第２３卷第２期
２０１０年３月
机电产品开崖与剀新
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｅｔｒｉｅａｌＰｒｏｄｕｃＬｓ
Ｖ０１．２３。Ｎｏ．２Ｍａｒ．．２０１０
文章编号：１００２－６６７３（２０１０）０２—１５１—０３
激光快速成形送粉器的控制系统设计
于福鑫，杨光，王维
（沈阳航空工业学院机电工程学院，辽宁沈阳１１０１３６）
摘
要：介绍了刮吸式送粉器的结构及工作原理，建立了基于ＰＣＩ－１２４０运动控制卡的送粉器控制系统，研究
了送粉率和送粉比例的控制方法，并进行了送粉实验。结果表明，通过控制粉盘转速可实现对送粉率的精确控制，送粉比例可调，满足功能梯度材料激光快速成形对送粉器控制系统的需求。
关键词：激光快速成形；送粉器；控制系统中图分类号：ＴＰ３９１．９
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１０．０２．０６４
ＴｈｅＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎｏｆＰｏｗｄｅｒＦｅｅｄｅｒｆｏｒＬａｓｅｒＲａｐｉｄＦｏｒｍｉｎｇ
ＹＵＦｕ－Ｘｉｎ，ＹＡＮＧＧｕａｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｉ
（Ｄｅｐｔ．ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＬｉａｏｎｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｃｒａｐｉｎｇｓｕｃｔｉｏｎｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｅｒａｎｄｂａｓｅｄ
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１
１０１３６，Ｃｈｉｎａ）
ｉｔｓ
ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
ａｒｅ
ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ
ｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈ
ｒａｔｅ
ＰＣＩ一１２４０ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｃａｒｄｉｓｂｕｉｌｔ．Ｉｔｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇ
ａｒｅ
ａｎｄｆｅｅｄｉｎｇｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ．
Ｔｈｅｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
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ｔｅｓｔｓ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｒａｐｉｄｆｏｒｍｉｎｇ；ｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
０引言
金属粉末激光快速成形是在激光熔覆技术基础上．发展起来的一种金属零件激光直接成形技术。采用高能激光束照射并熔化金属粉末．逐层堆积出结构复杂的金属实体零件，与传统加工方法相比．具有低成本、高效率、高柔性、短周期等特点，同时金属材料在激光的热作用下快速熔化并凝固。可获得许多常规材料在常规条件下无法得到的精细组织，使材料的各方面性能得到提高［１２．１。
本文针对激光快速成形对送粉器控制系统的需求，在建立一套由三路送粉器组成的送粉系统后，对送粉器控制系统进行了设计．并研究了送粉率和送粉比例的控制方法，这对发挥金属粉末激光快速成形的技术优势具有重要意义。
粉管路中，本设计中采用刮吸式送粉器Ｐ１，其结构如图１所示．粉盘上制有环形沟槽，工作时金属粉末由自重从储料筒下端的圆柱形出粉口落到粉盘的沟槽中，步进电机带动转轴使粉盘转动并将粉末运至吸粉嘴处，在气体的压力下金属粉末被吸粉嘴吸人，并由出粉管送出，再经粉路和送粉头把粉末送入激光照射下所形成的熔池中。实现金属零件的激光快速成形。为防止某些金属在成形过程中氧化。送粉载气使
