（机械电子工程专业论文）陶瓷快速成型机数控雕刻与自动敷料系统的研究与开发.pdf

s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e r0 fe n g i n e e r i n gs c i e n c e i 一 t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r c h e nc h a n iu a n m a r c h ，2 0 1 0 陶瓷快速成型机数控雕刻与自动敷料系统的 研究与开发 摘要 本课题针对开放式数控技术、运动控制技术和陶瓷快速成型技术的现有 技术以及其发展趋势，详细分析了陶瓷快速成型技术的现有工艺、新工艺及 其新工艺设备的控制要求，对新型陶瓷零件快速成型机机械系统的构建作了 说明，着重研究了基于g t 4 0 0 运动控制器的陶瓷零件快速成型机控制系统 的硬件和控制系统软件的设计。 阐述了具有双g t 4 0 0 运动控制器的陶瓷快速成型机数控雕刻与自动敷 料系统的研究与开发。借助g t 系列运动控制器白带的d l l 动态链接库， 对数控系统的运动控制进行了深入的研究，通过运动控制器提供的插补运动 功能实现了数控雕刻功能，把v i s u a lc + + 6 0 作为开发工具，使用m f c 类 库实现了加工过程的动态仿真功能。该控制系统能够很好地满足系统开放性 和可靠性的要求。 构建i p c + 双运动控制器的硬件平台，利用上位机i p c 来协调两卡的通 信，一个运动控制卡控制伺服交流电机实现具有雕刻功能的数控系统的进给 运动，另一个卡实现自动敷料的运动控制。 实现了人机交互界面、手动控制、敷料系统控制及参数设置等功能模块。 深入研究了数控代码的译码，实现了数控程序打开、存储查错等程序管理功 能，经过处理最终将数控程序转化为直接能控制数控雕刻及其自动敷料系统 的运动控制，并实现了点位控制、插补控制、机械回零、手动调试等手动控 制功能。探讨了系统软件的质量保障，基于对控制系统的中断响应和实时性 问题的研究，利用多线程技术开发实现了坐标显示，运动控制和状态显示， 提高了软件系统的稳定性。 开发出了操作方便、运行稳定、加工精度高的开放式陶瓷快速成型机数 控雕刻与自动敷料系统。控制系统能够很好地满足系统开放性的要求及产品 自动化生产的要求，大大的提高了经济效益。 关键词：开放式数控系统，陶瓷快速成型技术，运动控制，人机界面， 自动敷料，实时性 i i t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p t 垤e n t o f c e r a m i cr a p i dp r o t o t y p 矾g 、 m a n u f a c t u r i n gn u m e r i c a lc o n t r o l e n g r a v 矾ga n da u t od r e s s i n gs y s t e m a b s t r a c t t h ee x i s t i n gs t a g ea n dd e v e l o p m e n tt r e n do fo p e nc h i ct e c h n o l o g y ，m o t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dc e r a m i cr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yw e r ed e s c r i b e d i n t e g r a l l y a na n a l y s i so ft h ec u r r e n tc e r a m i cr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，n e w c e r a m i cr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lr e q u i r e m e n t so fn e wp r o c e s s e q u i p m e n ta b o u tn e wc e r a m i cr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y w e r eg i v e ni n d e t a i l c e r a m i cr a p i dp r o t o t y p i n gm e c h a n i c a ls y s t e m sw e r ee x p l a i n e d i tm a i n l y f o c u s e do nt h ed e s i g no fh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e ma n ds o t t w a r ec