（机械电子工程专业论文）基于嵌入式数控的激光切雕控制系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 激光加工因其为无接触加工，且具有高效率、高精度和易实现自动化等优越 特性，已被广泛应用于电子、航空和机械制造等领域。在美术切雕设备领域，目 前应用较广的激光加工系统是基于p c 和运动控制卡的数控系统，成本较高，实时 性、稳定性不强。近年来随着嵌入式技术在装备控制中的快速应用，具有低成本、 高性能的嵌入式数控系统逐渐成为激光美术切雕j n t 设备应用的热点。本论文研 究和开发了一种基于嵌入式数控的激光切雕控制系统，完成的主要工作如下： 为提高激光加工精度和保证较高的j - r 速度，对常用的速度控制方法和轨迹 控制方法进行了改进。针对速度控制，应用了改进型s 曲线加减速控制方法，使 步进电机的加减速过程快速且平稳；针对轨迹控制，应用了改进型直线插补算法， 使插补计算的效率更高，并使电机运行更平稳。为了提高图形切雕加工的光洁度 和支持2 5 6 级灰度图像雕刻加工，设计了高精度的激光功率调节电路。根据加工 速度的变化或图像像素的灰度值，通过激光器输出功率和插补输出同步控制，实 现了激光器输出功率的实时调节。 根据系统技术要求，完成了底层嵌入式系统硬软件开发。在硬件方面，采用 了a r m 9 和f p g a 相结合的硬件架构，由a r m 9 进行事件处理和数据计算，f p g a 生成电平控制信号并作为a r m 9 的3 2 位扩展外设，较好地兼顾了性能和成本，也 提高了系统的可扩展性；在软件方面，选用w i n d o w sc e 嵌入式实时操作系统作为 软件平台，并应用了多线程编程技术，实现了人机交互模块、数据处理和发送模 块等8 个不同任务模块的并发处理，确保了加工的实时性。此外，开发了具有图 像文件处理功能的上位机软件，实现了b m p 文件读取、图像处理以及加工代码自 动生成等功能。与底层控制软件配套使用，实现了激光图像雕刻一体化控制。 本论文开发的激光切雕控制系统，在实际的激光切割和激光雕刻加工中取得 了良好的加工效果，证明了所提设计方案的可行性和可靠性。与本控制系统配套 的美术切雕设备整机已实现小批量出口。 关键词：激光加工，嵌入式数控，w i n d o w sc e ，运动控制，激光功率调节 a b s j f ra c t a b s t r a c t l a s e rp r o c e s s i n g , ak i n do fn o n - c o n t a c tp r o c e s s i n g ，谢n li t ss u p e r i o rc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sh i g he f f i c i e n c y , h i g ha c c u r a c ya n dh i 曲f e a s i b i l i t yo fa u t o m a t i o n , h a sb e e n w i d e l ya p p l i e di nf i e l d so fe l e c t r o n i c s ，a e r o s p a c ea n dm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g , c t c a t p r e s e n t , t h ec o m m o nl a s e rp r o c e s s i n gs y s t e mi nt h ef i e l do fa r tc a r v i n ge q u i p m e n ti st h e n u m e r i cc o n t r o l ( n c ) s y s t e mb a s e do np ca n dm o t i o nc o n t r o lc a r d , w h i c hh a sm a n y s h o r t c o m i n g ss u c ha sh i 【g hc o s t ，w e a kr e a l - t i m ea n dl e s ss t a b i l i t y t h e r e f o r e ，i nr e c e n t y e a r s , t h ee m b e d d e dn cs y s t e mw h i c hi so fl o wc o s t ，h i 班p e r f o r m a n c ea n d9 0 0 d f l e x i b i l i t yh a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o mt h er e s e a r c ho fl a s e rp r o c e s s i n g n ct e c h n o l o g y t h ec o n t r o ls y s t e mo fl a s e rc u t t i n ga n de