（光学工程专业论文）大功率固体激光加工系统监控软件的设计和实现.pdf

摘要 摘要 本文主要设计和实现了一个面向工业用的大功率固体激光柔性加工系统的 监控软件，并在汽车工业生产中取得了很好的应用。在此基础上，结合激光加工 的特点，对系统中柔性加工部分机器人的离线编程进行了初步的研究。 文章首先介绍了大功率激光柔性加工系统的组成，并对大功率固体激光器、 监控软件和柔性加工各组成部分的国内外现状进行了说明。根据大功率固体激光 加工系统的使用要求，对监控软件进行了功能和性能的需求分析。在此基础上完 成了监控软件总体方案的设计，包括软件平台和开发工具的选择、软件的模块化 分析和系统框架设计。之后详细说明了各个模块的设计和实现流程以及实验调试 过程中所要解决的问题，并对信息处理模块进行了着重的论述，指出了建立激光 加工工业应用数据库的重大意义。 针对激光柔性加工系统中，加工现场通过人工在线对工业机器人示教编程的 诸多不便，本文结合n c l t 2 0 0 0 中k u l 【a 工业机器人自身的特点和激光加工系统的 实际需求，对机器人的离线编程进行了初步的研究。文章介绍了激光加工系统中 使用的k u i ( a 机器人的结构特点以及通讯方式的实现，并对其运动学特性进行了 探讨，在此基础上给出了机器人的运动学逆解。在对机器人基础理论的深入研讨 的基础上，结合已有的研究成果，对基于c a d 的机器人离线编程进行了更深入的 研究，结合激光加工的特点，对离线编程进一步完善。 关键词激光加工；监控软件；触摸屏；机器人离线编程；c a d 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i l l l ya _ b o u tt l l es n l d yo nt h ed e s i g na r l dr e a l i z a t i o no f m o n i t o r i l l g s o f t 、v a r ef o ri i l d l 珂缸a ll 锄p - p u m p e ds o l i dl a s e rs y s t e m t h es y s t e mh 硒w e u 印p l i e d t 0a u t o m o b i l ei n d u s 仃y f 硫o f a l l ，n l i sp 印e ri n 劬d u c e sc o n s t i t u t c so f 重l i 曲棚w e rl 觚e rn c x i b l ep r o c e s s s y s t 鼬，卸ds h o w st 1 1 es t a l = u si i l s i d e 锄do u c s i d eo fh i g l l - p o w e rs o l i dl 勰m o n i 蜘n g s o 船煅髓dn e x i b l ep r o c e s si n d i v i d l l a l l y s e c o n d l y ，i tm a k e sd e m a n d 趾a l y 豳go f 轴1 c t i o n 锄dc a p a b i l i 哆b 硒e do nl l s i n gr e q u i r c m e n to fi l i 曲一p o w e fs o l i d1 觚e fp r o c c s s s y s t e n l t h e1 h j 确a n dm o s ti m p o r t a n t l y ，t h eo v e r a l ld e s i g no f 恤e r w a r eh 嬲h 。e n d o n e ，i n c l u d i n gt 1 1 ec h o i c eo fm e f h a r cp l a t f o r m 锄dd e v e l o p m e mt 0 0 1 ，s o 矗w a r e m o d u l ea i l a l y s i sa n dd e s i 印o fs o f t 、v a r cs y s t c m 曲m e w o r k 鲥b e rt h ed e s i 驴龃d 删i z a d o no fe a c hm o d 山e ，s o m ee ) 砌p l 部o fs o m ei s s u ea l s oa r em e n t i o n e dw h e n d e b u g g i i l g 也ew h o l es y s t e m a tl a 巩nd i s c u s s e st h em o d l l l eo fi n 】f b m a t i o n p r o c e s s i n gi i ld e t a i l ，a n dp o i i l t so l i ti ti sv e r ys i g i l i 6 c a n tt of o u n da ni n d l l s t r ya p p l y d 也山黜o f l a s e rp r o c e s s hl a s e rp r o c e s s s y s t e m ，p e o p l ea d o p t t h