o n t r o ls y s t e m a b o u tc e r a m i cp a r t sr a p i dp r o t o t y p i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mb a s e do ng t 4 0 0 m o t i o nc o n t r o l l e r t h ed e v e l o p m e n to fc e r a m i cp a r t sr a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e mw h i c hc a l l s c u l p t u r ea n dd r e s sa u t o m a t i c a l l yw i t ht w og t 4 0 0m o t i o n c o n t r o l l e rw e r e d e s c r i b e di nd e t a i l b yt h es u p p o r to fd y n a m i cl i n kl i b r a r yb u i l ti ng ts e r i e s m o t i o nc o n t r o l l e r ，m o t i o nc o n t r o lf o rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e d b a s e d o nt h ei n t e r p o l a t i o nm o t o rf u n c t i o nt h a tm o t i o nc o n t r o l l e rp r o v i d e dt h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e ma c h i e v e dt h en u m e r i c a lc o n t r o le n g r a v i n gf u n c t i o n b yt h eu s eo f v i s u a lc + + 6 0a n dm f cc l a s sl i b r a r yt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma c h i e v e d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fm a c h i n i n gp r o c e s s t h ec o n t r o ls y s t e mc a nw e l lm e e t t h eo p e n n e s sa n dr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t so fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fi p c a n dd o u b l e m o t i o nc o n t r o l l e rw a s b u i l t i p cc o o r d i n a t e dt h ec o m m u n i c a t i o no ft h et w om o t i o nc o n t r o l l e r s am o t i o n c o n t r o lc a r dw a su s e df o rc o n t r o l l i n ga cs e r v om o t o rf e e dm o t i o no ft h ec n c c a r v i n gs y s t e m ，a n dt h eo t h e rc a r df o rm o t i o nc o n t r o lo ft h ec n c a u t o m a t i c d r e s s i n gs y s t e m h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，m a n u a lc o n t r o l ，g r a p h i c ss i m u l a t i o n ，d r e s s i n g i i i c o n t r o ls y s t e ma n ds e t t i n gp a r a m e t e rw e r ea c h i e v e d t h en cc o d ec o m p i l a t i o n a n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o dw e r es t u d i e d ，a n dt h es y s t e mr e a l i z e dp r o g r a m m a n a