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基於 Linux CNC 數（shù）控係統和 Ether CAT 總線的複雜異型孔激光加工機床的開發與（yǔ）應（yīng）用

2020-10-10 來源：中國科學院大學（xué）寧波材料技術（shù）工程研究所作者：王斌（bīn）茹浩磊王雲峰陳（chén）曉曉張天潤等

摘要: 為了實現航空發動機渦輪葉（yè）片複雜（zá）異型氣膜冷卻孔的精密低損傷（shāng）加工，開發了一種基（jī）於Linux CNC 開源數控係統和 Ether CAT 通訊（xùn）總線技術，具有 5 個（gè）機械軸和（hé）二個光學軸的激光加工機床。文章詳細介紹了機床（chuáng）整體方案設計、五軸（zhóu）運動係統設計、激光及光學係統（tǒng）設計、CCD 視覺定位與自動聚焦係統設計、控製（zhì）係（xì）統設計及軟件開發與集成設計等內容。試驗結果表（biǎo）明，該（gāi）機床直（zhí）線軸重複定位精度和旋轉軸（zhóu）重複（fù）定位精度分別優於 5μm 和 5arcsec，技術指標達到設計要求，並可（kě）實現複雜曲麵上複雜氣膜冷卻孔陣列的低損傷製備。

關鍵詞: 激光（guāng）加工; 掃描振鏡; 複雜異型孔（kǒng）; Linux CNC; Ether CAT

0 引言

氣膜孔冷卻技術是 20 世紀 50 年代發展起來（lái）並在航（háng）空發動機上廣泛使（shǐ）用的一種主動冷卻技術，最初使用了直圓（yuán）孔（kǒng）。美國 GE 公司（sī）等上世紀 80 年代中期開（kāi）始（shǐ）使用冷卻效率更高的異型孔，孔的形狀經（jīng）曆了從直圓孔、簡單（dān）異型孔到複雜異型孔的演變。

通過使用先進的（de）異型（xíng）氣膜孔（kǒng）冷卻技術，GE 公司已（yǐ）經將航（háng）空發動機的（de）總（zǒng）體冷卻效率從 1985 年（nián）的約 0．3 提高（gāo）到了 2010 年的 0．6 以上。由（yóu）於未能（néng）突（tū）破複雜異型冷卻技術，我國航空發動機冷卻孔（kǒng）技術基本處於西方國家 1985 年的水平。目前國產新型發動（dòng）機可靠性和總體性能提高的瓶頸之一就是先進氣膜冷卻孔製備技術（shù）［1］。氣膜（mó）冷卻孔製（zhì）備技術主要包括電火花加（jiā）工、電解加工、激光加工（gōng）等。其中，激光加工作為一種非接觸式的（de）加工方式，具有快（kuài）速、靈活、能量精密可控及對難加工（gōng）材料的廣適性等特點，在航空發（fā）動機葉片多層複合結構的精密低損傷加工上具有獨特的（de）優勢。但由於高性能（néng）葉片是一個外形曲麵、內腔複雜的結構，同時葉片高溫合金基體（tǐ）上需要塗（tú）覆 TBC 陶瓷塗層（céng），要（yào）利用（yòng）激光在複雜葉片上“先塗層後（hòu）打孔”加工出高（gāo）精度複雜異型孔，麵臨著很多的技術挑戰，包括:

①單台激（jī）光器一次裝卡穿越高溫合金/TBC 複合結（jié）構，實現多類材料單一工況（kuàng）的（de）升華式加工; ②大傾角( 20° ～ 60°) 、大深度( 2 ～ 6mm) 、三維可控、精密低損傷加工; ③複雜（zá）葉片的空間在線定位與校正［2］等。國內雖然（rán）對單晶高溫合金/TBC 複合結構激光加工（gōng）進行了大量工藝研（yán）究［3］，但這些問題尚未完全解決，而相關技（jì）術國外對中國嚴密封鎖（suǒ），先進的孔加工設備也對中國（guó）嚴格出口限製。為此亟需自主研發葉片級複雜異（yì）型孔的激光加工機床。