em e 出o do fl e a d t h r o u g hr o b o t p r o g r 删n go np r o c e s s e m i ti sa ul ( r l o w nt h a t “sk i n do fp r o 孕m m l l i n gh a s s e v e r a ls h o r t c o m i l l g so nt h es c e n c t h i sp a p e rp r e n t sar o b o tp m 口卸：l 玎1 i n ga p p f o a c h t l l a 士g e n e r a t c sar o b o tp r o 鲫na u t o m a l i c a l l y 舶ma ni l n a g eo fi n d u s t r i a lp r o c e s s i l l g l l s 堍c a ds o f h v a r e b y1 h i sw a yi tw e nc o m b 妇sm ec h a r a c t e r i s t i co fk u k a i n d l l s t r i a lr o b o ti nn c l r 2 0 0 0 甜l dt l 坨t u a l q l l i r e m e n ti nl 鹊e rp r o c e s s b a s e do n 6 a x i sr o b o t ，t h i sp a p e rs y s t e m a _ t i c a l l ys t u d i e d 也eb a s i cp r i n c i p l e 姐dm e t h o do f o 丘二l i n ep r o 乎锄n m i l l gf o rl 嬲c ri n c i s i 加锄dw e l d i n gp f o c 部s f m mt h ee x p c d m e n t r e s u l t ，t l l i sk i n do f 恤。昏l 硫p m 咖gg r e a n yi l n p r o v e s 也ee f f i c i e n c yo f r o b o t ， 跚c c e s s f m l yk e e p s 丘o mt l l ed i 伍c l l l t i 懿i n - l h 璩p r o 筝舢i n g f o re x 锄p l e ，i t a i i o w s 印p i i c a t i o np r e p a r e ds 印a r a 土e l y ，s ot h 砒r o b o tc a nc o m i n _ t op e r f b 蚰也c c u n - e m j o b ，w h i c h 、m u 孕e a t l yr 。d u c et h ew a i 垃n g 垃m c k e yw o r d sl a 船rp r o c e s s i i l g ；m o n 姗n gs o r w a ；h u m 纽m a c h i n cm t e m c e ； r d b o to 昏l i n ep r o 掣觚坷【i n g ；c a d i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 立王些盍堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：恚酗导师签名：应智日期：塑2 ：夕 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 激光技术是2 0 世纪继计算机之后又一对世界产生重大影响的高科技技术， 由于激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度，四十多年来，以激 光器为基础的激光技术得到了迅速发展，现在已经广泛应用于加工、医疗、军事、 通讯、检测、娱乐等各个领域，并形成了新的产业体系。激光加工、激光通讯、 激光医疗将成为激光技术应用最重要的三个方面。 其中激光加工是激光最早的应用之一，早在2 0 世纪6 0 年代就用激光在钻石 上打孔，随着激光技术的发展，激光加工的能力不断提高，成为改造传统加工业 的一种有效手段。激光加工技术是一种光、机、电、材料及检测技术一体化的新 型特种加工技术，是先进制造技术的重要组成部分嘲。它是利用高能量密度激光 束照射工件、将材料加热、熔化、汽化的一种无机械接触的加工方法。目前，激 光加工主要用于电子工业和机械制造两个领域：在电子工业中激光加工具在打 孔、划片、打标中表现出高效率、高精度、高质量、热影响区域小、无污染等优 点锄；在机械制造领域，激光加工具有很重要的地位，广泛用于切割、打孔、 焊接、表面处理、切削加工等，并突显出它的优势。 激光加工分为“热加工”和“冷加工”两种。激光的主流加工是基于热效应 的加工，其中n d ：y a g 激光器和c o ：激光器一直占有较大的市场。在材料加工方面， c o 。激光器以其价格低输出功率高的优势一直扮演着重要角色，但c o ：激光器严重 不足是输出激光波长长( 1 0 6 微米) ，而金属对该波长激光反射率高，不利于 加工。