基于 Linux CNC 數控系統和 Ether CAT 總線的復雜異型孔激光加工機床的開發與應用
2020-10-10 來源：中國科學院大學 寧波材料技術工程研究所 作者：王斌 茹浩磊 王云峰 陳曉曉 張天潤 等
摘要: 為了實現航空發動機渦輪葉片復雜異型氣膜冷卻孔的精密低損傷加工，開發了一種基于Linux CNC 開源數控系統和 Ether CAT 通訊總線技術，具有 5 個機械軸和二個光學軸的激光加工機床。文章詳細介紹了機床整體方案設計、五軸運動系統設計、激光及光學系統設計、CCD 視覺定位與自動聚焦系統設計、控制系統設計及軟件開發與集成設計等內容。試驗結果表明，該機床直線軸重復定位精度和旋轉軸重復定位精度分別優于 5μm 和 5arcsec，技術指標達到設計要求，并可實現復雜曲面上復雜氣膜冷卻孔陣列的低損傷制備。
關鍵詞: 激光加工; 掃描振鏡; 復雜異型孔; Linux CNC; Ether CAT
0 引言
氣膜孔冷卻技術是 20 世紀 50 年代發展起來并在航空發動機上廣泛使用的一種主動冷卻技術，最初使用了直圓孔。美國 GE 公司等上世紀 80 年代中期開始使用冷卻效率更高的異型孔，孔的形狀經歷了從直圓孔、簡單異型孔到復雜異型孔的演變。
通過使用先進的異型氣膜孔冷卻技術，GE 公司已經將航空發動機的總體冷卻效率從 1985 年的約 0．3 提高到了 2010 年的 0．6 以上。由于未能突破復雜異型冷卻技術，我國航空發動機冷卻孔技術基本處于西方國家 1985 年的水平。目前國產新型發動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制備技術［1］。氣膜冷卻孔制備技術主要包括電火花加工、電解加工、激光加工等。其中，激光加工作為一種非接觸式的加工方式，具有快速、靈活、能量精密可控及對難加工材料的廣適性等特點，在航空發動機葉片多層復合結構的精密低損傷加工上具有獨特的優勢。但由于高性能葉片是一個外形曲面、內腔復雜的結構，同時葉片高溫合金基體上需要涂覆 TBC 陶瓷涂層，要利用激光在復雜葉片上“先涂層后打孔”加工出高精度復雜異型孔，面臨著很多的技術挑戰，包括:
①單臺激光器一次裝卡穿越高溫合金/TBC 復合結構，實現多類材料單一工況的升華式加工; ②大傾角( 20° ～ 60°) 、大深度( 2 ～ 6mm) 、三維可控、精密低損傷加工; ③復雜葉片的空間在線定位與校正［2］等。國內雖然對單晶高溫合金/TBC 復合結構激光加工進行了大量工藝研究［3］，但這些問題尚未完全解決，而相關技術國外對中國嚴密封鎖，先進的孔加工設備也對中國嚴格出口限制。為此亟需自主研發葉片級復雜異型孔的激光加工機床。
本文將五軸聯動機械運動系統和二維掃描振鏡光學系統結合起來，進行機床整體方案、五軸運動系統、激光及光學系統、CCD 視覺定位與自動聚焦系統、控制系統、軟件開發與集成等方面的設計，組成“5 +2”軸的智能化激光加工機床。其中，五軸聯動機械運動系統用于實現工件待加工處的法向定位等宏觀空間運動，二維振鏡掃描系統結合機械 Z 軸焦點補償可以實現微小局部的高速逐層去除加工，宏微結合，實現復雜曲面工件上復雜異型氣膜冷卻孔的制備。
1、 Linux CNC 數控系統和 Ether CAT 總線
傳統的激光加工機床多采用專用數控系統，這種數控系統由于采用封閉式結構模式，系統的擴展性和靈活性受到了限制，因此很難將工藝經驗、專用技術集成到控制系統中去，造成數控系統的很多功能閑置，且成本較高［4］。Linux CNC 是用于通用數控機床及機器人等運動控制的開放式數控系統，最高支持 9 軸運動控制，是一款開放源代碼的免費軟件。與目前常見的高度集成化的數控方案相比［5］，使用 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 操作系統上運行，由運動控制( EMCMOT) 、I /O