本文將五軸聯動機（jī）械運動係統（tǒng）和二維掃描（miáo）振（zhèn）鏡光學係統結合起來，進（jìn）行機床整體方案、五軸運動係統（tǒng）、激光及光（guāng）學係統、CCD 視覺定位與自動聚焦係統、控製係統、軟件開發與集成等方麵的設計，組（zǔ）成“5 +2”軸（zhóu）的智能（néng）化激（jī）光（guāng）加工機床。其中，五軸聯動機械運動係統用於（yú）實現工件待加工處的法向定（dìng）位等宏觀空間運動，二維振鏡掃描係統（tǒng）結合機械 Z 軸焦點補（bǔ）償可（kě）以實現微小局（jú）部的高（gāo）速逐層去除加（jiā）工，宏微結合，實現複雜曲（qǔ）麵工件上複雜異型氣膜冷卻孔的製備。

1、 Linux CNC 數控係（xì）統和 Ether CAT 總（zǒng）線

傳統的（de）激光加工機床多采用專用數控係統，這種數控（kòng）係（xì）統由於采用封（fēng）閉（bì）式結（jié）構模式，係統的擴展性和靈活（huó）性受（shòu）到了限製，因此很難將工藝經（jīng）驗、專用技術集成到控製係統中去（qù），造（zào）成數控係統的很多功能（néng）閑置，且成本較高［4］。Linux CNC 是用於通用數控機床及機器人等運動控製的開放式（shì）數控係統，最高支持 9 軸（zhóu）運（yùn）動控製，是（shì）一款開放源代碼（mǎ）的免費軟件。與目前常（cháng）見的高度集成（chéng）化的數控方（fāng）案相比［5］，使（shǐ）用 Linux CNC 的數控方案具有更好的通用性，可拓展的空間廣泛。Linux CNC 在具有ＲTAI 或 Preempt-ＲT 實時內核的 Linux 操作係統上運行，由（yóu）運動控製( EMCMOT) 、I /O

控製( EMCIO) 、任務調度 ( EMCTASK) 、交互界麵 ( GUI) 、硬件抽象層( HAL) 等模塊構成。Linux CNC 的代碼成熟穩定，各模塊獨立設計，方便進行二次開發。

Ether CAT( Ethernet for Control Automation Technol-ogy) 是由德國自動控（kòng）製公司 Beckhoff( 倍福) 開發的一種工業以（yǐ）太網技術，具備高性（xìng）能、低成本、應用簡易等（děng）優點，可以有效（xiào）的降低成本和應用難度，在現代控製領域中得到了廣泛的應用［6］。Ether CAT 可在 30μs 內（nèi）處（chù）理 1000 個分布式 I /O，可在單個以太網幀中最多實現1486 字節的分布式過程數據通訊，相當於 12000

個（gè）數字量（liàng）輸（shū）入（rù）或輸出［7］，網絡規模幾乎無限，可實現最（zuì）佳縱向（xiàng）集成。

通過將 Ig H Ether CAT Master 提供的應用接口封裝為 Linux CNC HAL 下的實時組件（jiàn），即可實現 Linux C-NC 對 Ether CAT 驅動的動態加載。

2 、掃描振鏡高速（sù）掃描技術

掃描振鏡（jìng）的工作原理（lǐ）是，當輸入（rù）一個位置信（xìn）號時（shí），裝有鏡片的擺動電機( 振鏡) 就會按一定（dìng）電壓與角度的轉換比例擺（bǎi）動一定（dìng）角度，擺動電機的動作過程采用閉環反饋控製。因此，入射的激光束被可（kě）以沿軸高速擺動的 x 軸和 y 軸振鏡（jìng）片反射，然後通過一片平場透鏡聚焦，通過控製振鏡擺動角度，即達到改變（biàn）激光光束路徑的目的。與機械運動軸相比，掃描振鏡的掃描速度快，可以解決（jué）機械軸運動的（de）慣性加（jiā）速減速問題，特別適合小範圍的高速掃描，如 1mm 範圍內實現 500mm /s 以上的掃（sǎo）描速度，大於 10mm 則（zé）可以實現 10m /s 的掃（sǎo）描速度。