目前还不能用光纤传输的方法用c 0 ：激光器进行加工，并且其体积大、效 率低、适应性差、采用的多反射镜光学传输系统结构复杂、操作不方便，这就限 制了它的应用。而n d ：y a g 激光器最大的优势就是能够用光纤传输，可以进行柔 性加工。进入九十年代，随着千瓦级n d ：y a g 激光器的商品化，并且可用光纤传 输，千瓦级n d ：y a g 激光器加工机在柔性制造中迅速推广。目前，n d ：y a g 激光器 的应用已经超过了c 如激光器，成为工业加工中的主流激光器。和c 0 z 激光器相 北京工业大学工学硕士学位论文 比，n d ：y a g 激光器的优点：高能量储存、波长短、金属吸收率高；易于光纤传 输，不但提高了系统的灵活性，同时与工业机器人匹配可组装成在线柔性制造系 统；n d ：y a g 激光器可通过调q 、锁模、获得短脉冲，应用更加广泛；结构紧凑、 体积小、使用维护方便。高平均功率n d ：y a g 激光器在军用领域( 如测距、目标 指示、致盲、光电对抗、激光核聚变、激光射束武器等) 和民用领域( 如切割、 焊接、热处理、打标) 有着广泛的用途”1 。 另一方面，随着计算机数控技术的迅速发展，激光加工技术必然要与计算机 技术和运动控制技术相结合，既利用机器人所具有的高精度、高可靠性和高自动 化的特点，又利用激光束能量高度集中和高柔性的特点，实现高精度的激光柔性 加工，推动激光加工技术的顺利开展，因此，开发大功率固体激光加工系统，利 用机器人实现激光加工的柔性制造已经成为当今激光加工技术发展的一个必然 趋势。 1 2 大功率固体激光柔性加工系统概述 1 2 1 大功率固体激光柔性加工系统的组成 光纤传输灵活性与工业机器人匹配可组装成在线柔性制造系统，在n c l t 2 0 0 0 中激光加工系统主要包括激光器，光路传输系统及机器人加工机三个部份。 激光器是整个激光加工系统的中心，主要作用是制造出激光激光器的种类 很多，但其产生激光的原理基本相同。大多由激励系统、激光物质和光学谐振腔 三部分组成。激励系统就是产生光能、电能或化学能的装置。目前使用的激励手 段，主要有光照射、通电或化学反应等。激光物质是能够产生激光的物质，如红 宝石、铍玻璃、氖气、二氧化碳、半导体、有机染料等。光学谐振控的作用，是 用来加强输出激光的亮度，调节和选定激光的波长和方向等。 激光器输出的激光束需经光路系统传输和处理，以满足不同的加工要求。光 路系统包括光束直线传输信道，光束的折射部分、聚焦或散射系统。直线传输信 道主要是镜的反射和光纤传输，现时采用光纤传输主要是紫外波至近红外波范围 内的光波，这种传输方式既方便又安全，但大部分光路系统还是采用镜的反射， 这方法在传输高能量的激光时，必需遮蔽激光，否则会造成危险。某些激光加工 过程，( 如切割，焊接，打孔，切削等) 要求将激光束聚焦，以得到高的功率密度； 一2 一 第一章绪论 而另些激光加工过程( 如热处理，涂敷，合金制成等) 则要求在一个特定形状的 光班内有均匀的能量分布，以得到大而均匀的加工面。在小功率系统中多采用透 镜作聚焦或散射之用，但在高功率系统中，则多用金属反射，折射系统，以免产 生热透镜效应。在n c l t 2 0 0 0 系统中，我们采用光纤进行传输。 实现激光加工的柔性系统化主要指激光加工头能灵活机动地引导激光束到 达零件的待加工位置。从激光加工机床所能加工零件的复杂程度看，又分平面二 维和空间三维激光加工，大功率激光三维加工是未来激光加工的方向的发展方向， 为了实现激光加工的灵活性，三维激光必须采用运动光学系统。大功率三维y a g 激光加工系统通常采用机器人( 或机器手) 配合光导纤维进行光束传输，由机器人 挟持着激光头完成各种运动，激光则通过光导纤维传送到激光加工头处，到达工 件表面，这种加工系统中，光束的传输和聚焦特性不受加工位置的影响。 1 2 2 国内外大功率固体激光器的发展现状 目前，大功率连续激光器在工业加工领域占有较大市场。其中，n d ：y a g 固 体激光器是工业加工中的主流激光器之一。n d ：y a g 激光器具有高能量储存、波 长短、金属吸收率高的优点，并且易于光纤传输，不但提高了系统的灵活性，同 时与工业机器人匹配可组装成在线柔性制造系统，大大提高了激光加工系统的工 作范围和生产效率。同时，n d ：y a g 激光器还可通过调q 、锁模等方法获得短脉冲， 这使得它的应用更加广泛。 近几年来在全球经济普遍低迷的情况下，工业用固体激光器市场仍然保持稳 定的增长。