控制( EMCIO) 、任務調度 ( EMCTASK) 、交互界面 ( 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) 是由德國自動控制公司 Beckhoff( 倍福) 開發的一種工業以太網技術，具備高性能、低成本、應用簡易等優點，可以有效的降低成本和應用難度，在現代控制領域中得到了廣泛的應用［6］。Ether CAT 可在 30μs 內處理 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，相當于 12000
個數字量輸入或輸出［7］，網絡規模幾乎無限，可實現最佳縱向集成。
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，即可實現 Linux C-NC 對 Ether CAT 驅動的動態加載。
2 、掃描振鏡高速掃描技術
掃描振鏡的工作原理是，當輸入一個位置信號時，裝有鏡片的擺動電機( 振鏡) 就會按一定電壓與角度的轉換比例擺動一定角度，擺動電機的動作過程采用閉環反饋控制。因此，入射的激光束被可以沿軸高速擺動的 x 軸和 y 軸振鏡片反射，然后通過一片平場透鏡聚焦，通過控制振鏡擺動角度，即達到改變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，可以解決機械軸運動的慣性加速減速問題，特別適合小范圍的高速掃描，如 1mm 范圍內實現 500mm /s 以上的掃描速度，大于 10mm 則可以實現 10m /s 的掃描速度。
目前掃描振鏡已經成為激光加工中一項非常重要的工具。其市場已經從傳統打標和快速成型的應用范圍擴展到多個領域的激光材料加工，包括刻蝕、切割、焊接、表面處理等應用。
3 、機床設計與集成
3． 1 整體方案設計
整個激光加工機床由五軸精密運動系統、激光與光學系統、CCD 視覺定位與自動聚焦系統、機床控制系統、人機交互界面以及其它輔助系統構成，總系統結構框架如圖 1 所示。
圖 1 系統結構示意圖
3． 2 5 軸運動系統設計
5 軸精密運動系統包括 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 三軸運動模組將采用龍門式結構。為了獲得有效的隔震效果，底座、橫梁、立柱和導軌基座均采用天然花崗巖經人工打磨制作，其中 X 軸、Y 軸模組均采用直線電機，導軌采用高精密導軌。為防止 Z 軸在失電情況下，由于重力原因產生自動下滑的現象，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桿傳動。為了提高 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，形成閉環控制。為保證旋轉軸的旋轉精度和實時控制，A 軸和 C 軸均采用力距電機并配絕對值圓光柵，形成閉環反饋系統。
該龍門式結構跨度為 1300mm，高度為 1000mm，X軸有效行程為 500mm，設計重復定位精度為 ± 5μm，最大速度 1m /s; Y 軸有效行程為 500mm，設計重復定位精度為 ± 5μm，最大速度 1m /s; Z 軸有效行程為300mm，設計重復定位精度為 ± 10μm，最大速度200mm / s。A 軸旋轉角度為 ± 92°，設計重復定位精度10arcsec; C 軸旋轉角度為 360°，設計重復定位精度10arcsec，
5 軸精密運動系統結構圖見圖 2。
圖 2 5 軸精密運動系統結構圖
3． 3 激光及光學系統設計