g e m e n t f u n c t i o n ss u c ha s o p e n i n g t h en cp r o g r a m ，s t o r a g ea n d t r o u b l e s h o o t i n g n cp r o g r a mw o u l de v e n t u a l l yb ep r o c e s s e di n t ot h ed i r e c t m o t i o nc o n t r o lo fc n c e n g r a v i n ga n da u t o m a t i cd r e s s i n g a n dm a n u a lc o n t r o l f u n c t i o n sw e r ea c h i e v e d ，s u c ha sap o i n tt op o i n tc o n t r o l ，i n t e r p o l a t i o nc o n t r o la n d m a n u a ld e b u g g i n g b a s e d o nt h e s t u d y o fi n t e r r u p tr e s p o n s ea n dr e a l - t i m e p r o b l e m ，t h et o p i cp a ym o r ea t t e n t i o no nt h ed i s c u s s i o no fa s s u r 觚c ea b o u t s o f t w a r eq u a l i t y m u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g yw a su s e dt oa c h i e v ec o o r d i n a t e d i s p l a y ，m o t i o nc o n t r o la n ds t a t u sd i s p l a y t h eu s eo fm u l t i - t h r e a d i n gt e c h n o l o g y i m p r o v e d t h es t a b i l i t yo ft h es o f t w a r es y s t e m a u s e r f r i e n d l y ，s t a b l eo p e r a t i o na n dh i g hp r e c i s i o nm a c h i n i n go p e nc e r a m i c r a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e mw i t ht h ea b i l i t yo fc n ce n g r a v i n ga n da u t o m a t i c d r e s s i n gw a sd e v e l o p e d t h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hs m i s f i e dt h er e q u i r e m e n t so f o p e na n dp r o d u c t a u t o m a t i cp r o d u c t i o ni m p r o v e se c o n o m i ce f f i c i e n c y k e y w o r d s ：o p e n n u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ，c e r a m i cr a p i dp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y ，m o t i o nc o n t r o l ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，a u t o m a t i c d r e s s i n g ，r e a l t i m e i v 目录 摘j i e i a b s t r a c t i i i 目录一i 1 绪论：1 1 1 开放式数控系统的发展1 1 1 1 国内外开放式数控系统的发展现状l 1 1 2 数控技术的发展趋势2 1 1 3 当今开放式数控系统所面临的课题3 1 2 运动控制技术的发展和研究现状5 1 3 陶瓷快速成型工艺及其设备的发展6 1 3 1 陶瓷快速成形技术的现有工艺方法6 1 3 2 陶瓷快速成形技术的新工艺及控制要求8 1 4 本课题的研究目的及意义9 1 5 小结一10 2 快速成型机控制系统总体设计1 l 2 1 系统硬件总体结构1 l ，乒= = ，= 2 1 1 硬件总体设计框架一1 1 2 1 2 硬件系统总体框架说明1 2 2 1 3 控制系统的硬件构建1 3 2 2 系统软件功能总体设计1 4 2 2 1 总体框架一1 4 2 2 2 软件总的执行过程一1 6 2 3 小结。