2 0 0 4 年世界固体激光器总销售量达到3 1 6 0 0 多台，其中用于材料加 工的固体激光器1 2 2 6 l 台，预计在2 0 0 4 年世界工业用固体激光器仍能保持3 的 增长率，具体情况如表卜1 所示： 北京工业大学工学硕士学位论文 表卜l 世界固体激光器销售量2 0 0 2 2 0 0 4 ( 台数) t a b l el 1w o r i d w i d es o l i d - s t a t ci a s e rs a l e s2 0 0 2 - 2 0 0 4 ( u n i 曲 条 健 材料医溯试旗础电 j 匕 蛭圈像铡粥其总 存盛 加_ 【疗设罄研究信乐记录控圭|他计 储器 描 好象 睨5 0 s o7 啪 7 9 4 9ooo52 002 l ol o1 3 2 8 i 鞠猫0 3韶5 8 醅9 6 oo o 6o1 1 51 3 5 2 8 体0 46 2 为7 啪2 9 57 9 5oooo1 6 0ol 2 01 5 哺 激光 0 2ooo5 9 0 oo o o o o oo5 9 0 襄滤0 37 0oo4 oooo0o005 3 0 蚓体 0 48 7 oo4 8 0oooooo0o 5 6 7 二极0 25 3 8 31 0 0 08 3 07 5 0oo3 0 02 5 0o1 7 55 0 09 2 7 8 管幕0 33 1 9 3l 05 2 5 01 1 9 9oo3 5 0弼n 501 5 05 5 01 2 l l l 嘲体5 s 1 4 0 05 0 2 51 2 9 0o04 s o枷1 2 5o3 5 01 0 0 01 5 9 3 0 由于大功率n d ：y a g 激光器的应用日益广泛，世界上各发达国家竞相开展了 大功率n d ：y a g 激光器的研究。例如，1 9 8 7 一1 9 9 6 欧洲实旋的尤里卡计划e u 2 2 6 ( 即高功率固体激光器的研制) 、e u 5 6 0 ( 高功率固体激光器光束质量的提高) ， 美国1 9 9 8 年制定的2 1 世纪光科学与工程的发展规划哈里森光计划，以及日 本2 0 0 1 年制定的光科学与工程的发展规划光世纪删。德国更加重视大功率激光 器的研究，在完成1 9 8 7 1 9 9 2 年b m 盯“激光研究与激光技术”资助计划后，1 9 9 3 年德国又提出了“激光2 0 0 0 ”新的资助计划( 1 9 9 4 - 2 0 0 2 ) ，“光学促进计划” ( 2 0 0 2 2 0 0 6 ) “。在各国政府的支持下，大功率激光器获得了飞快的发展。 我国近几年在激光应用方面发展迅速，仅2 0 0 1 年一年就有l o o o 多台工业激光 器设备在中国建立n 1 1 。但是产业化水平低，与发达国家相比，在激光加工系统的 可靠性、稳定性以及整体化、智能化、自动化水平差距很大。尤其是在大功率激 光制造方面，远远落后于美国、德国、日本、法国等先进国家。目前我国大功率 固体激光依赖进口，而这类激光加工系统恰恰是在工业中具有巨大的应用价值。 国产化的大功率激光加工系统已经成为制约激光加工在国内大量工业应用的瓶 颈。解决目前国内大功率固体激光加工系统研制中所存在的技术难点和关键问 题，开发出工业化2 0 0 0 w 大功率固体激光加工系统，使我国成为继德、美、法、 日四国后掌握该技术的国家，对于促进国内大功率固体激光加工系统的开发和制 造工艺水平，有显著经济效益和社会效益。 第一章绪论 1 2 3 机器人柔性加工系统国内外现状 机器人作为一种能够模拟人工操作的工作机械，随着机器人技术的不断发 展，其应用领域也在不断拓宽。在n c l t 2 0 0 0 大功率固体激光加工系统中，机器 人是很重要的一个组成部分，它是激光柔性加工的实现载体。我们所研发的激光 加工本身就具有很好的柔性： ( 1 ) 激光器本身是一个比较简单而且易于控制的装置，如果把它产生的光束 聚集成极细的光束，就可以切割；散焦一点就可以焊接；再散焦一点，就能进行热 处理。 ( 2 ) 采用激光加工，不仅加工速度快，效率高，成本低，而且避免了模具或刀具 更换，缩短了生产准备时间周期，易于实现连续加工，激光光束换位时间短，提高 了生产效率可进行多种工件交替安装。一个工件加工时，可卸下已完成的部件， 并安装待加工工件，实现并行加工，减少安装时间，增加激光加工时间。 ( 3 ) 激光束采用直接驱动和导向方法，激光可作旋转、倾斜、上下左右移动 等运动，能加工工件的垂直面和复杂表面：而且直接驱动没有空程，精度高。将激 光的控制和机器人相结合，用机器人来移动或多轴线方式方式翻转光束下的零件， 可加工一些用传统方法加工比较困难的零件“”。 激光加工系统和具体的生产线结合在一起，就构成了柔性制造系统。柔性制 造系统( f l e ) 【i b l e m a n u f a c t u r i i l g s y s t e m 缩写f m s ) 是指适用于多品种、中小批量生 产的具有高柔性且自动化程度高的制造系统“。柔性是f m s 的最大特点，即系统 内部对外部环境的适应能力。f m s 自其诞生以来就显示出强大的生命力，它克服 了传统的刚性自动线只适用于大量生产的局限性，表现出了对多品种、中小批量 生产制造自动化的适应能力。随着社会对产品多样化、低制造成本、短制造周期 要求的日趋迫切，由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的 进步，柔性制造技术发展迅猛并日臻成熟。实用表明，柔性制造技术具有如下特点： 具有较高的柔性、机构性和通用性；转产快、准备时间短；备利用率高，可实现 无人看管2 4 h 连续工作；加工质量高且稳定；所需费用低；相同产量占地面积是 传统设备的6 0 9 6 。由此可见，正是由于柔性制造技术的这种高效、灵活的特性使其 成为实施敏捷制造、并行工程、精益生产和智能制造系统的基础，且应用日益广 泛，已成为制造领域的核心技术“”。