（机械电子工程专业论文）激光切割机开放式数控系统的研究.pdf

摘要 激光是上世纪最重要的发明之一。在过去的2 0 年里，它在工业 领域内的应用不断增长并取得了很大的成功。尤其在制造业，这里集 中了工业领域中绝大多数的激光切割机。激光切割是激光加工应用领 域的一部分，是当前世界上先进的切割工艺。由于它具备很多优点， 在工业生产中解决了许多常规方法无法解决的难题。激光能切割大多 数金属材料和非金属材料。但激光切割机仍然相对昂贵。近年来，对 于经济型激光切割机的市场需求的增长引起了人们的关注。 本文针对发展新型激光切割机的需求，分析了激光切割控制的特 殊性，构建了基于工业p c 机，以d m c 多轴运动控制卡为核心的激 光加工数控系统的开放式的体系结构，给出了关键环节的实现技术。 并在此基础上开发了数控系统的软件部分。 基于w i n d o w s 的数控软件部分充分利用了丰富的软件资源，利 用面向对象的编程方法实现了良好的人机操作界面和方便高效的多 任务工作环境。为进一步开发奠定了基础。 此外还开发了将国际标准n c 代码转换为d m c 指令的模块，以 及基于a u t o c a d 的图形自动编程模块，极大地提高了系统的工作效 率和实用价值。 这种新型数控系统具有可靠性高、开放性能好、功能强和成本低 等显著特点，具有广阔的应用前景。 关键词：激光切割机工业p c 机d m c 开放式数控系统 a b s t r a c t l a s e ri so n eo ft h em o s t i m p o r t a n ti n v e n t i o n so fl a s tc e n t u r y i t su s a g e i ni n d u s t r yh a sg r o w n s t e a d i l ya n d w i t h g r e a ts u c c e s sf o rt h el a s t2 0y e a r s e s p e c i a l l yi nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yw h e r et h em a j o r i t yo ft h el a r g e i n d u s t r i a ll a s e r sf o rc u t t i n ga r ef o u n d b e i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n t a p p l i c a t i o n s o fl a s e ri n i n d u s t r y , l a s e rc u t t i n gi s ak i n do fa d v a n c e d c u t t i n gt e c h n o l o g yi nt h ew o r l d b e c a u s eo f i t sa d v a n t a g e ，i tr e s o l v e dal o t o f p r o b l e m si ni n d u s t r y i tc a np r o c e s sm o s tm e t a l sa n dn o n m e t a l se a s i l v b u tl a s e rc u t t i n gm a c h i n ei s c o m p a r a t i v e l yp r e c i o u s i ti sn o t i c e a b l et h a t i nt h el a s tf e wy e a r st h el a s e r c u t t i n gm a r k e th a se x p e r i e n c e dal a r g e g r o w t hi nt h ed e m a n d o fm o r es m a l ls e i z e de c o n o m i c a l l a s e r s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fn e wt y p el a s e rc u t t i n gm a c h i n e ，t h i s a r t i c l e a n a l y s e s t h e p a r t i c u l a r i t y o fl a s e r c u t t i n g c o n t r o la n dt h e n i m p l e m e n t s a n o p e n c n cs y s t e mw h i c hi sb a s e do ni n d u s t r i a l p c b e s i d e st h ed m cm o t i o nc o n t r o lc a r dw h i c hi st h ec o r eo f t h eo p e nl a s e r c u t t i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h i sa r t i c l ea l s op r e s e n t st h et e c h n i q u e so fs e v e r a l m a i np a r t s b a s e do na b o v eh a r d w a r e s y s t e m ，t h e s o f t w a r e p a r t i s d e v e l o p e d t h es o f t w a r ep a r ti sb a s e do nw i n d o w so p e r a t i o n s y s t e m a n di t m a k e sg o o du s eo ft h ea b u n d a n tr e s o u r c eo fw i n d o w s w i t ht 1 1 eu t i l i z i n g o fo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d ，af r i e n d l yh u m a nm a c h i n ei n t e r - f a c ea n da l l e f f i c i e n tm u l t i t h r e a d i n gw o r k i n ge n v i r o n m e n ti sf u l f i l l e d t h i sw o r ks e t s u p f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h i na d d i t i o n ，t h i sa r t i c l ei sp r o v i d e dw i t ht w od a t ac o n v e r s i o nm o d u l e s o n ec a nc o n v e r ti n t e m a t i