目前（qián）掃描振鏡已經成為激光加工中（zhōng）一項非常重要的工具（jù）。其市（shì）場（chǎng）已經從傳統打標和快速成型的應用範圍擴展到多個領域的激光材料加工，包括刻蝕、切割、焊接、表麵處理等應用。

3 、機床設計與集成（chéng）

3． 1 整（zhěng）體方案設計

整個激光（guāng）加工機床由（yóu）五軸精（jīng）密運動係統（tǒng）、激光與光學係統、CCD 視覺定位與自動聚焦係統、機床控製係統、人機交互界麵以及其它輔助係統構成，總係（xì）統結構框架如圖 1 所示。

圖（tú） 1 係統結構示意圖（tú）

3． 2 5 軸運動係統設計

5 軸（zhóu）精密運動係統包括 X、Y、Z 三軸直線運動模組、A 軸和 C 軸兩個旋轉運動模組等。其中 X、Y、Z 三軸（zhóu）運動模組將采（cǎi）用（yòng）龍（lóng）門式結構。為了獲得有（yǒu）效的隔震效果（guǒ），底座、橫梁、立柱和導軌基座均采用天然花崗岩經人工打磨製作（zuò），其中（zhōng） X 軸、Y 軸（zhóu）模組均采用直線電（diàn）機，導軌采用高（gāo）精密導軌。為防止 Z 軸（zhóu）在失電情況（kuàng）下，由於重力原因產生自（zì）動（dòng）下滑（huá）的現（xiàn）象，造成設備的損壞，Z 軸模塊采用抱閘電機直聯高精密滾珠絲杆傳動。為了（le）提高 5 軸的定位精度和運動精度，在各模塊中安裝絕對值光柵編碼器（qì），形成閉環控製。為保（bǎo）證旋轉軸的旋轉精度和實時控製，A 軸和 C 軸均采用力距電機並配絕對值圓光柵，形（xíng）成閉環反饋係統。

該（gāi）龍門式結構跨（kuà）度為 1300mm，高度為 1000mm，X軸有效（xiào）行程為 500mm，設計重複定位精度為（wéi） ± 5μm，最大速度 1m /s; Y 軸有效（xiào）行程為 500mm，設計重複定位精度為 ± 5μm，最大速度 1m /s; Z 軸有效行程（chéng）為300mm，設計重複定（dìng）位（wèi）精度為 ± 10μm，最（zuì）大（dà）速度（dù）200mm / s。A 軸（zhóu）旋轉角度為 ± 92°，設計重複定位精度10arcsec; C 軸旋轉角度為（wéi） 360°，設計重複定位精度10arcsec，