1 7 3 主控制界面的设计及功能的实现1 9 3 1 主控制界面设计1 9 3 2 数控程序的译码2 0 3 2 1 数控程序的编译与处理2 0 3 2 2 数控程序的查错2 2 3 2 3 数控程序的解释一2 4 3 3 轴联动功能实现一2 5 3 3 1 三轴坐标映射的建立2 6 3 3 2 多段坐标系轨迹连续运动实现2 6 妒 i i i 陶瓷快速成型机数控雕刻与自动敷料系统的研究与开发 1 绪论 1 1 开放式数控系统的发展 计算机数字控制技术( c o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l ，简称c n c ) 是综合了机械制造、计算 机、电气传动、测量和自动控制等各种技术而形成的- - f - j 综合性的科学，其功能强弱、 性能优劣将会直接影响着数控设备的加工质量和效益，对整个制造系统的集成控制、高 效运行、更新发展都具有极为重要的影响。 随着制造技术的发展，社会对制造设备提出了更高的要求，要求制造设备具有高效 率、高质量、高柔性及成本低的特点，数控机床作为一种自动化的加工设备而被广为采 用。数控机床的配套系统中最关键的是数控系统，它是微电子技术、硬件技术、图形显 示技术、计算机软件、伺服技术、通讯网络技术和控制技术的结晶，在现代机床中它已 成为数控机床极为重要的组成部分。 1 1 1 国内外开放式数控系统的发展现状 “ 在8 0 年代初，就开始了推广基于p c 的开放式数控系统，但是到9 0 年代初才得以实现。 1 9 8 7 年，美国空军研究机构提出了一个关于控制器的研究计划，名叫“n g c ，即为n e x t g e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ，另外还提出了一个开放式体系结构标准，这t 。 个标准为后来数控系统的研究，奠定了基础，该标准的英文名称为“s o s a s ，即为 s t a n d a r d so f o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o r a u t o m a t i cs y s t e m s 。世界上有许多数控系统的研 究机构利用p c 机丰富的软硬件资源开发具有开放式体系结构的新一代数控系统。影响 较大的有美国的0 m a c 、欧洲的0 s a c a 和日本的o s e c 等计划。8 0 年代到9 0 年代期 间，开放式数控系统大致产生了三种不同类型的结构：第一种结构是在专有控制系统中 简单地嵌入p c 技术；第二种结构是运动控制器以插件的形式插入到p c 机扩展槽；最后 一种结构是完全采用以通用p c 作为硬件平台的全软件型数控系统。 我国的数控技术经过“六五 、“七五 、“八五 、“九五 以及本世纪初的几年，有 2 0 多年的发展，基本上掌握了其关键技术，已经初步形成了我国自己的数控产业。在“六 五”到上世纪末期间开发出了四个基本系统，这四个系统是基于两种平台的。其中，航 天工型和蓝天工型是属于同一平台的，该平台主要是将p c 机嵌入到整个数控之中构成 的多机数控系统，很显然，这种平台是典型的前后台型结构。另一个平台则是采用数控 专用模板嵌入通用p c 机构成的单机数控系统，具有代表型的两个系统华中工型和中华 工型。目前的开放式的数控系统3 种结构形式简单概述为：专用c n c + p c 机、工业p c + 运动控制卡和全软件型。其中，工业p c + 运动控制卡形式的开放式数控系统可以充分利 用通用操作系统以及高级编程语言进行系统的开发，因此是目前开发比较简单、性能比 陕西科技大学硕士学位论文 较好并且越来越不断被采用的一种结构。 随着计算机软硬件技术的发展，目前对开放式系统的特征可以总结为：开放式控制系 统的硬件和软件都应该是柔性的，它允许改变硬件的一般参数配置，而软件更在所有控 制级别上可以实现功能及控制各方面上的改变；开放式系统允许第二方软件作为系统的 零部件增加进来，也就是说它是一个具有标准化的系统，在这个标准上系统能在部件级 别上与其他部件集成在一起，并且可以共享数据；一个开放式控制系统能在系统的级别 上同其他控制系统协同工作，具有网络兼容等功能；控制器必须是标准化的，以使第二 方能在其基础上参与新硬件以及新软件的开发。 现今的数控系统不论在结构和功能上，还是在操作与控制上都有了迅速的发展和相 当大的变化以大板或总线模板结构为基础，在插槽中适配各种相应功能模块组成多c p u 的c n c 装置，已成为数控系统硬件的主要结构形式。但在具体的开发过程中还是存在 一些问题，其中对开放性的要求是最大的问题，现在的数控系统，对开放性的要求越来 越严了，开放性高，便于用户进行二次开发；另一个存在的问题就是开发环境和支持手 段不足，这一点与综合国力和科技发展的水平有很大关联，国家应加大这方面的财政支 持，使更多的科研单位，甚至更多的用户对其进行开发 1 - 7 1 。 