n g r a v i n ge q u i p m e n tb a s e do n e m b e d d e dn ci ss t u d i e da n dd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r e a sf o l l o w s ： t h em e t h o d so fs p e e dc o n t r o la n dt r a j e c t o r yc o n t r o la lei m p r o v e dt oe n s u r e m a c h i n i n ga c c u r a c ya n dp r o c e s s i n gs p e e d a ni m p r o v e ds c u r v ea c c e l e r a t i o n a n d d e c e l e r a t i o nc o n t r o lm e t h o df o rt h es t e p p e rm o t o ri sa p p l i e dt og u a r a n t e et h ef a s ta n d s m o o t hc o n t r o lo ft h em o t o r sa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n b e s i d e s ，a ni m p r o v e d l i n e a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi su s e df o rt r a j e c t o r yc o n t r o l ，w h i c hi sm o r ee f f i c i e n ti n t h ei n t e r p o l a t i o nc a l c u l a t i o na n dc a nb e t t e rs t a b i l i z et h em o t o rm o v e m e n t r e g u l a t i n g c i r c u i to fh i g hp r e c i s i o nf o rl a s e rp o w e ri sd e s i g n e dt oi n c r e a s et h es m o o t h n e s so fl a s e r c u t t i n ga n de n g r a v i n ga n dt os u p p o r tt h el a s e re n g r a v i n go f 2 5 6g r a y - s c a l ei m a g e t h e r e a l t i m er e g u l a t i o no ft h el a s e rp o w e ri sr e a l i z e db yt h es y n c h r o n o u sc o n t r o lo fl a s e r o u t p u tp o w e ra n di n t e r p o l a t i o no u t p u tb a s e d0 1 1t h ep r o c e s s i n gv e l o c i t yv a r i a t i o no r p i x e lv a l u eo ft h eg r a yi m a g e t h ea r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sp l a n n e di n a c c o r d a n t ew i t ht h er e q u i r e dp e r f o r m a n c ea n df u n c t i o n s t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e b a s e do na r m 9a n df p g ai sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h ee v e n tp r o c e s s i n ga n dd a t a c a l c u l a t i o na r ec o n t r o l l e db ya r m 9w h i l et h ec o n t r o ls i g n a l sa r eg e n e r a t e db yf p g a w h i c hi se x p a n d e dt ob et h e3 2 - b i te x t e r n a ld e v i c eo fa r m 9 t h i sd e s i g nb r i n g sa b o u t g o o dp e r f o r m a n c e ，l o w e rc o s ta n dg o o