CN103572020B

CN103572020B - 基于stm32的激光冲击强化运动控制方法及控制卡

Info

Publication number: CN103572020B
Application number: CN201210520408.2A
Authority: CN
Inventors: 肖爱民; 罗开玉; 张永康
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN103572020A

Abstract

本发明公开了一种基于STM32的激光冲击强化运动控制方法，所述控制方法，通过计算机辅助编程获取冲击点的冲击代码，冲击代码由冲击基点坐标值、冲击矢量、冲击次数和频率组成；将冲击代码通过上位计算机USB接口输入到控制卡的SD卡中；确定编程基点，STM32芯片依次读取冲击代码；STM32通过解析冲击代码，并通过控制脉冲，控制激光对材料冲击强化。采用本发明技术方案，在激光冲击强化的控制过程中，节省了加工时间，提高了激光冲击强化的加工效率。控制卡与现有的控制卡相比，能够协调冲击位置和控制激光器，解决了现有控制卡无法控制激光器的问题。

Description

基于STM32的激光冲击强化运动控制方法及控制卡

技术领域

本发明属于自动化技术和激光加工技术领域，具体涉及到一种用于激光冲击强化五轴数控机床运动的控制方法和控制卡。

背景技术

激光冲击强化技术是利用功率密度大于10⁹W/cm² ，短脉冲（ns级）的激光辐照金属材料表面，使涂层材料气化后形成等离子体，利用等离子体***产生的冲击波使材料发生塑性变形，从而提高金属材料的机械性能。研究表明激光冲击能有效的提高碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、镍基合金及粉末冶金等材料的机械性能，特别能有效的提高材料的疲劳寿命。

激光冲击强化可以处理平板、曲面等零件，对于平板类零件，零件表面为平面，激光直接垂直于零件表面进行冲击加工。零件只有两个运动自由度：X和Z。零件可以直接装夹在普通机床的夹具上，使用常规的数控***进行运动控制。对于曲面零件，例如齿轮啮合面、坦克发动机主轴、飞机压气机叶轮等曲面零件，在激光冲击强化时，只有激光束的入射方向与曲面垂直，才能获得好的冲击强化效果。由于激光冲击强化时使用的激光源为强激光，并且是不可见光，为了安全考虑，在激光冲击强化时，只能是零件移动，激光源不动。因此，对于曲面类零件，如果是小型零件，则将其安装在机械手上；如果是大型零件，则安装在五轴工作台上。对于激光冲击强化用的五轴工作台，都属于定制产品，没有通用的控制卡可以使用。同时，激光冲击强化时，需要协调冲击位置和激光器，而通用控制卡不具备此功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于STM32的激光冲击强化运动控制方法和控制卡，用以实现对激光冲击强化用五轴工作台的运动控制和激光器控制。控制方法实现简单、能冲击处理重型复杂曲面零件；控制卡协调五轴工作台和激光器，能有效提高激光冲击效率和冲击质量；运动控制使用32位芯片，其运算精度高、可靠性好。

基于STM32的激光冲击强化运动控制方法，所述控制方法的步骤如下：

（1）通过计算机辅助编程获取冲击点的冲击代码，冲击代码由冲击基点坐标值、冲击矢量、冲击次数和频率组成；

（2）将冲击代码通过上位计算机USB接口输入到控制卡的SD卡中；

（3）通过脉冲手轮将激光聚焦点移动到零件上的编程基点；

（4）STM32芯片依次读取冲击代码；

（5）STM32芯片发出X、Y、Z三轴平移脉冲将冲击基点运动到激光聚焦点上；

（6）STM32芯片发出Y、Z轴旋转脉冲使冲击矢量与激光束平行，并且冲击矢量方向与激光束入射方向相反；

（7） STM32芯片根据冲击代码中的冲击次数和频率，向激光器控制***发出控制脉冲，进行激光冲击加工；

（8）重复步骤（4）~（7）直到所有冲击代码全部处理完毕。

机床X、Y和Z轴平移运动使用空间逐点比较法，其步骤为：

（1）判断直线的类型，如果直线垂直于某个坐标平面，则将直线向与直线平行的坐标平面投影。

（2）如果直线与所有坐标平面都不垂直，则计算直线的向量，然后将直线按向量最小分量平面进行投影。

机床沿Y、Z轴旋转的步骤为：

（1）将冲击矢量与激光入射矢量求夹角。（2）然后STM32芯片根据夹角发送控制脉冲，控制工作台旋转。基于STM32的激光冲击强化运动控制方法的控制卡，由硬件和控制程序组成。硬件包括STM32芯片、USB芯片、SD卡、驱动芯片、电阻、电容、发光二极管和电路板，电路板将上述电子元器件连接在一起；控制程序存储在STM32芯片内部的Flash存储器中。

控制程序通过USB接口将代码存储到SD卡；从SD卡读取冲击代码；对冲击代码进行解码，得到冲击基点的坐标值、冲击矢量、冲击次数和频率；计算X、Y和Z轴平移量以及Y、Z旋转量；向机床控制器发送控制脉冲；向激光控制器发送控制脉冲。

USB芯片在上位计算机和控制卡进行双向通信。

SD卡用于存储冲击代码和与机床相关的设定参数。

驱动芯片放大STM32芯片向机床驱动器和激光控制发送的控制信号。

本发明的技术方案区别于现有的通用5轴工作台控制***的控制方法，本发明中的控制方法针对激光冲击强化特点进行设计；从而在激光冲击强化的控制过程中，节省了加工时间，提高了激光冲击强化的加工效率。控制卡与现有的控制卡相比，能够协调冲击位置和控制激光器，解决了现有控制卡无法控制激光器的问题。