o n a ls t a n d a r dn cc o d ei n t od m cc o m m a n d t h eo t h e ri sa na u t o m a t i cn c g r a p h i cp r o g r a m m i n gs y s t e mb a s e do n a u t o c a d p l a t f o r m a l lt h e s em o d u l e si m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y a n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n w o r t h i n e s so f t h e s y s t e m t o h i g h e r e x t e n t t h i sn e wt y p eo fs y s t e mi sm o r er e l i a b l e ，m o r e p o w e r f u l ，m o r e o p e n i n g a n dm o r ee c o n o m i c a l s oi ti sc a nb ew i d e l yu s e di nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：l a s e r c u t t i n g m a c h i n ei n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e r d m c o p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘堂或其他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。 学位论文作者签名：参宏砖签字日期：2 。q ，年1 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：办宏审 导师签名：j 闪i 签字日期：舻o q 年 月日 签字日期：2 0 叫年月2 f 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，也是激光加工中应用 最早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工业的7 0 以上。激光切割与其 他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时还 具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂 直度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点。可切割碳钢、不锈 钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。激光 切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方 法，能大大缩短生产周期和降低成本【1 1 。因此，目前激光切割已广泛地应用于汽 车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门 中。 近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以1 5 一2 0 的速度增长。 我国自1 9 8 5 年以来，更以每年2 5 以上的速度增长。当然，由于我国激光工业 基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比 仍有较大差距。相信随着激光加工技术的不断进步，这些障碍和不足会逐步得 到解决，激光切割技术必将成为2 0 世纪不可缺少的主流的钣金加工手段。 以日本为例，目前拥有c 0 2 激光加工机的数量约占全球激光加工机总量的1 3 ，其中8 0 为激光切割设备。而我国至今却只有几百套激光切割机在使用中。 因此，在我国，激光切割技术的推广和应用潜力很大。随着我国国民经济的飞 速发展，许多传统产业需要改造，许多钣金加工领域有待开发，许多工业城市 也需要建立激光加工中心。 除了通用的c 0 2 激光切割机之外，还需要高速、高精度的数控激光切割机、 切割厚板的大型数控激光切割机、三维立体数控激光切割机及激光切割机器人 等各种切割机和切割自动化装置。 激光切割系统主要由机床主机、激光器、控制系统三大主要部分组成。控 制系统是整个系统的控制中枢，负责协调整个系统的正常工作，主要完成加工 轨迹控制、焦点位置控制和机、光、电一体的协调控制。 数控激光切割机的研制属于机电一体化范畴，它的研制使生产系统具有友 好的人机界面，方便而易学的编程方式，以及精确的切割轨迹控制的功能，适 第一章绪论 合与工业现场的使用，极大地提高了生产率。 1 2 激光切割技术发展现状趋势及特点 1 2 1 激光切割机国内发展概况 自从第一台红宝石激光器于1 9 6 0 年问世以来，激光技术已被广泛应用到各 行各业，走进了干家万户，渗入我们的f 1 常生活。诸如激光打印、c d 唱盘与光 盘、v c d 与d v d 视盘、光纤通信、激光测距、激光扫描条码。在工业上，激 光被用于四大加工领域：切割、焊接、标记与热处理。 和半导体工业一样，中国的工业激光起步并不比西方国家晚。但由于基础 工业的薄弱和投资力度的不足，使商品化的激光切割机研究远远落后于发达国 家。目前最大的制造厂家是上海雷鸥激光设备厂( 上海嘉定) ，每年可生产3 0 台2 5 k w 的横流式c 0 2 激光器，供焊接与表面热处理使用，也可少量生产1 o 一1 5 k w 轴流式c 0 2 激光器供切割用，南京东方激光公司引进德国技术，每年可生产1 0 台1 5 、2 。0 k w 封闭式轴流式c 0 2 激光器。此外，长春光机所和上海光机所也生 产少量工业激光器。 我国北京机床研究所、核工业部济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究 院近年也相继推出了国产的数控激光切割机。沈阳机床股份有限公司引进意大 利普瑞玛公司数控激光切割机制造技术合资生产，推出了自己的激光器。 目前我国拥有的整台套的激光切割加工系统不足千台，而且分布在全国近 2 0 0 家的激光加工部门中其中9 0 为c 0 2 激光器。 国产数控激光切割机的主要持点是，价格较低，约是进口价格的三分之一； 激光器功率较低，一般为1 5 k w 以下。与国外机相比表现为切缝宽，表面质量、 机械精度、整机的稳定性、柔性较差。但由于价格方面的优势，在国内市场上 也逐渐打开了销路。近几年，我国的汽车、纺织机械、等制造业中一些实力较 雄厚的企业引进了不少激光切割机，以满足小批量、多品种金屑薄板的加工需 要，但由于进口机价格昂贵，大多数企业都只能望“机”兴叹。因此，继续深 入开发和发展国产化的较高质量的数控激光切割机，以较低的价格推向市场， 是一项很重要的工作瞄j 。 