1 1 2 数控技术的发展趋势 纵观数控技术的发展，经历了直接数字控制到现今的计算机数字控制，目前正朝着 开放式、高速度、高精度、智能化的方向发展。开放式方向具有开放式、低成本、高可 靠性、软硬件资源丰富以及二次开发与升级方便等特点；高速度、高精度的方向适应现 代制造技术多样化、高精度、高效率的要求；智能化的方向在现代数控系统中应用了自 适应的控制技术、智能化伺服装置，并引入了专家系统作故障诊断的特点。数控技术的 发展趋势可以概括为五个方面：( 一) 数控系统体系结构正朝向基于p c 的全数字化开放 体系结构发展，基于p c 的开放式数控系统已得到广泛认可，具有非常强大的生命力， 全数字化是以后数控系统发展的必然趋势，编码器到伺服的接口数字化也必将获得较大 发展，驱动单元三环( 位置环速度环电流环) 必然会全数字化，多通道软件体系结构是适 应整合数控机床的至上选择；( 二) 网络化功能从单一的数据传输向网络监控、维护和管 理方向发展，以太网接口已成为数控系统与外部计算机联网通讯的主要选择渠道，零件 的加工程序等文件的快速网络传输已成为数控系统的基本功能，加工过程的网络监控允 许对整个工厂进行网络管理；( 三) 高速高精度是数控技术发展的永恒主题，高速、高精 度已成为高档数控机床的主要特征；( 四) 智能化是提高数控加工效率的最有效手段； ( 五) c a d c a m 与c n c 的集成是扩展数控系统功能的重要途径。 随着各功能模块的高度集成化、智能化以及计算机技术、通信技术、微电子技术的 发展，未来的控制系统必将把数据的采集、处理、伺服驱动、执行单元、反馈单元集成 2 陶瓷快速成型机数控雕刻与自动敷料系统的研究与开发 在一起，形成一个完整的系统，基本上成为了一台机器人但是对于标准化目前还缺少统 一的认识，现有的软硬件科学的发展还不够完备，所以开放式数控系统还有很长的路要 走。 高档数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证国防工业和高技术产业 发展的重要战略物资，工业发达国家至今限制将高档数控系统买给中国。目前，国产高 档数控系统的发展及产业化速度严重制约了自主高端数字化装备的研制，在航空航天、 船舶、发电设备、轨道交通等的大型专用数控机床及工艺装备上基本都依赖进口，这种 境况已严重威胁到国民经济建设和国防安全，加快高档数控系统的研制迫在眉睫。 随着生产技术的发展，以及中小批量的产品越来越多，机床的柔性和多功能化必然 成为一种趋势。机床的使用者希望把数控系统定制成为符合特定的加工工艺的控制系统， 并且逐步摆脱对控制系统厂家的依赖。针对这种现状，开发出开放性的基于运动控制器 的针对不同的应用要求和环境的数控系统，让户用自由地选择与配置不同的硬件和软件， 并根据实际需要在开放式系统的基础上开发出适合需求的专用系统，能够扩充系统相关 功能，是数控技术发展的必然趋势【7 - 1 2 1 。 1 1 3 当今开放式数控系统所面临的课题 随着开放式数控系统飞速发展，其所面临的课题非常广泛，可以归结为如下五个方 面： ( 1 ) 以软件为基础的运动控制器的开发 在开放性数控的研究与开发过程中，软件的应用越来越受到重视。以前几十年主要 是面向硬件的，如今已经由面向硬件( h a r d w a r eo r i e n t e d ) 的开发转向软件( s o f t w a r e o r i e n t e d ) 的开发了。o m a c 的最早倡议者g m 公司认为，机床的控制器可以实现各种 不同程度的开放，最高程度的开放则是以软件技术为基础的。本课题所选用的g t 4 0 0 运 动控制器就是以软件为基础的控制器，给终端用户很大的开放性。 ( 2 ) 一致性的人机界面( m m i ) 人机交互界面，无论是面向现场控制器还是面向上位监控管理，两者有密切内在联 系的，他们监控和管理的现场设备对象是相同的，许多现场设备参数在他们之间是共享 和相互传递的。人机界面的设计遵行：一以用户为中心的基本设计原则；二顺序原则； 三功能原则；四一致性原则；五频率原则；六重要性原则；七面向对象原则。人机 界面的标准化设计体现了未来的发展方向，因为它确实体现了易懂、实用、简单的基木 原则，充分表达了以人为本的设计理念。各种工控组态软件和编程工具为制作人机交互 界面提供了强大的支持工具，系统越大越复杂越能体现其优越性。另外对用户友好，具 有一致性的数控系统的操作界面，对于降低数控工作人员培训费用和系统维护费用都具 有比较重要的意义。 3 陕西科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 数控系统开放程度 o s a c a 规定了数控系统开放程度为3 个层次，分别为：全开放、人机界面开放、内 核有限开放。其中，人机界面开放只限于非实时控制部分( 只面向用户应用) 。对于内核 有限开放的的层次，其特点是数控系统内核结构固定，只是留有插入用户专用软件的接 口。人机界面开放和内核有限开放这两种数控系统的开放程度目前已经实现了。