de x p a n s i b i l i t yo ft h eh a r d w a r e m e a n w h i l e ， t i a b s t r a c t w i n d o w sc e ，t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，i st a k e na st h es o , w a r ep l a t f o r m ，o n w h i c ht h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e db ym u l t i - t h r e a dt e c h n o l o g y 8t a s km o d u l e s i n c l u d i n gh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n ga n ds e n d i n gm o d u l e ，e t c ， a l ei m p l e m e n t e dc o n c u r r e n tp r o c e s s i n gt oe n s u r er e a l - t i m ep r o c e s s i n g i na d d i t i o n , t h e u p p e rc o m p u t e rs o f t w a r ei sd e v e l o p e dt or e a l i z et h ei n t e g r a t e dc o n t r o lo fl a s e ri m a g e e n g r a v i n g , w h i c hf u l f i l l si m a g ef i l e sp r o c e s s i n gf u n c t i o n ss u c ha sb m pf i l er e a d i n g , i m a g ep r o c e s s i n ga n da u t o m a t i cg e n e r a t i n go fm a c h i n i n gc o d e s g o o dp e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na c h i e v e di nt h e p r a c t i c a ll a s e rc u t t i n ga n de n g r a v i n gp r o c e s s i n g g o o df e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e p r o p o s e dd e s i g nh a v eb e e np r o v e di nt h ee x p e r i m e n t t h el a s e ra r tc u r i n ga n d e n g r a v i n ge q u i p m e n t 谢m t h ec o n t r o ls y s t e mh a sb r i g h tm a r k e t p r o s p e c t k e y w o r d s ：l a s e rp r o c e s s i n g , e m b e d d e dn c ，w i n d o w sc e ，m o t i o nc o n t r o l ，l a s e rp o w e r r e g u l a t i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技大学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 确的说明并表示谢意。 签名：銮鱼日期：劲f 。年6 月孕e t 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：奎迤 一 导师签名： 日期：_ 阳年移月砂e l 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 自从1 9 6 0 年美国科学家梅曼发明了世界上第一台激光器以来，随着需求的日 益增长和相关研究的不断深入，激光技术得到了快速的发展，并且已广泛应用于 各个领域，获得了越来越显著的社会和经济效益【1 1 。激光加工具有高效率、高质量、 高柔性以及易实现自动化等优越特性，是激光技术最有发展前途的应用领域之一。 激光加工技术主要包括激光切割、激光雕刻、激光打标、激光钻孔、激光焊接、 激光蚀刻等技术，其中激光切割和激光雕刻应用最广。 很多国家对激光加工技术高度重视，并纷纷将其列入国家级发展计划，使各 国的激光加工产业有了迅速的发展，尤其是美国、英国、德国、日本等发达国家， 它们的激光加工产业已相当成熟。