǒng)中，上層主控機586工控機，為主機。下層執(zhí)行機采用80C320CPU應用系統(tǒng)，為子機。主機、子機以特定的通信協(xié)議進行雙向通訊，構成并聯(lián)的雙層系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)設計帶有分布式控制系統(tǒng)的特征。主機完成CAD數(shù)據(jù)處理和總體控制任務，主要功能有：
(1)由CAD模型生成符合快速成型工藝特色的CNC信息；
(2)將獲得的CNC信息傳給下層機，觸發(fā)信號由下層機提供；
(3)對成型情況進行監(jiān)控并進行運動參數(shù)的反饋，必要時對快速成型設備的運動狀態(tài)進行干涉；
(4)實現(xiàn)人機交互，提供真實感的零件三維CAD模型顯示和CNC軌跡信息實時顯示；
(5)提供各種可選的加工參數(shù)，滿足不同的材料和加工工藝的要求。
上層主機軟件基于Windows95平臺，主控軟件和CAD數(shù)據(jù)處理軟件采用VC++編程。操作系統(tǒng)的多線程功能使主機的各項任務可以并行執(zhí)行。提高了快速成型的加工速度?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖如圖2。
圖2 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖
下層子機系統(tǒng)進行成型運動控制。其CPU采用高速芯片DS80C320。主要任務為電氣運動控制，它一方面按照預定的順序與主機相互觸發(fā)，實現(xiàn)CNC信息和運動參數(shù)的接受，控制RP&M成型運動，一方面響應上層主機傳輸?shù)目刂泼?，對運動狀態(tài)進行控制。在下層機的設計中，為避免以往在VLSI電路之間使用LSI或MLSI器件進行接口而造成的結構繁瑣龐大的缺點，采用可編程邏輯器件(ispPLD)替代傳統(tǒng)的TTL器件，使下層機系統(tǒng)的功能和可靠性大為增強。
為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃裕陔p向系統(tǒng)通訊方案中提出精簡完善的雙向通訊規(guī)則，主機向子機傳數(shù)據(jù)采用寫外設方式?？刂葡到y(tǒng)的總體結構如圖3所示。
圖3 控制系統(tǒng)的總體結構圖
2 控制系統(tǒng)效果分析
本快速成型控制系統(tǒng)已成功應用于南京航空航天大學的選擇性激光燒結設備上，并參加了97年全國模具機床展。該控制系統(tǒng)通過采用并行化控制的總體結構和多處理器主從式交互通訊的控制方式，實現(xiàn)了多項復雜控制任務的高效并行協(xié)調運動。
主控制機控制軟件在Windows95操作系統(tǒng)下實施各項控制任務，為先進的微機軟件與具體的數(shù)控任務的有效結合開辟了思路，使數(shù)控領域能實現(xiàn)更為復雜功能更強大的控制。另外在設計中，精簡完善的通信協(xié)議對計算機短程并行通信很有意義。
該控制基于Windows95，CAD模型處理軟件采用VC++編程，Windows95和VC++提供的資源使得能在最短的時間設計出更友好的人機界面。VC++的OOP(面向對象編程)技術降低了編程的工作量，提高了程序編制的生產率，增加了程序的可靠性、可修改性和可移植性。燒結層數(shù)選擇功能，使得在工藝實驗中可以選擇CAD模型的一部分進行燒結成型。這樣，可以用不同的參數(shù)燒結CAD模型的不同層，更詳細地研究各種參數(shù)對成型過程的影響。而且停電以后再次燒結時可以從停止的部分繼續(xù)燒結。極大地方便了工藝實驗。
總之，針對快速成型技術中關鍵性的計算機控制問題和工藝特點研制的快速成型控制系統(tǒng)，對改進快速成型技術，加快快速成型技術在國內的推廣有很大的現(xiàn)實意義，同時也為復雜運動過程的計算機控制問題提供了新的思想方法和實現(xiàn)手段。
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