内核的 完全开放是由过程可互换性、可升级性、可移植性、互操作性等决定的，最终目的是要 求实现在标准平台上能够任意组合所有模块的功能。本课题所研究的陶瓷快速成型机数 控雕刻与自动敷料系统的开放程度为人机界面开放和内核有限开放。 ( 4 ) r t o s ( r e a l t u n eo p e r a t i o ns y s t e m ) 的开发与应用必须引起重视 虽然开放性数控要求并不依赖特定的软硬件平台，但是不代表所有的操作统都能满 足数控系统的需要。对于开发数控系统的开发人员来讲，必须考虑到数控加工的实时性 的要求，现在流行着多种操作系统，用户和c n c 开发厂商都可以做出多种选择。单片 机处理器能力的提高和应用程序功能的复杂化、精确化和健全化，迫使应用程序划分成 多个重要性不同的任务，在各任务间优化地分配c p u 时间和相关系统资源的同时，必须 要保证实时性的要求。靠用户自己编写一个实现上述功能的内核是不现实的，而这种需 求又是普遍的。在这种形势之下，由专业人员编写、满足大多数用户需要的高性能r t o s 内核非常必要。再者，单片机系统软件开发日趋工程化，产品进入市场时间不断缩短， 需要寻找一种有利于程序继承性、标准化、多人并行开发的管理方式。从长远的意义上 来讲，r t o s 的推广能够带来嵌入式软件工业更有效、更专业化的分工，能够减少社会 重复劳动、提高生产率。 r t o s 建立在单片机硬件系统之上，用户的一切开发工作都进行于其上，因此它可 以称作一个平台。采用r t o s 的用户不必花大量时间学习硬件，可直接开发，相比较起 点更高。对于开发人员来说，则相当于在程序设计中采用一种标准化的思维方式，提高 了知识创造的效率；同时具有类似的思路，能更快地理解同行其它人员的创造成果。 r t o s 还是一个标准化的平台，它定义了每个应用任务和内核的接口，促进了应用 程序的标准化。应用程序标准化后便于软件的存档、交流、修改和扩展，为嵌入式软件 开发的工程化创造了条件。嵌入式软件标准化推广到社会后，可以促进软件开发的分工， 减少重复劳动。 实时多任务操作系统( r t o s ) 主要遵行的原则：更加面向硬件系统，而不是操作者； 实时性和多任务的要求；不同的典型外设驱动支持；高可靠性。 ( 5 ) 具备网络通信功能 在综合化的生产环境中，网络通讯功能成为c n c 系统的必备功能。在网络化的环 境下如何实现数控程序在不同数控机床上的可移植性是一个值得研究的重要课题 7 - 1 4 】。 4 陶瓷快速成型机数控雕刻与自动敷料系统的研究与开发 1 2 运动控制技术的发展和研究现状 运动控制是伺服控制技术的发展，是在复杂条件下将预定的方案、指令转变为期望 的机械运动，运动控制系统可使被控制的机械运动实现精确的位置、速度、加速度、转 矩或力的控制及这些被控机械量的综合控制。 在运动控制系统中，按执行部件的类型分可以分为开环、闭环和半闭环伺服系统。 对于采用步进电机驱动的开环系统，没有位置反馈和校正控制，其位移精度取决于步进 电机的步距角及传动机构的精度。而闭环和半闭环伺服系统多了位移测量和位置比较环 节，这样可达到比开环系统更高的精度。由于闭环控制系统直接测量移动部件的位移所 以比半闭环控制系统的精度更高。 运动控制有3 种动力源，即气动、液动和电动。在中小功率的运动控制系统中，通 常采用电气控制，同时也可以实现各种智能控制。运动控制器由大规模集成电路构成， 同时具有位置、速度、电流闭环调节环节，配上功放等少量外围设备，便可实现一个特 定要求的设计。 现代运动控制技术是计算机技术、传感技术、电力电子技术和机械工程技术的综合 应用，可用于机械传动的自动化和智能化的创建以及机械传动的运动位置、运动轨迹和 各种运动参数进行实时的控制和管理。与传统的运动控制技术相比，现代运动控制技术 具有如下特点：在系统结构方面，现代运动控制系统是一种闭环系统，常带有编码器、。 激光干涉仪和视觉系统等传感测量直流、交流伺服电机而进行控制；支持一般开关量和 模拟量的过程控制；软件结构方面，现代运动控制系统采用开放式模块结构设计，提供 开放的软件接口，支持第三方软件模块的堆积，提供完整的操作环境、开发环境，并能 满足各种运动控制系统在系统操作和系统开发上的需要；现代运动控制系统采用开放式 模块结构设计，d s p ( 数字信号处理器) 与f p g a ( 现场可编程门阵列) 相结合，在硬件的规 划上，具有高浮点计算功能、高速处理信号能力和高效的通讯能力，并具有高集成度、 高可靠性。 基于运动控制技术的数控系统，无论硬件组成还是软件设计都十分简便，而性目 匕v , ，4 k e i 高，使数控系统开放化、大众化、柔性化、低价化，数控技术更易于推广。将n c 插入 到p c 中，以p c 作为系统平台，n c 部分主要是运动控制器( m cm o t i o nc o n t r o l l e r ) ，通 过p c i 现场总线与p c 相连，由p c 处理一些实时性不强的任务。后台计算、在线编程、 粗插补，细插补、电机控制等由运动控制器完成，本课题所开发的陶瓷快速成型机数控 雕刻与敷料系统就是采用n c 加入到p c 的这种结构。 