这些国家掌握了最先进的激光加工技术，是工 业激光器和激光加工设备的主要产地，并且在航天、航空、生物医学、汽车制造、 半导体等领域完成了传统加工工艺的更新换代。 我国1 9 6 1 年8 月就研制出了自己的激光器，但激光加工产业在9 0 年代中期 才起步，不过经这十几年的发展，已颇具规模，并且基本占领了国内中低端市场【2 】。 虽然我国激光加工技术取得了一定的发展，但与发达国家相比，总体来说还存在 较大差距。我国自主生产的激光加工设备在可靠性、稳定性、智能化等方面的技 术相对落后，主要还是以中低端设备为主，这就使得利润较低，销售额大约只占 全球销售额的2 t 引。国内企业缺乏自主创新、研发高性能产品的能力，且很多产 品的研发过于依赖国外先进技术，制约了我国激光加工产业的发展。目前，国内 的高端激光加工设备主要还是从发达国家进口，成本较高。因此，我国激光加工 产业仍属于朝阳产业，还存在很大的发展空间。 在今后几年里，随着国家有利政策的落实和激光加工技术水平的提高，我国 激光加工产业必定会有较大的发展，激光加工设备存在巨大的市场需求。预计在 未来三年内我国激光加工产业平均成长率应该不低于2 0 ，在今后五年内激光加 工设备市场需求将超过6 0 0 亿元【4 l 。为提高我国激光加工行业的竞争力，并缩小与 发达国家之间的技术差距，我们应该加大具有自主知识产权的高性能激光加工设 备的研发投入。 电子科技大学硕士学位论文 本论文就是在上述背景下，为基于嵌入式数控的激光切雕控制系统研究与开 发提出的，并获得了成都市某公司委托的“基于嵌入式数控的激光切雕美术加工 设备 研发项目的支持。 1 2 激光切雕系统概述 1 2 1 切雕技术的发展 传统的手工切雕以刀斧凿为工具，是- - ! 7 具有很高技术性的手工技术，在广 告、装饰、艺术品的加工等行业有着悠久的历史。手工切雕的产品质量取决于手 工师傅的技术水平，而且生产周期长、成本高，难于适应工业生产的需要。随着 市场需求的不断扩大以及机械技术、自动化技术、控制技术等技术的迅速发展， 切雕加工向自动化发展成为必然。目前市场上出现了大量比较成熟的自动切雕系 统。切雕系统的出现为切雕技术在工业领域的广泛应用奠定了扎实的基础。 切雕系统主要有两种：一种是采用传统的切削刀具进行加工的机械切雕系统； 另一种是采用激光进行切雕加工的激光切雕系统。激光切雕系统具有优越的加工 性能，相对于机械切雕系统来讲具有很大的优势。它的发展，使切雕技术发生了 新的飞跃。 激光切雕具有如下优点【5 】：a ) 加工模式先进。激光切雕为无接触式加工，对 非激光照射区域几乎无影响，对加工材料无直接冲击和机械变形，可以完成机械 切雕无法或很难实现的加工工艺。而且，加工材料无须固定，对材料的平整度要 求也不高。b ) 加工成本低廉。激光切雕耗损低，可以节省大量的加工材料，而且 无刀具磨损，从而减少了加工成本。另外，激光切雕设备的维护成本较低，一定 程度上降低了加工费用。c ) 加工效率高。激光切雕的加工速度可以达到机械切雕 的几十倍甚至上百倍，从而大大提高了加工的效率。d ) 加工精度高、质量好。激 光束通过聚焦镜聚焦，可在工件表面形成具有极高能量密度的微小光斑，从而实 现高精密切雕加工，而由于激光能量密度高，可快速完成加工，从而降低了工件 热变形，使材料加工边缘光滑，提高了加工质量。e ) 加工材料广泛。激光切雕无 需考虑加工材料的硬度，任何硬度的材料都可进行加工。主要适用的加工材料有 陶瓷、有机玻璃、皮革、布匹、橡胶、大理石、木制品、纸品、水晶玻璃、金属 等材料。 2 第一章绪论 1 2 2 激光切雕系统研究现状 经过5 0 年来不断的研究和发展，激光器的种类越来越多，主要有固体激光器 ( 如y a g 激光器) 、气体激光器( 如c 0 2 激光器) 、准分子激光器( 如k r f 激光器) 以及液体激光器( 如若丹明6 g 激光器) 等 6 1 。它们的应用和相关技术的发展，拓 宽了激光加工技术的应用领域。从目前全球激光加工技术的发展现状来看，y a g 激光器主要用于金属材料的加工，c o z 激光器在非金属材料加工中具有优势，而准 分子激光器适合高精密nq - 7 1 。 目前市场上的激光切雕数控系统主要有基于p c 和单片机、基于p c 和运动控 制卡、基于d s p 以及基于a r m 等控制方式【8 。1 1 】。前两种控制方式充分利用了p c 提供的强大功能，降低了开发的技术难度，但同时也使系统的可靠性和稳定性依 赖于p c ，实时性不强，且不能实现脱机操作。另外，p c 和运动控制卡成本较高， 降低了系统的整体性价比。随着嵌入式技术的快速发展，人们开始使用d s p 或 a r m 作为主控芯片来开发高性能激光加工设备，如文献 1 2 采用d s p 加f p g a 的 控制方案，兼顾了性能和成本，研究并开发出高性能激光加工控制系统。 插补和速度控制是系统控制软件的核心。国内对于插补算法的研究大多针对 直线插补和圆弧插补，对于n u r b s ( 非均匀有理b 样条曲线) 插补的应用研究还 较少。目前只有在f a n u c l 5 m b 、t o sn u c 8 8 8 以及s i m e n s 少数几款国外高档 系统中才应用了n u r b s 插补功斛1 3 】。