而按规模大小f m s 主要分为：柔性制造单元 北京工业大学工学硕士学位论文 ( f m c ) ；柔性制造线( f m l ) ；柔性制造系统( f m s ) 。一般柔性制造系统的主要 组成部分为： ( 1 ) 加工系统( f m s ) 采用的设备由待加工工件的类别决定，主要有加工中心、 车削中心或计算机数控( c n c ) 车、铣、磨及齿轮加工机床等，用以自动地完成多 种工序的加工。 ( 2 ) 物料系统用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸，以及完成工序间 的自动传送、调运和存贮工作，包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及 专用起吊运送机等。 ( 3 ) 计算机控制系统用以处理f m s 的各种信息，输出控制c n c 机床和物料系 统等自动操作所需的信息通常采用三级( 设备级、工作站级、单元级) 分布式计算 机控制系统，其中单元级控制系统( 单元控制器) 是f m s 的核心。 ( 4 ) 系统软件用以确保f m s 有效地适应中小批量多品种生产的管理、控制及优 化工作，包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系统管理 和监控软件。 由上述内容我们可以发现激光加工与柔性制造系统有很好的相容性，把两者 结合起来形成激光柔性加工系统，在彼此相互配合良好的条件下肯定会收到非凡 的效果并取得良好的收益。 随着激光与材料的相互作用的进一步研究，激光加工技术也必将广泛的应用 在柔性制造系统上。实现激光加工的柔性系统化主要指激光加工头能灵活机动地 引导激光束到达零件的待加工位置。从激光加工机床所能加工零件的复杂程度看， 又分平面二维和空间三维激光加工，大功率激光三维加工是未来激光加工的方向 的发展方向，为了实现激光加工的灵活性，三维激光必须采用运动光学系统。大功 率三维y a g 激光加工系统通常采用机器人配合光导纤维进行光束传输，由机器 人挟持着激光头完成各种运动，激光则通过光导纤维传送到激光加工头处，到达 工件表面，这种加工系统中，光束的传输和聚焦特性不受加工位置影响“”。 进行三维激光加工离不开计算机程序，编制激光加工的计算机程序主要有示 教编程和自动编程两种方式。由于手工示教编程是一项劳动强度大，效率低的工 作，采用自动编程则是三维激光加工的必然趋势。自动编程是建立在c a d 平台上 的c a m 系统，这就必须与c 觥a m 技术相连接，以便实现加工各种复杂几何形 状的自动化过程。 一6 一 第一章绪论 1 3 工业加工系统中监控软件的发展现状 在激光加工系统中，监控软件是很重要的一个组成部分，它对整个加工系统 的运行起到控制和监视作用，并使得整个操作更便捷。 随着工业控制技术的飞速发展，计算机应用在控制领域内起到越来越重要的 作用“，在大部分工业控制系统中，都有计算机作为辅助监控设备。可编程逻辑 控制器( p l c ) ，由于其控制方式灵活，运行可靠，抗干扰能力强，具有数字量、 模拟量处理和通信等功能和极方便的可编程性，已成为目前在各种控制系统中使 用最多的控制装置。但是大多数中小型p l c 的显示功能较差，人机交互操作 不便。在实际的控制系统中，通常采用p l c 作为下位控制机实现对生产过程的控 制，以计算机作为上位机进行工艺流程参数显示、控制参数设置、数据分析及处 理等功能，在p l c 与计算机之间实现通信o ”。这样的系统可以使p l c 和计算机互 补功能上的不足，充分发挥二者的优势：前者用于控制方面既方便又可靠，而后 者在人机界面、智能操作、图形显示、数据处理、打印报表等方面有很强的功能， 极大地提高了控制系统的性能价格比。工业控制系统的复杂性对软件产品提出了 很高的要求，软件一般包括数据采集、控制、通讯、数据分析与处理、数据存储、 数据显示、数据查询和报表以及打印等功能。随着工业控制系统应用的深入、控 制系统复杂程度的增强，工业控制软件在工业控制系统中的地位也越来越重要。 工业控制软件的安全性和可靠性在很大程度上决定了整个控制系统、整个生产过 程是否安全。工业控制软件安全已经成为设计、工程应用中需要重点考虑的问题。 工业控制软件于2 0 世纪8 0 年代初出现，在同年代中期进入中国。前期主要是 各种类型的d c s ，直到2 0 世纪9 0 年代后期，基于微机的工业控制软件才得到了广 泛的应用。目前工业控制系统的软件主要是使用市售的组态工控软件嘲。组态的 概念最早来自于英文的“c o 血g m t i o n ”一词，含义是通过软件工具对计算机及软 件的各种资源进行配置，能够使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务， 达到满足使用者要求的目的。2 0 世纪8 0 年代末，世界上第一款商品化的监控组态 软件h l t o u c h 诞生于美国的w o n d e 刑a r e 公司，迄今有2 0 年的历史。随着p c 机在全 球的普及，基于p c 的监控组态软件也开始蓬勃发展。采用组态监控软件，用户 可以构建一套最适合自己的应用系统。随着组态软件的快速发展，实时数据库、 北京工业大学工学硕士学位论文 实时控制、s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、对i 0 设备的广泛支持也逐渐 成为它的主要内容嘲。