附图说明

图1 为本发明的激光冲击强化运动控制方法的流程图。

图2为本发明控制卡结构示意图。

具体实施方式

本发明运动控制方法步骤如图1所示，计算机辅助编程生成冲击代码的步骤为：

（1）读取冲击零件的三维模型；

（2）选择编程基点和需要冲击的曲面；

（3）定义激光束入射方向和位置；

（4）根据激光冲击加工的规律，计算冲击基点坐标值、冲击矢量；

（5）根据冲击基点坐标值、冲击矢量和用户设置的冲击次数、冲击频率，生成冲击代码。

（1）通过计算机辅助编程获取冲击点的冲击代码，冲击代码由冲击基点坐标值、冲击矢量、冲击次数和频率组成。

（2）将冲击代码通过上位计算机USB接口输入到控制卡的SD卡中。

（3）通过脉冲手轮将激光聚焦点移动到零件上的编程基点。

（4）STM32芯片依次读取冲击代码。

（5）STM32芯片发出X、Y、Z三轴平移脉冲将冲击基点运动到激光聚焦点上。

（6）STM32芯片发出Y、Z轴旋转脉冲使冲击矢量与激光束平行，并且冲击矢量方向与激光束入射方向相反。

（7） STM32芯片根据冲击代码中的冲击次数和频率，向激光器控制***发出控制脉冲，进行激光冲击加工。

（8）重复步骤（4）~（7）直到所有冲击代码全部处理完毕。

机床X、Y和Z轴平移运动使用空间逐点比较法，其步骤为：

（1）判断直线的类型，如果直线垂直于某个坐标平面，例如XOY，则将直线向与直线平行的坐标平面投影，例如XOZ，此时插补在XOZ平面进行；

（2）如果直线与所有坐标平面都不垂直，则计算直线的向量，然后将直线按向量最小分量平面进行投影，例如（0.4,0.3,0.86），此时应该向XOZ平面进行投影，然后在XOZ平面上插补，并根据直线的方程计算出Y轴增量，再进行Y轴插补。

空间直线插补方法具有效率高、插补速度快等特点，特别是按向量最小分量进行投影能有效减少插补误差。

机床沿Y、Z轴旋转的步骤为：

（1）将冲击矢量与激光入射矢量求夹角。

（2）然后根据夹角发送控制脉冲，控制工作台旋转。

实现上述方法的控制卡，其结构如图2所示，硬件***包括：STM32F103芯片、PL2303USB芯片、SD卡、SN74LS244驱动器芯片、电阻、电容、发光二极管和电路板，电路板将上述电子元器件连接在一起；控制程序存储在STM32F103芯片内部的Flash存储器中；

冲击代码通过PL2303USB接口芯片输入到SD卡中，PL2303是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可以方便的通过计算机USB接口模拟串口通信，并且无需开发复杂的USB驱动，极大的提高了控制卡设计效率。PL2303的TXD、RXD分别接STM32F103的PA9、PA10引脚；PL2303的VDD_5接计算机USB接口的VCC引脚，DM接USB的D-,DP接USB的D+引脚。

STM32F103芯片使用LQFP64封装，该封装形式接口多，可以方便的进行后续扩展。由于STM32F103的驱动能力有限，因此输出信号通过SN74LS244驱动器进行放大，其中SN74LS244的A引脚连接在STM32F103的PD0~PD7引脚上，SN74LS244的Y引脚接工作台控制器和激光控制器。SN74LS244作为驱动器之外，还起到隔离的作用，防止机床控制或者激光控制器的脉冲干扰信号损毁STM32F03芯片。

SD卡用于存储冲击代码和机床设定参数，SD卡与STM32F103引脚对应关系为：DATA3/CS对应STM32F103的PE3引脚；CMD/DI对应STM32F103的PA7引脚； CLK对应STM32F103的PA5引脚；DATA0/DO对应STM32F103的PA6引脚。

计算机辅助编程生成的冲击代码组成实例如下：

BX_Y_Z_ VX_Y_Z_ C_ H_

…

END

其中：BX_Y_Z_为冲击基点坐标值；VX_Y_Z_为冲击矢量，冲击矢量需要正则化；C_为冲击次数；H_冲击频率；END为程序结束符。例如BX100Y20Z20 VX0.1Y0.5Z0.4 C4 H5表示冲击基点坐标值为(100,20,20)，冲击矢量为(0.1,0.5,0.4)，冲击次数为4，频率为每秒5次。

Claims

1.基于STM32的激光冲击强化运动控制方法，其特征在于，所述控制方法的步骤如下：

（3）通过脉冲手轮将激光聚焦点移动到零件上的编程基点；

（4）STM32芯片依次读取冲击代码；

机床X、Y和Z轴平移运动使用空间逐点比较法，其步骤为：

①判断直线的类型，如果直线垂直于某个坐标平面，则将直线向与直线平行的坐标平面投影；

②如果直线与所有坐标平面都不垂直，则计算直线的向量，然后将直线按向量最小分量平面进行投影；机床沿Y、Z轴旋转的步骤为：

③将冲击矢量与激光入射矢量求夹角；

④然后STM32芯片根据夹角发送控制脉冲，控制工作台旋转；

（8）重复步骤（4）~（7）直到所有冲击代码全部处理完毕。