該系統包括激光器、導光系統以及掃描振鏡。其中，激光器選用高功率 50 瓦級皮秒激光器，波長532nm，脈寬 10ps，重復頻率 100k Hz ～ 2MHz，最大平均功率 53． 6W @ 200k Hz，最大單脈沖能量 267． 9μJ @200k Hz，能實現高溫合金、單晶金屬、陶瓷材料、陶瓷基復合材料等難加工材料高速低損傷的升華式去除加工。采用反射鏡來進行導光。光學元件安裝在固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反射鏡，使激光束能精準的導入到掃描振鏡內，并且最后一個反射鏡與前一個反射鏡之間的光束與掃描振鏡 Z 向運動方向高度平行，這個設計保證了當掃描振鏡在 Z 軸的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。本系統采用德國 ＲAYLASE SS-IIE-15 掃描振鏡來實現小范圍的高速掃描，其掃描速度 435cps( 每秒轉速) ，位置跳轉速度 7m /s。可以實現高重復頻率激光的光斑重疊率控制，這為控制激光加工熱累積效應提供了必要條件。
3． 4 CCD 視覺定位與自動聚焦系統設計
由于激光精密加工對焦點位置非常敏感，必須保證激光始終聚焦在待加工的表面，因此在復雜曲面結構件上加工需要建立一套自動聚焦系統，以實現曲面的焦點自動跟隨。如圖 3 所示，本文結合激光精密自動測距技術與CCD 視覺定位，建立一套自動聚焦系統，驅動機械運動軸實現曲面的焦點自動跟隨。利用 CCD 視覺系統檢測工件的定位特征點，獲取工件空間位置信息，然后比對工件 CAD 模型的定位特征點，校正工件位姿，最后通過激光測距傳感器在加工位置周邊采集 3 點位置擬合出法線方向，并把相關信息傳遞給數控系統，完成每個加工點的空間定位。
圖 3 CCD 視覺定位及激光測距系統
根據系統需要，本文采用大恒工業攝像頭 MEＲ-1070-14U3M，配合 DH-WWH20-110AT 遠心工業鏡頭對工件待加工位置進行視覺定位。采用基恩士 LK-H150 激光測距傳感器精密測量傳感器到加工點的距離，其主要參數: 工作距離 150mm，測量范圍 ± 40mm，重復定位精度 0． 25μm。
3． 5 控制系統設計
本文設計的“5 + 2”軸激光加工機床電氣控制框圖如圖 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 數字量輸入模塊EL2008 數字量輸出模塊相連。
圖 4 “5 +2”軸激光加工機床電氣控制框圖
同時，工控機運行 Linux CNC 數控軟件，完成各個軸控制量的計算，通過 Ether CAT 現場總線，可以實現Linux CNC 和直線電機、伺服電機驅動器、I / O 輸入輸出模塊之間的通訊。在用戶將 G 代碼輸入到 Linux C-NC 中后，Linux CNC 中的 ＲS-274 / NGC 解釋器會將 G代碼解釋成數控系統能夠識別的數據塊; 這些數據塊會通過 Linux CNC 中的硬件抽象層( HAL) 傳遞到 Eth-erCAT 主站系統; 之后 Ether CAT 主站將數據塊以 Eth-er CAT 幀的形式發送至 Ether CAT 從站并最終驅動執行元件。
另外，用于控制掃描振鏡動作的掃描振鏡控制板卡通過 USB 通訊接口和工控機相連，用于設置激光器頻率、能量等參數的激光器驅動電源通過 ＲS232 通訊接口和工控機相連。掃描振鏡控制板卡還通過 I /O 接口和激光器驅動電源相連，通過調節 PWM 頻率和模擬量電壓大小，可以在加工時根據工藝需要實時改變激光器的頻率和能量等參數。CCD 工業攝像頭通過USB3．0 接口和工控機相連，激光測距傳感器則通過ＲS232 通訊接口和工控機相連。
為了實現對掃描振鏡 x 和 y 兩個方向的運動控制和激光的實時同步控制，系統將采用基于 USB2． 0 高速模式通訊接口的掃描振鏡實時控制卡。其以大規模可編程邏輯陣列 FPGA 為基礎，采用大規模集成電路和多層電路板結構以及精簡的控制算法，獨立地保存和處理主機的命令，傳輸速度達到 25Mbps，滿足激光加工對掃描振鏡的實時控制要求。
3． 6 軟件開發與集成設計