对于速度控制，还没有寻找到最适合高速 激光切雕系统的加减速控制方法。文献【1 4 】比较了指数曲线和s 曲线加减速控制方 法，但没有给出适合高速激光切雕系统的控制方法。近年来，国内在插补算法和 加减速控制研究上获得了一定成就，如文献 1 5 】提出了一种基于n u r b s 插补的s 曲线加减速控制方法，应用在高速激光切割机上，提高了加工精度和加工效率。 国内外大多数激光切雕系统的激光器只有开通和关闭两种状态。因此，进行 激光图形加工时，激光器输出能量不能动态补偿，导致加工的光洁度受速度变化 影响：对于激光图像雕刻加工，系统只能雕刻二值图像，雕刻出的图像层次感不 强【i6 1 。近年来，为提高激光图形加工光洁度和实现多等级灰度图像激光加工的研 究不断深入，取得了一定成果。文献【1 7 】阐述了激光器输出能量的速度补偿方法， 并将激光能量补偿与速度控制进行结合，提高了激光图形切雕加工的光洁度。文 献 1 8 】采用了一种新的多级半色调算法对输入图像进行处理，通过增加激光加工点 的方法，在视觉上实现了多等级灰度图像激光加工。文献 1 9 】设计了可调节的工作 电路来控制激光器输出功率，实现了8 等级灰度图像雕刻。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 3 未来发展趋势 激光切雕系统既得到了激光加工技术、数控技术、嵌入式技术等的有力支持， 又受到了社会经济迅速发展要求的牵引，正保持着强劲的发展势头。其未来发展 趋势主要有【2 瞰l 】：a ) 高精度、高可靠性。加工精度和可靠性是衡量系统性能的两 个重要指标。激光器和微处理器的迅速发展促进了激光加工系统向高精度和高可 靠性方向的发展。大规模集成电路的应用，使系统硬件集成度越来越高，不仅降 低了功耗，也提高了系统的可靠性。b ) 多功能、智能化。为满足日益增长的加工 需求，需要将激光切割、激光雕刻、激光打标等加工技术组合在一起，研制多功 能加工系统。将y a g 激光器、c 0 2 激光器和准分子激光器集成在一台系统中，可 以实现不同材料的加工。激光加工的智能化是大势所趋。随着专家系统的建立， 加工参数将实现自动优化，用户操作也将越来越简单，系统也将实现实时监测和 反馈处理。c ) 高效率、高节能。加工效率的提高不仅可以减少加工时间，还能减 少能源和材料的消耗，从而节约加工成本。当今社会越来越注重节能环保，因此， 提高加工效率和激光器电能利用率是激光加工系统发展的必然方向。m 小型化、 实时性。嵌入式技术在数控行业的应用，开辟了一个新的发展领域。嵌入式微处 理器的应用缩小了控制系统的体积，而采用嵌入式实时操作系统，可以提高激光 加工系统的实时性，改善加工质量。 1 3 嵌入式数控系统的特点 嵌入式数控系统是嵌入式技术与数控技术相结合的产物。它兼具嵌入式系统 和数控系统的特点，是数控系统的一个重要发展趋势。相比目前应用较广的基于 p c 和运动控制卡的数控系统，嵌入式数控系统性价比、集成度、可扩展性、实时 性和稳定性更高，更能满足产品多样化和数控加工网络化的需求【2 2 1 。 嵌入式数控系统具有以下显著特点【2 3 彩】：a ) 集成化。目前，嵌入式微处理器 的品种越来越多，片上资源也越来越丰富。针对不同的应用场合，所需的硬件资 源各不相同，可以基于一种片上集成资源合适的嵌入式微处理器来进行数控系统 的硬件设计。这种设计方案使系统体积更小，集成度更高，资源利用更充分。b ) 实 时性。数控系统为实现多任务工作，并进行高速度、高精度加工，对实时性的要 求越来越高。为适应实时控制的需求，可在嵌入式硬件平台上应用嵌入式实时操 作系统。这种数控系统可根据实时性的要求来划分任务模块，通过多任务管理和 4 第一章绪论 中断响应，提高了多任务处理能力，从而使系统的实时性更强。c ) 高柔性。嵌入 式数控系统具有开放式的体系结构，其软硬件资源允许裁剪，可针对数控加工需 要和用户需求进行灵活的功能定制，并且拥有良好的软硬件接口，方便用户进行 功能扩展。因此，嵌入式数控系统具有更好的柔性，满足了开放式数控系统的要 求。d ) 网络化。嵌入式技术与通信技术、网络技术结合日益密切，使得嵌入式数 控系统不但具有强大的通信功能，还拥有各种网络服务功能( 如支持互联网，实 现网络共享、远程监控和维护等) ，实现了数控加工网络化。 随着嵌入式微处理性能的不断提高和嵌入式操作系统的深入应用，嵌入式数 控系统将更加受到人们的重视。它具有广阔的发展前景，在不久的将来必能成为 数控领域的主流。 1 4 研究内容和意义 本论文的主要任务是激光切雕控制系统的研究与开发。首先，研究了激光切 雕加工中四种关键控制方法。为使步进电机的加减速过程快速且平稳，在s 曲线 加减速控制方法基础上进行了改进，并提出了采用分段直线拟合改进型s 曲线的 方法；为使进给脉冲分布更均匀，并提高插补计算的效率，对数字积分法直线插 补算法进行了改进；为提高图形切雕加工的光洁度和支持2 5 6 级灰度图像雕刻加 工，分别研究了图形切雕和图像雕刻中激光功率控制算法；图像扫描路径的优劣 对加工效率和激光器的使用寿命有着很大影响，因此，研究了图像输出控制算法， 应用高效的扫描路径来输出p l t 轨迹文件和像素数据文件。 