Ｆｉｇ．１
１．储料筒２．粉盘
３．转轴
４．吸粉嘴５．出粉管
图１送粉器结构简图
Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｆｅｅｄｅｒ
用保护性气体．储料筒、粉盘和吸粉嘴均处于密
闭环境中，由进气管充入保护性气体，通过气体压力将粉末从吸粉嘴处压出。
１送粉器结构与工作原理
２控制系统设计
送粉器的主要作用是按照一定的速率将粉末送进送
收稿日期：２０１０—０１—１７
（１）硬件组成。功能梯度材料是指在内部组分、性能、结构等方面，从一部分到另一部分呈连续变化或分层阶梯式变化的新型材料，它的特点是不同的部分可以
作者简介：于福鑫（１９８３－），男，硕士研究生。研究方向
快速原型技术与反求工程。
１５１
・测试与控制・
发挥出不同的性能１３．ｑ。为满足激光快速成形制造功能梯度材料的需求．本设计采用三部可独立运行的刮吸式送粉器组成送粉系统．每部送粉器装有一种粉末，从而使二三路送粉器可以实现三种不同粉末材料的输送。
为了与激光快速成形系统集成，本设计采用ＰＣ和运动控制卡的方式建立送粉器控制系统，运动控制卡使用ＰＣＩ一１２４０，此卡基于ＰＣＩ总线技术，可进行独立４轴步进／脉冲型伺服电机控制，具有实时性高、占用系统资源少等特点，同时提供了Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＤＬＬ驱动程序，可在ＶＢ、ＶＣ等环境下开发出符合现场需求的实用程序１５１。
控制系统硬件组成如图２所示，送粉器由步进电机驱动。步进电机通过减速器和粉盘联接，由ＰＣＩ一１２４０运动控制卡控制步进电机的转速，同时将运动控制卡的通用输出端口与电磁阀相连．通过电磁阀控制送粉载气
的通断，以此提高保护气的利用率。在激光快速成形的过程中，
对于料性一定的粉末，堆积角往往并不恒定ｍ。加之激光快速成形常采用不同的金属粉末．因此，确定不同料性的粉末堆积角是一个较复杂的过程，为简化计算。当储料筒出粉口到粉盘沟槽距离较小和粉末流动性较好的情况下，可将粉堆截面近似成矩形．即堆积角近似为９００。简化后送粉率为：
Ｖｓ＝ｎｐｓ＇ｔｒｈｅ（ｒ？－ｒ１２）
（２）
根据式（２），在对送粉器及不同料性粉末进行送粉测定时，通过调整修正系数８，即可得到与之相对应的送粉率计算公式，以此提高控制系统的灵活性。
（３）软件设计。送粉软件主要由设备初始化、参数设置、数据计算、指令执行、状态显示五个模块组成。首先由设备初始化模块完成对ＰＣＩ一１２４０控制卡的激活与设置。由参数设置模块采集输入的送粉参数，由数据计算模块将送粉参数转化成驱动硬件的数据信息。再由指令执行模块向运动控制卡发送执行信息，状态显示模块则显示当前送粉系统的运行状态，如送粉率、送粉比
Ｉ
Ｐｃｌ一１２４０控制卡
由运动控制卡发送脉冲和方向信号到步进电机驱动器，驱动器将脉冲信号转化为步进电机的角位移，以此调节各路送粉器的送粉率。
（２）送粉率计算。送粉率是指单位时间内输送粉末的质量，而
ＪＬ
ＡＤＡＭ３９５２接线板
工
开始Ｔ开控制卡
发送脉冲
串啬
步进电机
停止脉冲
二工二
状态显示
土！
参数重置
关电磁阀
二工二
数据计算
数据更新
闭控制卡
图２硬件组成框图
Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅ
送粉速度是指粉末到达熔池时的
ｍ啪ｅ
ｏｆ
ｔｌｌｅ速度，后者跟送粉载气流量有关冈。
如图３所示，当金属粉末从出粉口落到粉盘的沟槽中时，粉末由自重堆积成截面近似于等腰梯形的粉堆，粉末堆积角为仅，因此可得到送粉率：
Ｎ
开电磁阀
Ｙ
结束
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
图４软件漉程图
Ｆｉｇ．４
Ｔｈｅｆｌｏｗｃｈｌｕ＇ｔｏｆｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅ
例等信息。软件流程如图４所示。
设备初始化过程是通过调用动态链接库ＡＤＳｌ２４０．ｄｌｌ中的功能函数来实现的。Ｐ１２４０ＭｏｔＤｅｖＡｖａｉｌａｂｌｅ函数功能是检查系统中可用的１２４０卡数量：Ｐ１２４０ＭｏｔＤｅ．ｖＯｐｅｎ函数功能是打开指定卡号的控制卡；Ｐ１２４０Ｍｏ．ｔＡｘｉｓＰａｒａＳｅｔ功能为设定各轴的加速方式、初速度、运行速度和加速度等参数，因执行开卡函数后，控制卡自动对所有寄存器重设，因此执行开卡函数后应对各轴进行初始参数设置。以保证运行正常。