5 軸精密運（yùn）動係統結構圖見圖 2。

圖 2 5 軸精密運動係統結構圖

3． 3 激光及光學係統設計

該係統包（bāo）括激光器、導光係統以及（jí）掃描振（zhèn）鏡。其中，激光（guāng）器選用高功率 50 瓦級皮秒激（jī）光器，波長532nm，脈寬 10ps，重複頻率（lǜ） 100k Hz ～ 2MHz，最大平（píng）均功率 53． 6W @ 200k Hz，最大單脈衝能量 267． 9μJ @200k Hz，能實現高溫合（hé）金、單晶金屬、陶瓷材料、陶瓷基複合材料等難加工（gōng）材料高速低損傷的升華式（shì）去除加工。采用反射鏡來進行導光。光學元件安裝（zhuāng）在固（gù）定件上形成反射鏡組，再將整個反射鏡組固定到機床合適位置。通過調節螺母的微調來校正（zhèng）反射（shè）鏡，使激光束（shù）能精（jīng）準的導入到（dào）掃描振（zhèn）鏡內，並且最後一個反射鏡與前一個反射鏡之（zhī）間的光束與掃描（miáo）振鏡 Z 向運動方向高度平行，這個（gè）設（shè）計保證了當（dāng）掃（sǎo）描振鏡在 Z 軸的（de）上下移動時不影響激光束的光路，也解決了加工中焦距的實時補償問題。本係統采用（yòng）德國ＲAYLASE SS-IIE-15 掃（sǎo）描振（zhèn）鏡來實現小範圍的高速掃描，其掃描速度 435cps( 每秒轉速) ，位置跳轉速度 7m /s。可以實現高重（chóng）複頻率激光（guāng）的光斑重疊率控製，這為控製激（jī）光加工熱累積效應提供了必要（yào）條件。

3． 4 CCD 視覺定位與自動聚焦係統設計

由於激光精密加工對焦點位置非常敏（mǐn）感，必須保證激光始終（zhōng）聚焦在待（dài）加工的表麵，因此在（zài）複雜曲麵結構件上加工（gōng）需要建立一（yī）套自動聚焦係統，以實現曲麵的焦點自動跟隨。如圖 3 所（suǒ）示，本文結合激光精密（mì）自動測距技術與CCD 視覺定（dìng）位（wèi），建立一（yī）套自動（dòng）聚（jù）焦係統，驅動機（jī）械運動軸實（shí）現曲麵的（de）焦點自動跟（gēn）隨。利用 CCD 視覺係統檢測工件的定位特征點，獲取工（gōng）件（jiàn）空間位置信息，然後比對工件 CAD 模型的定位特征（zhēng）點，校正工件位姿，最後通過激光測距（jù）傳感器在（zài）加工位置周（zhōu）邊采集 3 點位置擬（nǐ）合出法線方向，並把相（xiàng）關信息傳遞給數控係統，完成（chéng）每個加工點的空間定位。

圖 3 CCD 視覺定位及激光測距係統

根據係統需要，本文采用大恒工業攝像頭 MEＲ-1070-14U3M，配（pèi）合（hé） DH-WWH20-110AT 遠心工業鏡頭對工件待加（jiā）工位置進行視覺定位。采用基恩士 LK-H150 激光測距傳感器精（jīng）密測量傳感器到加工點（diǎn）的距離，其主要參數: 工作距離 150mm，測量（liàng）範圍 ± 40mm，重複定位精度 0． 25μm。

3． 5 控製係統設計

本文設計的（de）“5 + 2”軸激光加（jiā）工機床電氣控製框圖如圖 4 所示。采用集成開源 Ig H Ether CAT master 的低功耗工控機( Intel J1900、4G 內存、240G SSD) 作為Ether CAT 主站，采用支持

Ether CAT 總線的直線電機、伺服電機驅動器（qì）和支持 Ether CAT 總線的倍福 EK1100耦合器作為 Ether CAT 從站。倍福 EK1100 耦合器再通過內部的 E-bus 接口和 EL1008 數字量（liàng）輸入（rù）模塊EL2008 數字量輸出模塊相連。

圖 4 “5 +2”軸（zhóu）激光加工機床電氣控製框圖

同時，工（gōng）控機運行 Linux CNC 數控（kòng）軟件，完成各個軸控製量的（de）計（jì）算，通過 Ether CAT 現場總線，可以實現Linux CNC 和（hé）直線電機、伺服電機驅動器、I / O 輸（shū）入輸出模塊之間的通訊。在用戶將 G 代碼輸入到 Linux C-NC 中後，Linux CNC 中的ＲS-274 / NGC 解釋（shì）器會將 G代碼解釋成（chéng）數控係統能夠識別（bié）的數據（jù）塊; 這些數據塊會通過 Linux CNC 中的硬件抽象層( HAL) 傳遞到 Eth-erCAT 主站係（xì）統; 之後 Ether CAT 主站將數據塊以 Eth-er CAT 幀的形式（shì）發送至 Ether CAT 從站並最終（zhōng）驅動（dòng）執行元件。