目前从结构上讲，基于计算机标准总线的运动控制器是目前市场上的主流产品。这 种运动控制器大都采用d s p 作为c p u ，可完成高速实时插补、运动规划、伺服滤波控制 及p l c 等功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在d o s 或w i n d o w s 等平 5 陕西科技大学硕士学位论文 台下自行开发应用软件，组成各种适合自己控制要求的特定的控制系统。固高科技公司 生产的g t 系列运动控制器就是这种性能好、功能全的产品，可用它很方便地组成开放 式数控系统【1 5 1 9 1 。 1 3 陶瓷快速成型工艺及其设备的发展 1 3 1 陶瓷快速成形技术的现有工艺方法 快速成形( r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，简称r p ) 是8 0 年代中期发展起来的 一种造型新技术，它将传统的“去除”加工法改变为“增加”加工法。其原理是采用层积法， 在成形过程中，先用三维造型软件在计算机中生成部件的三维实体模型，用分层软件对 其进行分层处理，即将三维模型分成一系列的层，将每一层的信息传送到成形机，通过 材料的逐层叠加得到三维实体件。r p 技术无需机械加工或任何模具，可以直接从c a d 模型生成复杂形状的制件，产品研制周期缩短，生产率提高，生产成本降低。 r p 技术综合了激光、光化学、材料学以及高分子聚合物和计算机辅助设计等多种技 术，其应用领域相当广泛，并且随着r p 技术的发展与其它材料加工技术的发展相结合， 应用领域将不断扩大，对于难制造、难加工的复杂形状的陶瓷零件生产，都应用了快速 成型技术。另外快速成型技术可以制造出电容器、电路基板、薄膜热电偶、应力传感器 等功能梯度材料或功能材料，下面介绍目前已用于制备陶瓷零件的r p 技术。 l o m ( 激光薄片叠层制造l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 是快速成型制造领域中 研究陶瓷部件制造较早的一种工艺，其原理是利用激光在x 哆方向的移动切割每一层陶 瓷薄片材料，每完成一层的切割，控制工作平台在z 轴方向的移动以叠加新一层的薄片 材料，激光的移动由计算机来控制，层与层之间的结合可以通过粘结剂或热压焊合。由 于该方法只切割出轮廓线，因此成型速度较快，非常适合制造层状复合材料。由于成型 精度较低，适合制造大中型的陶瓷零件。 f d m ( 熔融沉积成型f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 将cad 模型分为一层层非常薄 的截面，生成控制熔融堆积成型喷嘴移动轨迹的二维几何信息。首先加热头把热熔性材 料( abs 、尼龙、石蜡等材料) 加热到临界半流动状态，接着，在计算机控制下，喷嘴 头沿ca d 确定的二维几何信息运动轨迹挤出半流动的陶瓷浆料，沉积固化成精确的零 件薄层，垂直升降系统降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一 个零件的三维实体。f d m 不使用激光器，成本较低，但由于喷头口径比较大，与激光成 形相比，成形精度稍低，成形精度可达士0 1 m m 。 s l s ( 选择性激光烧结s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 法用各种粉末( 金属、陶瓷、蜡粉、 塑料等) 为材料，利用滚子铺粉，用c 0 2 高功率激光器对粉末进行加热，直至烧结成块。 该方法可以加工出能直接使用的金属器件。由于s l s 工艺粉层原始密度低，因而产品密 6 陶瓷快速成型机数控雕刻与自动敷料系统的研究与开发 度也低，多应用于铸造型壳制造。原料采用具有反应性的树脂包覆的陶瓷粉，在选用s l s 方法烧结过程中，型壳部分成为了烧结的实体，而里面部分仍为未烧结的粉末。在烧结 工艺完成后，将壳体内部粉末统统清除干净，再在一定温度下继续烧结，使第一次烧结 过程中未完成固化的树脂继续充分固化，得到型壳。这种方法得到型壳强度很大、透气 性和发气量均能满足用户的要求、但型壳表面光洁度差，该成型方法有待改善。 3 d p ( 三维打印t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ) 工艺是指配制6 0 v 0 1 陶瓷粉浆，多层 打印( m u l t i l a y e rp r i n t i n g ) 制备陶瓷件。打印基底是滤纸和硝化纤维，首先将配好的z r 0 2 悬浮液逐层打印到基底上，成形后在气体保护下加热至1 2 0 c 保温l h 以去除溶剂。再置 于a 1 2 0 3 粗颗粒铺层上或a 1 2 0 3 平板间，空气中加热至4 5 0 。c 保温，最后去除基底，1 5 0 0 烧结成件。通过喷碳黑“墨水”，可调整微结构。