目前很多著名的组态软件，这些软件具有功能强、使用方 便，通过灵活的组态方式，帮助用户快速构建工业自动控制系统，实现监控功能。 从计算机软件角度，当前工控软件的发展趋势是：从建立和形成软件产业的 基本点出发，软件的生产走向工程化，软件产品商品化；其次建立开放式的系统 是发展的必然趋势，因此如何使应用软件独立于平台，并在异构环境下工作，无 地理位置的限制，做到即插即用是当前发展的一大关键所在；同时应用软件的开 发不局限于功能的需求，而更多地考虑系统的可维护性，可扩展性和可重用性瞰1 。 1 4 课题研究背景及主要内容 本课题来源于国家经贸委科技创新项目“工业用大功率n d ：y a g 固体激光加 工系统的研制”和市教委科技项目“大功率固体激光器控制系统的研发”。 本文利用面向工控领域的上位机实时监控软件的设计思想和实现方法，根据 大功率灯泵浦固体激光加工系统的实时监控要求，基于可编程逻辑控制器( p l c ) 和触摸屏的、 心i d o w sc e 嵌入式组态软件开发环境，围绕如何开发一个完善的 激光加工系统监控软件，对监控软件实现的关键技术模块化程序设计、数据 实时通信技术、数据库技术等技术作深入的研究，最后进行整个激光加工系统的 联机调试，经过多方面的实验，最终开发出一个完善高效可靠的监控软件，并在 实际应用中取得了良好的效果。 在我们开发n c l t 2 0 0 0 激光加工系统中，利用机器人挟持激光头实现了激光的 柔性加工。为了提高激光加工系统的整体效率，对机器人的示教变成方式进行改 进，文中提出了一种机器人的离线编程的实现方式。通过对a u t o c a d 的二次开发 技术，针对n c l t 2 0 0 0 激光柔性加工系统中k 1 a 六轴机器人离线编程技术进行研 究，离线编程技术是c a d 模型和实际加工的桥梁，是提高加工质量、提高编程效 率和实现集成的一个保证。根据对机器人离线编程研究现状的分析和相关运动学 理论的研究，在离线编程方面作为基础，首先探索得到机器人可执行文件s r c 格 式；然后从c a d 模型中，根据实际的应用要求，提取加工数据信息；将屏幕坐标 系下的数据转换为实际加工坐标系的数据，并把激光加工信息进行相应的处理； 最后把转换后的数据翻译生成机器人工作程序，下载到机器人控制柜。 第二章监控系统结构设计 第二章监控系统结构设计 2 1 监控系统的组成 在n c l t 2 0 0 0 中，整个激光加工系统由激光器( 包括激光晶体棒、泵浦灯、聚 光腔、光学谐振腔、激光电源) ，水冷系统，光纤传导系统，可编程控制器( p l c ) ， 触摸屏控制面板以及机器人。其中控制系统包括p l c 系统和触摸屏控制平台。整 个加工系统的硬件控制由p l c 完成，监控软件正是通过与p l c 控制系统进行数据 通信，来实现对激光加工系统的实时监控。总体系统示意图如2 1 所示： i 一一耋耋要兰婴三要篓j 图2 1 激光加工系统示意图 f i g 2 1s y s t e ms l ( e c h m a p o f l a rp r o o e 鼹s y 咖m 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 1 下位机简介 可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、 自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装 置。它面向控制过程、面向用户、适应工业环境、操作方便、可靠性高，成为现 代工业控制的三大支柱( p l c 、机器人和c a d c a i ) 之一嘲。p l c 控制技术代表 着当前程序控制的先进水平，p l c 装置已经成为自动化系统的基本装置。 p l c 的主要功能和特点： p l c 的主要功能：开关逻辑控制；模拟量控制；闭环过程控制；定时控制； 计数控制；顺序控制；数据处理；通信和联网。 p l c 的特点：可靠性高、抗干扰能力强；通用性强、灵活性高、功能齐全： 编程简单、使用方便；模块化结构；安装简便、调试方便；网络通信；p l c 体积 小、能耗低、便于机电一体化啪1 。 根据现场的条件和状况，本系统采用可编程逻辑控制器作为控制终端下位机 洲。因为相对于其他的控制设备，p l c 具备抗干扰能力强，可靠性高，安装方便， 编程简单等优点，非常适合本系统的下位机嘲。p l c 控制系统大致分为以下几 个部分：冷却水检测系统，激光电源以及激光功率测控系统，光闸、光路控制系 统等。控制系统在激光器运行中需要对水流量、电压、电流、温度、光闸、功率 等多种参量进行实时监测和控制。大功率灯泵浦固体激光器在运行过程中会产生 大量的热，而激光棒、泵浦灯、谐振腔等对温度要求比较严格，因此水冷系统在 激光加工系统中至关重要。控制系统需要通过传感器对冷却水的温度和水流速进 行检测采集，实时监控水冷是否正常，一旦发现异常，将中断高压并报警，以保 证激光器的正常安全。激光器输出功率的调节主要通过激光电源来完成，激光电 源具有高压大电流的特点，需要p l c 控制系统精确控制。