然后，根据控制系统性能需求，设计了系统的总体方案，并完成系统硬件设 计和软件开发工作。在硬件方面，采用了a r m 9 和f p g a 相结合的硬件架构，完 成f p g a 功能模块电路、接口板电路、激光功率调节电路和控制键盘电路的设计； 在软件方面，选用了w i n d o w sc e 嵌入式实时操作系统作为软件平台，完成操作系 统移植、激光切雕控制程序多线程实现、f p g a 程序开发以及上位机程序开发，实 现了本文提出的控制算法。 最后，对开发的控制系统进行性能测试，并进行实际的激光图形切割和激光 图像雕刻加工。 本论文将激光技术、嵌入式技术、传统的数控技术等进行了有效结合，并研 究了提高激光切雕加工效率和加工质量的方法，开发出基于嵌入式数控的激光切 雕控制系统。本文的研究开发成果将进一步深化嵌入式数控技术在激光切雕的应 电子科技大学硕士学位论文 用，对促进国内激光切雕加工行业的水平具有一定的理论意义和实用价值。 本论文内容安排如下： 第一章在查阅了大量国内外文献的基础上，分析了激光加工行业背景、国内 外研究现状以及发展趋势，然后介绍了本论文的研究内容和意义。 第二章研究了激光切雕加工中需实现的关键控制方法，这是本论文研究工作 的重点之一。针对步进电机的运动控制，提出了改进型s 曲线加减速控制方法和 改进型直线插补算法。结合激光切雕加工的特点，提出了激光功率控制方法。此 外，研究了用于激光图像雕刻加工的图像输出控制方法。 第三章针对控制系统的性能需求，设计了系统的总体方案，并选择了嵌入式 硬软件平台。 第四章对控制系统硬件的总体设计进行了介绍，并着重介绍了f p g a 功能模 块电路、接口板电路、激光功率调节电路和控制键盘电路的设计。 第五章介绍了激光切雕数控系统的软件开发。数控系统软件开发是本论文的 另一个工作重点，也是课题需要完成的主要任务，包括w i n c e n e t5 0 内核定制 与移植、w i n c e n e t 平台下激光切雕控制程序开发、f p g a 程序开发以及上位机 图像文件处理和加工监控程序开发。 第六章对控制系统性能进行了测试，并在激光切雕数控系统样机上进行了实 际加工，分别给出了激光图形切割和图像雕刻加工实例。 第七章对全文的研究工作进行了总结与展望。 6 第二章激光切雕加工关键技术研究 第二章激光切雕加工关键技术研究 研究最优的激光切雕加工控制方法，对提高激光切雕的加工效率和加工质量 具有十分重要的意义。本章首先介绍了激光切雕系统的构成及控制原理，引出了 激光切雕加工中需实现的关键控制方法。然后针对步进电机的运动控制，在比较 了常用速度控制和轨迹控制方法后，阐述了在激光切雕加工中相应的改进方法。 最后结合激光加工的特点，提出了激光功率控制和图像输出控制方法。 2 1 激光切雕系统构成及控制原理 2 1 1 激光切雕系统的构成 如图2 1 所示，激光切雕数控系统主要由上位机( p c ) 、底层控制器、进给系 统、激光器、光学装置以及工作平台等部分组成。 进；旨1 嚣w f 1 丌冒期i f 啦博 底 讲给系统娩一翎 豳 上 加工文件 层 搭 。业t i f 工作 位 控光学i置豳7 5 璎i 机 加工信息 制 平台 器 激光控制激光束冒 翻托o t “恤? 协 激光器 出船也# w 螂磁疆 1 萄，了 图激光切雕数控系统基本结构 上位机负责图形图像的编辑和处理，然后根据设计好的图形或图像计算出对 应的加工路径和激光控制数据，最后生成加工代码文件，并通过接口或总线传输 给底层控制器。上位机还可对底层控制器进行实时监控。底层控制器是激光切雕 系统最重要的组成部分。它负责处理上位机传输来的加工代码文件，通过一系列 算法计算出步进电机和激光器的控制指令，并发送控制信号给电机驱动器和激光 器。激光器要求稳定、可靠，可根据激光控制信号对输出功率进行调节。光学装 置由聚焦系统和导光系统组成。导光系统将激光器输出的激光束引导到激光头， 经聚焦后形成具有极高能量密度的微小光斑，作用于工件表面。进给系统由步进 电机和传动机构组成。进给系统带动光学装置移动，从而使激光聚焦点按照加工 7 电子科技大学硕+ 学位论文 轨迹的要求相对工件运动。激光切雕大多采用工件固定，激光束运动( 即飞行光 路) 的加工方式。此外，在激光切雕系统中还有一些辅助工艺，需要一些辅助设 备，如采用水泵提供玲却水来稳定激光管的温度，利用吹气系统为激光头提供阻 燃气体以及通过废气吸附系统来降低废气对光学装置的污染等。 2 12 激光切雕控制原理 本论文研究的激光切雕系统主要针对非金属材料的激光切割和激光雕刻加 工，冈此，选用c 0 2 激光器。c 0 2 激光器的能量转化效率较高，是一种比较理想 的气体激光器。它采用电激励方式，使密封在激光管内的混合气体( c 0 2 、氯气和 氦气) 处于激发状态，从而产生激光。图2 - 2 为二维激光切雕数控平台，一组 成光学装置。激光束经过反射和聚焦后作用于工件表面，其传导的路径如图所示。 “7 。 ，? 7 嘎义 池。砻蔷谨拦洫。舀鼬 澈光器电源，和 均为电极；激光管；反射镜1 ；反射镜2 ；反射镜3 ； 聚焦镜； 工件：工作平台；x 轴方向步进电机。