3 d p 工艺在制备陶瓷件的过过程中， 最有难度的地方是进行配制“墨水”，墨水不需要粘度太大，因此需要添加一定的稀释剂， 虽然添加了稀释剂后，解决了粘度大的问题了，但带来了新的问题干燥以及孔隙，该陶 瓷零件快速成型工艺今后要努力的方向是应该合理选用分散剂，增加陶瓷粉体积含量， 同时提高溶剂挥发性，另外，一定要控制好干燥过程，这样，也就控制了随后的喷“墨” 过程。 一 l s l ( l a s e rs t e r e ol i t h o g r a p h y ) 法是必须以各类树脂为成形材料，以氦一镉激光器为 能源，以树脂受热固化为特征的快速成形方法。由c a d 系统设计出零件的三维模型，。二 分属设定工艺参数，由数控装置控制激光束的扫描轨迹。当激光束照射到液态树脂时， 被照射的液态树脂开始固化。当一层加工完毕后，生成了零件的一个截面，然后移动工 作台，逐层完成。鬯 r p 技术所使用的材料，即其应用领域已从开始的光敏固化树脂领域扩展到其它诸如 塑料、金属、陶瓷等，工艺也不断得到改进。在陶瓷零件快速成型的领域中应用的r p 技术有l o m ，f d c ，s l s ，3 d p ，s l s 等工艺，其中l o m 技术制备高质量的陶瓷零件 有着绝对的优势，而f d c ，s l s ，3 d p ，s l s 这四种工艺由于坯体密度低，所以很难得 到高致密度陶瓷零件，但是它们有其自身的优点，成形快，如果是制造要求不高的陶瓷 件将是很好选择。 由于无需模具，无需机械加工，随时调整工艺方法，r p 技术在制备形状复杂的陶瓷 零件，功能梯度材料，具有微结构的陶瓷件及多孔陶瓷件等方面有着广阔的前景。r p 技术在陶瓷零件快速成型领域中的发展方向，应该首先在保证能够成形的前提下，进而 实现提高坯体中陶瓷粉的含量；其次是提高陶瓷件的层间结合质量，尽量减少各向异性， 目前用于陶瓷快速成型的工艺中的切片都是平面，今后可以发展到曲面切片，也许恰恰 这样能很好的提高制件的性能【2 0 - 2 4 。 7 陕西科技大学硕士学位论文 1 3 2 陶瓷快速成形技术的新工艺及控制要求 本节主要讨论陶瓷的现有工艺l o m 和f d m 相结合的新工艺和其新工艺所对应的设 备以及对其执行动作进行分析。 al o m 与f d m 相结合的新工艺 、 为了寻找一种既容易实现又经济的制造陶瓷零件的新工艺，我们将制造陶瓷零件的 l o m 与f d m 技术相结合，在现有条件下，将去除材料成型的雕刻机改造成为添加材料 成型的快速成型机。主要工艺步骤如下： 第一步，用铺料斗在雕刻平台上先铺一层熔融的石蜡，待凝固后作为雕刻的基板； 第二步，在计算机程序控制下用刻刀在蜡板上刻出制件的截面轮廓，石蜡碎屑通过 吹风装置吹走； ” 第三步，再通过铺料斗的x 向运动在雕刻过的蜡板上铺一层混有石蜡的陶瓷浆料， 通过与料斗相连的刮板将刻痕以外的多余陶瓷浆料刮入废料槽中； 第四步，铺料平台通过滚珠丝杠在z 轴方向向下平移o 1 2 m m ，确保下次工序顺利 进行； 第五步，重复步骤l 4 ，逐层叠加，最后完成实体成型。 bl o m 与f d m 相结合的新工艺控制要求【2 5 之8 】 将用于陶瓷快速成型的l o m 技术与f d m 技术相结合，将去除材料成型的雕刻机改 造成为添加材料成型的快速成型机，具有经济效益更好，成型速度更快，精度更高等优 点。新型陶瓷快速成型机械系统如图1 1 所示，主要由机架、刻刀、进给机构、主轴、复 678g 1 一工作台水平运动装置2 一铺料台3 铺料台凸形边缘4 一接近开关机架5 一刻刀x 向驱动电 机6 一雕刻系统7 一刻刀升降驱动电机8 弹簧9 机架1 0 、1 1 料斗x 向运动丝杠导轨1 2 加热装置 1 3 一料斗x 向驱动电机l 删料台凸形边缘1 5 y 向滚珠丝杠1 6 铺料台升降驱动1 7 铺料系统1 8 一 料斗1 9 _ y 向导轨2 0 一料斗x 向运动丝杠导轨2 l 一刮平装置 图1 1陶瓷快速成型装置结构图 f i g l lt h ed e s i g no f c e r a m i cr a p i dp r o t o t y p i n gs c u l p t u r e 8 陶瓷快速成型机数控雕刻与自动敷料系统的研究与开发 位弹簧等机构组成，刻刀可在x 轴方向实现水平运动和z 轴方向实现升降运动，工作台主 要在y 向运动。该雕刻机机械系统主要用于在铺设好已冷却的石蜡层上铣削制件每一层 的形状，以利于后继的陶瓷浆料的填充。 为了使雕刻和铺料机构及其各部件能够更好的非常协调的运行，更好地实现雕刻和 辅料控制，分析铺料机构的详细动作非常有必要。敷料主要运动分为水平上的运动和竖 直上的运动，水平上所需要的运动轴用u 轴表示，竖直上的运动轴用v 轴表示。陶瓷零 件快速成型机铺料系统的运行的动作如下：( 一) 在系统的初始状态( 料斗停在原位，刻 刀及丝杠停转) 时，工作台进行复位，启动系统水平运动方向的电机正转带动料斗左行 并开始铺石蜡，同时必须打开加热及搅拌开关，最好是在整个敷料过程中加热和搅拌一 直运行。( - - ) 石蜡铺到位，控制石蜡斗关闭，同时电机反转带动料斗回到原位