数据计算是送粉器控制软件的重要模块．它主要完成送粉率和送粉比例的计算，以保证送粉比例可调、总送粉率稳定。
３送粉实验
（１）送粉率测定实验。送粉率测定实验的目的是通过测定实际送粉率的相对误差进而得出对应粉末材料的修正系数，以获得更精确的送粉率。实验采用高精度电
１５２
・测试与控制・
子秤，每３０ｓ记录一次送粉质量。分别在不同送粉率下连续测量１３次．得到各送粉率下送粉累积质量与时间的关系如图５所示。图中直线为各测量点用最小二乘法线性拟合的结果。表ｌ为修正前后对不同送粉率测定与相对误差计算结果，通过调整修正系数８。使得送粉率相对误差在３％以下。
童
ｔ／ｒａｉｎ
一
图６各料筒送粉质量与时间关系
Ｆｉｇ．６Ｔｈｅ
ｄｉａｇｒａｍｏｆｆｅｅｄｉｎｇｐｏｗｄｅｒｑｕａｌｉｔｙａｎｄｔｉｍｅ
ｏ１
２
３ｔ／ｒａｉｎ
４５６７
例的控制．满足功能梯度材料激光快速成形对送粉器控制系统的需求。
图５各送粉率下送粉累积质量与时间关系
Ｆｉｇ．５
Ｔｈｅ
ｃｕｍｕｌａｔｅｑｕａｌｉｔｙａｔｅａｃｈｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｒａｔｅａｎｄ
ｔｉｍｅｄｉａｇｒａｍ
４结论
（１）建立了基于ＰＣＩ一１２４０运动控制卡的送粉器控
制系统，通过调用动态链接库ＡＤＳｌ２４０．ｄ１］中的功能函
表１送粉率测定与相对误差计算
Ｔａｂ．１Ｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇｒａｔｅｔｅｓｔｓａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅ送粉率设定值
（ｇ／ｍｉｎ）
（ｇ／ｍｉｎ）
Ｏ．５１．ＯＩ．５２．Ｏ
３．Ｏ
ｅｒｒｏｒ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
数驱动送粉器丁作。
（２）对送粉软件进行了设计，研究了送粉率及送粉
修正前实测平均送粉率
相对误差
修正系数
￡
修正后实测平均送粉率（ｇ，Ｈｌｉｎ）
相对误差比例的控制方法。得出了相应的计算公式。
（３）进行了送粉实验，结果表明，通过调整修正系
Ｏ．５９
１．２２１．８
１８．００％２２．００％２０．００％１７．５０％１５．００％１８．２５％
Ｏ．８５０．８５Ｏ．８５０．８５０．８５Ｏ．８５
Ｏ．５ｌ１．０３１．５４２．０２３．０３４．０５
２．００％３．００％２．６７％１．００％Ｉ．００％１．２５％
数，使送粉率相对误差在３％以下，送粉比例可调，送粉器工作稳定。满足功能梯度材料激光快速成形对送粉器控制系统的需求。
２．３５３．４５４．７３
参考文献：
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４．０
（２）变比例送粉实验。通过设定各路粉末初始和终止比例进行送粉实验，实验参数见表２。
表２变比例送粉实验参数
Ｔａｂ．２
Ｔｈｅ
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ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒ质量与时间关系图，图
ｐｏｗｄｅｒｆｅｅｄｉｎｇ
ｏｆｃｈａｎｇｉｎｇ
中各点纵坐标值代表前３０ｓ内送粉质量。经
ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ
参数名称总送粉率测量间隔测量次数Ａ料比例Ｂ料比例Ｃ料比例
设定值
８９／ｒａｉｎ３０ｓ
测定。各料筒送粉率均按照设定的比例值变化。在５～５．５ｍｉｎ内，Ａ料与Ｃ料送粉质量相当，这与设定值一致。结果表明，送粉器控制系统实现了对送粉比
１１次
Ｏ％一２０％２０％～６０％８０％～２０％
１５３
激光快速成形送粉器的控制系统设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
于福鑫， 杨光， 王维， YU Fu-Xin， YANG Guang， WANG Wei沈阳航空工业学院,机电工程学院,辽宁,沈阳,110136
机电产品开发与创新
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