( 注：y 轴方向步进电机术标出) 图2 - 2 二维激光切雕数控平台 当激光照射在工件表面上某点后，材料吸收激光能量会在该点形成一个具有 一定深度和直径的焦斑。焦斑的深度和直径取决于激光束的功率及其在该点的移 动速度。激光雕刻是利用激光柬在材料表面上灼烧出一系列反映矢量图形轮廓或 扶度图像像素的焦斑。若檄光束具有较大的功率，且在该点的移动速度足够熳( 即 相对停留的时间足够长) ，则在材料表面上会产生一个很深的焦斑，甚至材料可能 被灼烧穿。激光束灼烧穿材料，形成反映矢量图形的切缝，这就实现了激光切割。 激光管、反射镜l 和工件固定不动。通过控制x 轴和y 轴方向步迸电机，使 反射镜2 、反射镜3 和聚焦镜移动。采用这种飞行光路的方式，实现了激光聚焦点 在x y 平面上的运动。激光聚焦点应根据设计的轨迹，并匕上按一定规律变化的速 第二章激光切雕加工关键技术研究 度在工件表面上运动，这就需进行二维运动控制，包括速度控制和轨迹控制。通 过控制激光器电源，可以调节激光器输出功率，从而影响焦斑的属性。激光束功 率的调节是提高图形切雕加工的光洁度和实现多等级灰度图像雕刻的重要途径。 对于激光图像雕刻，图像扫描路径的优劣对加工效率和激光器的使用寿命有着很 大影响，需合理地进行图像输出控制。 2 2 速度控制算法研究 该系统采用两个步进电机分别作为光学装置在x 轴方向和y 轴方向移动的控 制电机。步进电机是一种将进给脉冲信号转化为相应角位移的特种电机。每发出 一个进给脉冲信号，电机驱动器就会根据进给方向信号驱动步进电机，使步进电 机定子绕组按相应顺序通电断电一次，从而使电机转子转过一个固定的角度，即 步距角。步进电机就是以步距角为单位角位移一步一步运行的。在没有失步的情 况下，步进电机的角位移量只与进给方向信号和进给脉冲的脉冲数有关，而步进 电机的转速只与进给脉冲信号的频率有关。它们均不受负载变化的影响。 激光聚焦点在工件表面的移动是通过控制光学装置在x y 平面上的移动来实 现。而光学装置的移动是由x 轴和y 轴步进电机经过传动机构控制的。因此，进 给方向信号和进给脉冲的脉冲个数决定了激光聚焦点移动的直线位移量，进给脉 冲信号的频率决定了激光聚焦点的进给速度，即加工速度。对加工速度进行控制， 只需控制进给脉冲信号的频率即可。 假设数控机床在x 轴或y 轴方向上的脉冲当量为p ( 单位是毫h i 脉冲) ，发 给某方向步进电机的进给脉冲信号频率为厂( 单位是脉冲秒) ，那么在这个方向上 的速度( 单位是毫米秒) 为 ，= p 厂( 2 - 1 ) 2 2 1 步进电机失步分析 进行速度控制，必须避免步进电机出现失步。失步是这样一种现象，即步进 电机实际运行的步数小于或大于进给脉冲的脉冲数。失步可分为丢步和越步。若 步进电机实际运行的步数小于进给脉冲的脉冲数，这种现象称为丢步，反之则称 为越步。失步会降低数控系统的可靠性和加工精度。 步进电机出现失步的主要原因以及避免的措施有 2 6 - 2 8 】：幻当电机的运行频率 接近其固有频率时，将引起共振，导致丢步。这种情况可通过选取固有频率很高 9 电子科技大学硕士学位论文 的步进电机或直接在电机上附加阻尼材料等方法解决。b ) 步进电机启动时，由于 电机具有较大的自保持转矩，若启动频率较高，电机转子获得的磁阻转矩不足以 克服自保持转矩，电机无法启动而出现丢步。因此，电机的启动频率应设为一个 较小的值，使转子获得足够的磁阻转矩，启动后再逐渐提高脉冲频率。c ) 步进电 机停止时，若停止前的运行频率较高，由于电机和负载存在惯性，电机转子获得 的反向磁阻转矩不能使其立即停止，从而出现越步。因此，步进电机停止时，应 先将运行频率逐渐降低至启动频率以下，再停止输入进给脉冲。d ) 当进给脉冲信 号的频率突然加快时，定子磁场旋转速度加快，转子获得的磁阻转矩可能无法使 转子跟随定子磁场同步旋转，导致丢步。为了防止出现这种情况，应选择合理的 升速过程，避免速度突然升高。c ) 当进给脉冲信号的频率突然降低时，定子磁场 旋转速度降低，转子获得的正向磁阻转矩的时间变长。转子获得过多能量，可能 出现越步。为了避免这种情况，应选择合理的降速过程，避免速度突然降低。f ) 当 进给脉冲信号的频率逐渐升高时，根据步进电机的矩频特性，电机电磁转矩会随 之下降。脉冲频率存在一个临界值，使得转子刚好无法跟随定子磁场同步旋转， 导致丢步。因此，进给脉冲的频率应在这个临界值之下进行调节。 2 2 2s 曲线加减速控制方法的改进 步进电机的加减速过程是为了防止步迸电机因速度突变而导致失步。然而， 为了满足系统的快速性需求，步进电机应在尽可能短的时间内完成加减速过程。 因此，选择一种合理的加减速控制方法非常必要。 常用的步进电机加减速控制方法主要有以下4 种：直线加减速、指数曲线加 减速、直线加抛物线加减速和s 曲线加减速。 采用直线加减速控制方法的加减速过程是线性变化的，计算简单，响应也较 快，但在加减速过程的起点和终点，速度过渡不够平滑【2 9 】。高速时，电机容易产 生失步，故不适用于高速场合。采用指数曲线加减速控制方法的加减速过程按指 数曲线变化，符合步进电机的转矩频率特性，加减速快速而平稳，但当速度变化 较大时，平衡性较差，在加速过程的起点和减速过程的终点，存在加速度突变， 容易出现失步【3 0 】。