另外（wài），用於控製掃描振鏡動作的掃描振鏡控製板卡（kǎ）通過 USB 通訊接口和工控機相連，用於設置激光器頻率、能量等參數的激光器驅（qū）動電源通過ＲS232 通訊接口和工控機相連。掃描振鏡控製（zhì）板卡還通過 I /O 接口和激光器驅動（dòng）電源相連（lián），通過調節 PWM 頻率和模擬量電壓（yā）大小，可以在加工（gōng）時根據工藝需要實時改變激光器（qì）的頻率和（hé）能量（liàng）等參數。CCD 工業攝（shè）像頭通過USB3．0 接口（kǒu）和工控機相連，激光測距傳感器則通過ＲS232 通訊接口（kǒu）和工控機相連。

為了實現對掃描振（zhèn）鏡 x 和 y 兩個方向的運動控製和（hé）激光的實時同步控製，係統將采用基於（yú） USB2． 0 高速（sù）模式通訊接口的掃描振鏡實時控製卡。其以大規模可（kě）編程邏輯陣列 FPGA 為基礎，采用大規模集成電路和（hé）多層電路板結（jié）構以及精簡的控製算法，獨立地保存和處理主機的命令，傳（chuán）輸（shū）速度達到（dào） 25Mbps，滿足激（jī）光加工對掃描振鏡（jìng）的實時控製要（yào）求（qiú）。

3． 6 軟件開發與集成設計

本係統軟件（jiàn）功能主要包括運動控製（zhì）、I /O 信號控製、激光測距信號采（cǎi）集、CCD 圖像顯示、掃描振鏡控製（zhì）、激光器控製等功能（néng）。考慮到軟件（jiàn）開發的周期與難度，本係統采用模（mó）塊化設計方法，各（gè）功能軟件獨立運（yùn）行又可實現數據的相互傳輸，同時可以增加開（kāi）發新的功能［8］。這若幹個相（xiàng）對獨（dú）立的軟（ruǎn）件分別為: 運動數控軟件、圖像顯示軟件、掃描振鏡控製軟件和激光器參數設置軟件（jiàn）。其中圖像顯示軟件使用大恒圖（tú）像提供的linux SDK: Galaxy X86 Linux SDK For DAHENG Gig E ＆USB3 Cameras，通過該軟件來采集 CCD 實時信號並顯示圖像。掃（sǎo）描（miáo）振（zhèn）鏡控製（zhì）軟件則使用 EZCAD2.7.6，並（bìng）可進行二次開發。

激光器參數設置軟件由激光（guāng）器廠家提供。運動數控軟件采用 Linux CNC 開（kāi）源程序作為基礎，是整個係統軟件開發的核心內容，其構（gòu）架上分為 4 部分（fèn）: 運（yùn）動控製模塊、輸入輸出部分、圖形交互界（jiè）麵和任（rèn）務控製模（mó）塊。運動控製模塊為一個實時模塊，能從係統底層 TASK 任務中接收運動指令，實現運（yùn）動軸軌跡規劃、正/逆動（dòng）力學運算完成指（zhǐ）定軸的指令速度位置解析計算（suàn）。

同（tóng）時，係（xì）統也將實時地把運動 Motion 的狀態反饋給係統任務 TASK。輸（shū）入輸出部分（fèn）主要用來（lái）處理急停、電磁閥和噴氣裝置等一些輔助的 I /O 控製，任務調（diào）用周期循環，TASK 負責接收 I /O

命令後，再經過HAL 定義腳輸出 I / O 的信號控製，從 HAL 的驅動中讀取驅動（dòng）的（de）反饋 I /O 狀態，把實時信息反饋（kuì）給任務TASK［9］。