n d ：y a g 固体激光器光 束经过耦合由光纤传输到加工站，控制系统通过对光闸、光路等的控制实现对激 光束传输的控制。 2 1 2 上位机简介 入机界面产品为了解决p l c 的人机交互问题而产生的，目前已经成为工业 控制系统的不可缺少的组成部分嘲。作为工控软件的一个重要部分，国内人机 一1 0 一 第二章监控系统结构设计 界面组态软件研制方面近几年取得了较大进展，软件和硬件相结合，为企业测、 控、管一体化提供了比较完整的解决方案。 入机界面产品即h m i ( h u m a i l m a c h i i l eh l t e r f a c e ) ，常被大家称为“触摸屏”， 连接可编程序控制器、变频器、直流调速器、仪表等工业控制设备，利用显示屏 显示，通过输入单元( 如触摸屏、键盘、鼠标等) 写入工作参数或输入操作命令， 实现人与机器信息交互的数字设备，由硬件和软件两部分组成。人机界面产品由 硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、 数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了 “i 产品的性能高低，是咖i 的核 心单元。根据i 的产品等级不同，处理器可分别选用8 位、1 6 位、3 2 位的处 理器。h m 【软件一般分为两部分，即运行予h m i 硬件中的系统软件和运行于p c 机w i n d o w s 操作系统下的画面组态软件( 如j b m m 画面组态软件) 。使用者 都必须先使用h m 【的画面组态软件制作“工程文件”，再通过p c 机和h m i 产 品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到咖i 的处理器中运行。人机界 面的硬件构成和人机界面的软件构成如图2 2 和2 _ 3 。 图2 2 人机界面的硬件构成 f 培2 2h a r d w a 把s h u c t u r eo f h u m 锄m 觚l l i i i 此r f h c e 界面组态软件 ( 运行于p c 机) 工 设备驱动 处理器 系统内接软件 ( 运行于 m i 硬件) 图2 3 人机界面的软件构成 f i g 2 - 3s o f t w a 坤s 锄c t i 辩o f h 岫锄m a c h m ei n t e r f k e 北京工业大学工学硕士学位论文 人机界面产品有很多种类，根据显示屏的大小来分，大概分为三类： ( 1 ) 薄膜键输入的 “i ，显示尺寸小于5 77 ，画面组态软件免费是初级产品。 ( 2 ) 触摸屏输入的h m i ，显示尺寸为5 7 一1 2 17 ，画面组态软件免费，属于 中级产品。 ( 3 ) 基于平板p c 计算机的、多种通讯口的高性能 d i ，显示尺寸大于l o 47 ， 画面组态软件收费，属高端产品，一般使用w i n c e ，l i 舢x 等通用的嵌入式 操作系统。 随着数字电路和计算机技术的发展，人机界面产品在功能上的高、中、低划 分将越来越不明显，h m i 的功能也越来越丰富。 人机产品与其他设备的连接方式，一般情况下人机界面产品是通过串口 ( r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 r s 4 8 5 ) 实现通讯的，通过一条特定的或普通的电缆实现串口间 的连接。如变频器、直流调速器、温控仪表、数采模块等具备了串口通讯能力的 工业控制设备都可以连接人机界面产品实现人机交互。现在已经有很多人机界面 产品具有了网口、并口、u s b 口等数据接口，所以他们就可以与有这些接口的工 业设备相连实现人机交互。例如工业上已经有很多工厂、企业利用设备的 e t h e r n e t 网口实现企业的网络化，或者通过i n t e r n e t 实现现场设备的远程监控 和故障诊断。 触摸屏产品的研究和开发始于6 0 年代的美国，而该技术的成熟和壮大主要 应归功于日本的业者。在国际市场上，日本、美国、德国产品在人机市场占据主 流地位，目前主要的删i 品牌有p r o f a c e ，m i t s u b i s h i ，h i t e c h ，s i e 舱n s ，o m r o n ， b r 。d e l t a 等；国内主要有南京华睿川电子科技股份有限公司，品富电子科技( 上 海) 有限公司，台湾e v i e w ，台湾台达( d e l t a ) 等。 如今的h m i 己远不仅是生产现场的图象化表示，而且已经成长为跨越自动 化系统和i t 系统的桥梁。”。目前的人机接口产品大致分为两种。一种是嵌入式 人机接口，当中没有内建硬盘，适用于单机或是功能要求较简单的应用场合。第 二种是属于i p c 工业计算机，常见于需要大量数据处理的整合式应用场合。但是 这种分隔方式已经逐渐模糊，主要原因是低热功率与高速的c p u 已达6 0 0 姗z 以 上，f l a s h 每单位储存容量的价格也在持续下跌。在这样因素影响下，工业用计 算机的人机接口势必向更高层级的应用领域发展，而嵌入式h m i 将逐渐成成为 主流。嵌入式删i 是使用开放式操作系统( 一般为w i n d o w sc e ) 的人机界面， 一1 2 第二苹监控系统结构设计 其功能性和灵活性优于传统的 v i i 。 