直线加抛物线加减速控制方法在直线加减速的基础上做了改进， 在直线加速过程之后和直线减速过程之前分别按抛物线加减速变化，实现平滑过 渡。但当速度变化较大时，和指数曲线加减速一样，在加速过程的起点和减速过 程的终点，存在加速度突变。s 曲线加减速控制方法对加减速过程进行了分段处理， 1 0 第二章激光切雕加工关键技术研究 使各段加速度的导数为一个常数，通过选择合理的加速度导数来避免加速度突变。 其快速性好，并且整个过程实现了速度平滑过渡。这种方法适合对加减速过程要 求高的高速激光切雕数控系统【3 1 1 。 传统的s 曲线加减速控制方法将加减速过程分为7 个阶段，即加加速、匀加 速、减加速、匀速、加减速、匀减速和减减速阶段，分段情况较多，程序实现起 来较为复杂。因此，应用了一种改进型s 曲线加减速控制方法，去除了匀加速和 匀减速两个阶段，将传统的s 曲线加减速过程简化为5 个阶段，如图2 - 3 ( a ) 所示。 这样程序实现起来简单，并且高速运行时无失步，仍然满足步进电机平稳加减速 的要求。 加i 减 加7 加 速：速 7i i i 皤 正it 2 i 3l _ 兀i 5 li i l i 一- a iiii i i iii i iiii 、 如im厂i i i illyi ( a ) l 2 s ( b ) l 2 疋 图2 3 改进型s 曲线加减速过程 图2 - 3 ( a ) 中，v o 为系统启动速度，疋为各个阶段持续的时间( k = l ，2 ，5 ) ，t k 为各个阶段过渡点时刻( k = l ，2 ，5 ) ，为用户设定的最大加工速度，为用 户设定的最大加- l - a n 速度。 除了匀速段以外各阶段的加加速度，的绝对值相等，令加加速度l ，的表达式为 ( f ) = 以f 【0 】 - lf 融，乞】 0 t t 2 ，岛】 ( 2 - 2 ) 一以t t 3 ，t 4 】 吒t 【，f 5 】 假设经过减速后，加工速度回落至启动速度屹。为了满足速度平滑过渡，加 咔邓 电子科技大学硕士学位论文 速过程和减速过程的始末加速度都必须为零，那么可知加速过程和减速过程对称， 且五= 互= 互= 互= 五，t t = 乃，t 2 = 2 t s ，t 3 = 2 t s + 乃，气= 3 t s + 五，t 5 = 嵋+ 互。 根据加工速度y 对加工加速度a 的积分关系，容易得出 乃= 鳖羔 ( 2 3 ) 由于a s e t = 六五，可得 五：堕( 2 4 ) 一 因此，只要根据最大加工速度和最大加工加速度这两个用户参数，就可 以确定加速曲线和减速曲线。经过推导，加工加速度a 、加工速度，、激光聚焦点 的直线位移量s 的表达式依次为 v ( f ) = s ( t ) - - - 口( f ) = l tf o ，】 l ( 2 r s - t )f 【，t 2 】 0 f 心，t 3 】 ( 2 - 5 ) 一以o 一2 五一乃) t e t 3 ，t 4 】 以( 4 霉+ 互一f ) f 【，毛】 v o + 匕一以五2 + 2 j 。t s r 一丢以t 2 v o 3 了； + 以乃2 一圭以。一2 r , 一毛) 2 v o + 圭以( 4 r s + 互卅2 f 【o ，】 t t l ，t 2 】 t t 2 ，t 3 】 ( 2 6 ) t t 3 ，t 4 】 t t 4 ，岛】 r o t + 扣3 t 阳】 心f + 三以弓3 一j a t s 2 t + 吒五f 2 一三也f 3 f t t ，t e l 吖一z 五，+ 五z f u f k t d ( 2 - 7 ) 以互t 2 + i j t s 3 + 吉以互3 + ( 匕一以菇2 弦一吉以f 3 f k ，】 詈无五3 + 磊2 互州一1 j , ( 4 t s + 互一妒 f m 】 1 2 第二章激光切雕加工关键技术研究 假设加工速度能够达到设定的最大速度v 。，那么加速过程( 或减速过程) 持 续时间为疋= 2 五。由公式( 2 7 ) 可以算出加速过程( 或减速过程) 的长度为 1 ，2 1 ，2 疋= 2 吃五+ 以五3 = 二曼丘上( 2 - 8 ) u 蝌 如果整个过程的总长度为三，那么匀速段的长度为疋= 三一2 足。 当l 2 s 时，加工速度v 无法达到，加工加速度口也达不到，整个控制 过程没有匀速段，乏= 毛。这种情况的速度与加速度曲线如图2 - 3 0 , ) 所示。此时， 加速过程和减速过程的长度均为l 2 ，即= 2 v j ；+ 以石3 = l 2 ，那么 墨：匿震一 ， 2 2 3 改进型s 曲线的离散处理 在应用改进型s 曲线加减速控制方法时，需要进行离散化处理，计算出每个 进给脉冲对应的频率，从而求出各脉冲间的间隔时间，便于f p g a 进行时序控制。 如果严格按照s 曲线进行离散处理，运算量太大，影响处理器的工作效率。实际 应用中，采用分段直线来拟合逼近改进型s 曲线的加速段和减速段，从而在满足 系统平稳加减速要求的同时，减小处理器的运算量。 图2 - 4 加速段离散后脉冲频率示意图 加速段离