本文通過配置係統調用（yòng） INI 文件和硬件抽象層 HAL 文件，同時采用（yòng）跨平台語（yǔ）言 Python 為主要（yào）開發語言、C 語言為用戶模塊編寫語言、Qt 語言為圖形庫，開發具有自主知識產權的用戶界麵，實現五軸（zhóu）聯動控製、加工軌跡實時顯示、JOG 和 NC 模（mó）式切換、機床與用戶坐標（biāo）係設定、

加工參數（shù）的設定與（yǔ）實時調整、自定義擴展（zhǎn） I /O、激光測距傳（chuán）感器的數據（jù）采集及顯示、機械運動與激光控製（zhì）交（jiāo）互等功能。另外，由於（yú）集成的掃描振（zhèn）鏡控製軟（ruǎn）件和激光器參數設置軟件需要運（yùn）行在（zài）

Windows 操作係統環境下。

本文采用在 Linux 操作係統中安裝 VMware Workstation虛擬機程序，在虛（xū）擬機中運行 Windows 操作係（xì）統，分配（pèi）一個 CPU 核（hé）心、2G 內存和 120G 硬盤空間供其使用，將需要 Windows 環境的控（kòng）製軟件移植到 Linux 環境下使用，因此（cǐ）隻需要一台工控 PC 機（jī）便可以完成所有軟件控製參數的（de）操作（zuò）。如圖 5 所示。

圖 5 “5 +2”軸機床（chuáng）集（jí）成的部分軟件界麵

4 、設備性能與加工試驗

4． 1 機床重複定位精度

采用 Agilent E1733A 激光幹涉儀對激光加工機床的重複定位精（jīng）度進行測定，結果顯示（shì），該機床的直線軸重複定位精度均在 5μm 以內，旋轉（zhuǎn）軸的重複定位精度在 5arcsec 以內，達到預定指標要求，如圖 6 和表 1 所示。

圖 6 激光幹涉儀測得的 X 軸原始數據圖

表 1 激光（guāng）加（jiā）工（gōng）機床各軸重複定位精度數據（jù）

4． 2 異型孔激光加工試驗

如（rú）圖 7 所示（shì），利用搭（dā）建（jiàn）完成（chéng）的激光加工機床在鋁合金材（cái）質的燃燒室火焰筒內外環模擬件上（shàng）加工傾斜（xié）30°的複（fù）雜異型氣膜冷卻（què）孔陣列，加工效（xiào）果好，效率高，單孔加工時間 2． 5min，如圖 8 所示。用基恩士共聚焦顯微鏡 VK-X210 對單孔質量進行測量分析，如圖 9 所示，得（dé）到進氣端圓孔直徑 0． 573mm，異型孔內壁粗糙度 2． 704μm，滿足加工指標要求。如圖 10 所示，異型孔異型部分長（zhǎng）度 2793μm、深度 1093μm，與異型孔設計（jì）模型的尺寸偏差也在公差（chà）要（yào）求範圍內。

圖 7 5 軸聯動（dòng）激光加工機床和燃（rán）燒室（shì）火焰筒模擬件

圖 8 在燃燒室火焰（yàn）筒模擬件複雜曲麵上激光加工的異型氣膜孔陣列

圖 9 異型氣（qì）膜孔進氣（qì）端圓孔直徑測量

圖 10 異型氣膜孔（kǒng）出氣端形貌

5 、結論

本文基於 Linux CNC 開源數控係統（tǒng）和 Ether CAT 通訊總線技術，結合五（wǔ）軸機械運動係統和二軸掃描振鏡光學運動係統，開發了一種航空發動機渦輪葉片複雜異型氣膜冷卻孔加工用的“5 + 2”軸激光加工機床。試驗結果表明，該機床技術指標達到設計要求，可實現複雜曲麵（miàn）結構上異型氣膜冷卻孔的低損傷製備，加工指標符合要求。

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