本系統軟件功能主要包括運動控制、I /O 信號控制、激光測距信號采集、CCD 圖像顯示、掃描振鏡控制、激光器控制等功能。考慮到軟件開發的周期與難度，本系統采用模塊化設計方法，各功能軟件獨立運行又可實現數據的相互傳輸，同時可以增加開發新的功能［8］。這若干個相對獨立的軟件分別為: 運動數控軟件、圖像顯示軟件、掃描振鏡控制軟件和激光器參數設置軟件。其中圖像顯示軟件使用大恒圖像提供的linux SDK: Galaxy X86 Linux SDK For DAHENG Gig E ＆USB3 Cameras，通過該軟件來采集 CCD 實時信號并顯示圖像。掃描振鏡控制軟件則使用 EZCAD2.7.6，并可進行二次開發。
激光器參數設置軟件由激光器廠家提供。運動數控軟件采用 Linux CNC 開源程序作為基礎，是整個系統軟件開發的核心內容，其構架上分為 4 部分: 運動控制模塊、輸入輸出部分、圖形交互界面和任務控制模塊。運動控制模塊為一個實時模塊，能從系統底層 TASK 任務中接收運動指令，實現運動軸軌跡規劃、正/逆動力學運算完成指定軸的指令速度位置解析計算。
同時，系統也將實時地把運動 Motion 的狀態反饋給系統任務 TASK。輸入輸出部分主要用來處理急停、電磁閥和噴氣裝置等一些輔助的 I /O 控制，任務調用周期循環，TASK 負責接收 I /O
命令后，再經過HAL 定義腳輸出 I / O 的信號控制，從 HAL 的驅動中讀取驅動的反饋 I /O 狀 態，把 實 時 信 息 反 饋 給 任 務TASK［9］。
本文通過配置系統調用 INI 文件和硬件抽象層 HAL 文件，同時采用跨平臺語言 Python 為主要開發語言、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面，實現五軸聯動控制、加工軌跡實時顯示、JOG 和 NC 模式切換、機床與用戶坐標系設定、
加工參數的設定與實時調整、自定義擴展 I /O、激光測距傳感器的數據采集及顯示、機械運動與激光控制交互等功能。另外，由于集成的掃描振鏡控制軟件和激光器參數設置軟件需要運行在
Windows 操作系統環境下。
本文采用在 Linux 操作系統中安裝 VMware Workstation虛擬機程序，在虛擬機中運行 Windows 操作系統，分配一個 CPU 核心、2G 內存和 120G 硬盤空間供其使用，將需要 Windows 環境的控制軟件移植到 Linux 環境下使用，因此只需要一臺工控 PC 機便可以完成所有軟件控制參數的操作。如圖 5 所示。
圖 5 “5 +2”軸機床集成的部分軟件界面
4 、設備性能與加工試驗
4． 1 機床重復定位精度
采用 Agilent E1733A 激光干涉儀對激光加工機床的重復定位精度進行測定，結果顯示，該機床的直線軸重復定位精度均在 5μm 以內，旋轉軸的重復定位精度在 5arcsec 以內，達到預定指標要求，如圖 6 和表 1 所示。
圖 6 激光干涉儀測得的 X 軸原始數據圖
表 1 激光加工機床各軸重復定位精度數據
4． 2 異型孔激光加工試驗
如圖 7 所示，利用搭建完成的激光加工機床在鋁合金材質的燃燒室火焰筒內外環模擬件上加工傾斜30°的復雜異型氣膜冷卻孔陣列，加工效果好，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，異型孔異型部分長度 2793μm、深度 1093μm，與異型孔設計模型的尺寸偏差也在公差要求范圍內。
圖 7 5 軸聯動激光加工機床和燃燒室火焰筒模擬件
圖 8 在燃燒室火焰筒模擬件復雜曲面上激光加工的異型氣膜孔陣列
圖 9 異型氣膜孔進氣端圓孔直徑測量
圖 10 異型氣膜孔出氣端形貌
5 、結論
本文基于 Linux CNC 開源數控系統和 Ether CAT 通訊總線技術，結合五軸機械運動系統和二軸掃描振鏡光學運動系統，開發了一種航空發動機渦輪葉片復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，可實現復雜曲面結構上異型氣膜冷卻孔的低損傷制備，加工指標符合要求。
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