由于计算机硬件成本的降低，h m i 产品将以平板p c 计算机为h m 【硬件的 高端产品为主，因为这种高端的产品在处理器速度、存储容量、通讯接口种类和 数量、组网能力、软件资源共享上都有较大的优势，是未来h m i 产品的发展方 向嘲。工业用人机接口以r s 2 3 2 与r s 4 8 5 就能满足大部分机电装置，而某些较高 速传输资料的场合已经开始使用e t h e r n e t t c p i p 或u s b 。当然，小尺寸的( 显 示尺寸小于5 7 寸) h m i 产品，由于其在体积和价格上的优势，随着其功能的 迸一步增强( 如增加i o 功能) ，将在小型机械设备的人机交互应用中得到广泛 应用“。 2 2 系统开发工具的选择 虽然目前工业平板p c 计算机( 口c ) 是 玎v i i 产品中的佼佼者，可以内嵌功能 完善的组态软件，但考虑到目前系统的需求和整体的价格，n c l 舵o o o 选择了台 达d o p 系列p l c 和小尺寸的咀产品，系统自带组态软件。系统采用的台达触摸 屏如图2 4 所示： 图2 4 台达触摸屏 f 培2 _ 4d e l 诅t 0 u c hm a c h i i l e 在目前市场上，台达d o p 系列触摸屏的优良特性使它受到了众多用户的青 睐，市场占有率在不断的提升。市场需求推动了技术的进步，产品的更新换代使 越来越多产品采用高档控制器，从单片机到p l c 再到p c 机，通信能力越来越强， 而用单片机的系统也开始集成通信协议，所以，强大的通信能力保证了触摸屏的 广阔应用前景。台达d o p a 1 0 t c t e 人机界面产品拥有2 5 6 色n 呵彩色显示，人性 化的使用界面，高速的硬体结构，呈现给用户一个真正好用的及可规划的输入界 面。支援各厂商的p l c ，快速执行的巨集，通讯巨集，u s b 上载下载，配方管 北京工业大学工学硕士学位论文 理，两个通讯口可使用不同的协定，在线离线模拟，支援s m c 卡，多重密码设置。 2 3 系统通讯的实现 台达d o p a 系列产品本身集成两个串行通信接口，分别标记为c o m l ， c o m 2 。其中c o m l 为r s 2 3 2 ，c o m 2 为r s 2 3 2 r s 4 8 5 ( 可选) 。a e 系列提供三个串 行通信口，以a 系列d o p 为例进行说明。大多数工业智能控制器如p l c ，都具有 支持r s 一2 3 2 c 标准的接口，因此它们与上位监控计算机短距离通信时不需要接口 转换电路，数据线路结构简单，应用非常广泛。在本系统中，由于传输距离比较 短，可以将监控计算机与p l c 控制系统进行直接连接，使用r s 一2 3 2 串行接口。 r s 一2 3 2 的每一只脚位都有它的功用，也有它信号流动的方向。其9 脚位的相关 说明如表2 5 所示： 引脚 名称功能 1 c d ( c a e fd e t c c i o f l ) 载波信号检测 2r x d c e i v e )接收数据 3 t x d ( 1 h n s m 砷 发送数据 4 d t r ( d a t at e m m a lr e a d y ) 数据终端就绪 5 | n d ( g f o u n d ) 信号地 6 d s r a 诅s e t 黜l 觚y ) 数据设备就绪 7 d r s ( r 明u e 融t o s e n d ) 请求发送 8 c t s ( c l e 缸t os e n d ) 允许发送 图2 5r s 2 3 2 引脚名称和功能 f 培2 5r s 2 3 2n m e d 缸l 嘶0 l lo f p j l l 要实现台达d o p 触摸屏与外部其它设备的通信，除了通信口物理特性匹配 外，还需要通信各方采用相同的通信规约( 即通信协议) ，所谓通信协议就是通 信双方为了达到正确传送和接收数据而达成的一组通信规定。它包括发送接收 数据的格式、数据编写与解读方式以及通信参数的设定。国际公认的数据网模型 为i s 0 的开放系统互连( o s i ) 参考模型。 o s i 定义了七层模型，用来进行进程之间的通信。它是作为一个概念性的框 架来协调各层标准制定的。从低到高分别为物理层、链路层、网络层、传输层、 一1 4 一 第二章监控系统结构设计 会晤层、表示层和应用层。其中下面三层为通信层，主要是对通信网而言的；上 面四层为用户层。从o s i 七层模型看，这部分属于数据链路层( 复杂的通信协议 还与网络层密切相关) ，主要体现在信息帧传送协议( 包括差错控制) 上。信息 帧传送协议包括有以下几个部分： ( 1 ) 数据链路的建立和拆除：同步、地址确认、收发关系、最后一次传输； ( 2 ) 信息传输( 格式、数量、接收认可) ； ( 3 ) 传输差错控制( 校验) ； ( 4 ) 异常情况处理： 台达触摸屏可作为p l c 的小型工作站，具备与p l c 连线监控的功能，以及 采用文字数字或图形同步显示内部接点状态及资料的能力。台达触摸屏软件通过 直观的图形和相对比较简单的巨集指令编辑系统的界面。巨集指令类似p l c 指 令，p l c 指令所能实现的基本功能，巨集指令也可以