1 2 2 激光切割机发展趋势 ( 1 ) 高速、高精度激光切割机 第一章绪论 由于大功率激光器光束模式的改善及3 2 位微机的应用，为激光切割设备的 高速、高精度创造了有利条件。目前国际先进水平的激光切割机的切割速度己 达到2 0 m m i n 以上，两轴快速运动可达2 5 0 m m i n ，加速度最大为1 0 9 ，定位 精度达o 0 l m m 5 0 0 r a m 。 ( 2 ) 厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机 如上所述，随着可用于激光切割激光器功率的增大，激光切割正从轻工业 薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展。6 k w 大功率激光器，能切割低 碳钢板最大厚度达3 2 m m 的大尺寸工件。由于厚板激光切割技术的不断改进， 目前已经尝试使用3 k w 的激光器切割通常需要用6 k w 激光器才能切割的3 2 m m 厚的低碳钢板，并已用于试生产。此外，激光切割机的加工尺寸范围也在不断 扩大，目前生产最大激光切割机的机宽可达5 4 m ，长达6 m 。这都说明了厚板、 大尺寸激光切割技术正在逐渐提高。 ( 3 ) 三维立体多轴数控激光切割机 为了满足汽车、航空等工业的立体工件切割的需要，目前已发展了各种各 样的5 轴或6 轴三维激光切割机，其最大加工工件尺寸可达3 6 0 0 r a m 3 6 0 0 r a m 6 0 0 m m ，数控轴数达到9 轴，加工速度快，精度高，在6 m 2 范围内加工误差 仅在0 1 r r l m 之内。在先进国家的汽车生产线上，激光切割机器人的应用愈来愈 多。目前，三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展， 其应用范围将会愈来愈大。 ( 4 ) 激光切割单元自动化和无人化 为了提高生产率和节省劳动力，目前激光切割正向着激光切割单元( f m c ) 和无人化、自动化方向发展。发展这种单元自动化系统，必须依赖于先进的自 动控制、网络控制技术及计算机生产辅助管理系统技术等。国外已有各种各样 的激光切害i 单元可供应市场，并有由6 台大型激光切割机为核心组成的无人化 的切割生产线在工厂运行。 ( 5 ) 紧凑型和组合一体化数控激光切割机 随着激光器体积的缩小和功率的增大，以及辅助装置的不断完善，出现了 把激光器、电源、主机、控制系统和冷却水循环装置等紧密地组合在起，形 成占地面积小、功能完善的整套紧凑型激光切割机。此外，激光切割技术正与 激光焊接，激光表面淬火等激光加工工艺组合，以发展一机多用，进步提高 设备的利用率。【6 1 第一章绪论 1 3 数控技术的发展 科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来 越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。 它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善 工人的劳动条件。许多生产企业( 例如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂) 大 量采用了组合机床和专用自动生产线和数控机床。 数控机床就是将加工过程所需的各种操作和步骤，以及刀具与工件之间的 相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质将数字信息送入专用的或 通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机 床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。数控机床与 其他自动机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更 换刀具之外，只需要更换软件包或更改控制程序不需要对机床作过多的调整。 1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从 此，传统机床产生了质的变化。数控机床是综合了数控技术、微电子技术、自 动检测技术等先进技术，当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机 床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。现代制造技术是 多技术紧密结合的技术族，其中数控技术是实现包括f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m 柔性制造系统) 和c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 计算 机集成制造系统) 在内的最终目标的基础它的发展和运用丌创了制造业的新时 代。现代n c 技术是工业化发展的必然，信息技术为现代n c 技术提供了强大的 后盾。 信息化是工业革命后的又一次产业革命，p c 机、后p c 时代的技术、通信 和微电子技术的新产品和新工艺有力地推动着n c 技术的发展。p c 机具有丰富 的软硬件资源，用户利用工业p c 来开发控制系统时，不仅可以保证控制系统的 质量而且可以缩短开发周期。 1 4 国内外数控技术的现状 随着计算机技术的飞速发展，各种不同层次的开放式数控系统应运而生， 发展很快。目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。就结构形式而言，当今 世界上的数控系统大致可分为4 种类型： ( 1 ) 传统数控系统如f a n u c o 系统、m i t s u b i s hm 5 0 系统、s i e m e n s 4 第一章绪论 8 1 0 系统等。这是一种专门的开发工具( 如s i e m e n s 的w s 8 0 0 a ) 耗费较多的人 力，而对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目前，这类 系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展， 传统数控系统的时常f 在受到挑战，己逐渐缩小。 ( 2 ) “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统如f a n u c l8 i 、1 6 i 系统、 s i e m e n s 8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b 9 3 6 0 等数控系统。这是由于一些数控 系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件 资源而开发的产品。然而，尽管它也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍 然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此，用户无法介入数控系 统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。 ( 3 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统它由开放体系结构运动控制 卡+ p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动 控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函 数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。因而这种开放 结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。如美国d e l t at a u 公 司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用 三菱电机的m e l d a s m a g i c 6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0c n c 等。 ( 4 ) s o f t 型丌放式数控系统这是一种最新开放体系结构的数控系统。它 为用户提供最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部 分仅是计算机与伺服驱动和外部i 0 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以 安装各种品牌的声卡、c d r o m 和相应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w s n t 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高 性能数控系统，与前几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有高的性能 价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国 p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a s 0 0 0 n t 等。 1 5 开放式数控系统 1 5 1 开放式数控系统及其基本特征 i e e e 关于开放式系统的定义是：能够在不同厂商的多种平台上运行，可以 和其他系统的应用程序互操作，并且能够给用户提供一致性的人机交互方式。 根据这一定义，开放式数控系统应具有以下基本特征： 第一章绪论 ( 1 ) 可互操作性通过提供标准化接口通讯和交互机制，使不同功能模块 能以标准的应用程序接口运行于系统平台上，并获得平等的相互操作能力，协 调工作。 ( 2 ) 可移植性系统功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互 模型、控制机理使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一 致的设备接口，使各功能模块能运行于不同的供应商提供的硬件平台上。 ( 3 ) 可伸缩性c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，即可以 增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 ( 4 ) 可互换性构成系统各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的 控制，可根据其功能、可靠性以及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协 调。传统的数控系统是不开放的，如f a n u c ，s i e m e n s ，a b b 等公司生产的 数控系统一般都是封闭的。这使第三方生产商无法开发相关的应用，数控系统 中无法应用最新的计算机软硬件技术。而对系统功能的许多扩展或改变都必须 求助于系统供应商。 1 5 2 基于工业p c 机的开放数控系统的提出 通用计算机的快速发展，为数控系统的开放奠定了技术基础，使数控技术 从传统的封闭模式走出来，融入主流计算机中，并随主流计算机技术的迅速进 步而快速发展。p c 作为c n c 系统核心，形成了开放式数控系统，使开放式数 控系统具有了强大的生命力。 采用p c 作为c n c 系统核心，其优越性表现在： ( 1 ) 由于p c 机兼容性好，可以采用最新的计算软硬件技术以替代落后的 p c ，用作c n c 系统的核心。 ( 2 ) 可以极大地减少数控系统开发费用，采用丌放性策略，只需设计相应 的接口模块就可以了。w i n d o w s 操作系统平台提供了极强的功能和许多强有力 的应用程序开发工具，如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等，利用这些开发工具，可 以迅速高效地开发出功能强大的c n c 系统软件，大大地降低软件开发费用和缩 短开发周期。 ( 3 ) 利于加强c n c 系统的性能。以往由于计算速度的限带i ，许多数控功 能由硬件来实现，现在这些功能已经能用软件来实现，这一方面可以增强系统 升级能力，另一方面有些不能实现的功能现在可阻用软件方法来实现了。 ( 4 ) 可以大大提高c n c 系统的可扩展性、可维护性和易用性。 第一章绪论 工业p c 机进入数控系统可以使用p c 机丰富的软件资源，方便地设计出非 常友好的人机界面，可以应用p c 机的最新软硬件发展成果。可以使用不同厂家 生产的不同部件，缩短开发周期，充分体现了可移植性和互换性。 基于工业p c 的数控激光切割机数控系统，充分利用了现有工业个人计算机 的硬、软件资源，是一种总线式、模块化、开放化的柔性数控系统，具有较高 的性能价格比。 所以以工业p c 机为平台来丌发数控系统，已经成为大多数国家c n c 同行 的共识。当前，开发基于工业p c 机的实用的数控系统仍有不少技术问题需要解 决。 1 6 课题的提出及其内容和意义 本课题的主要内容有： ( i ) 采用“n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统完成对激光器的控制任务， 并以d m c 多轴运动控制器为核心，对数控系统结构进行了分析。 ( 2 ) 开发了将国际标准的g 数控代码转换为d m c 运动控制器指令代码的 模块，方便了用户使用，减少了培训的过程。 ( 3 ) 数控自动编程软件是提高加工质量和效率的一个重要手段。本课题开 发了基于a u t o c a d 的图形自动编程软件模块，极大提高整个数控系统的实用性。 ( 4 ) 编写了用户界面，通过这个界面可以完成文件管理、程序输入、工件 加工、对系统状态监控等任务。 1 7 结束语 激光器、机床和基于工控机的数控系统融为一体的光机电体化数控激光 切割设备具有诸多优点，因而在工业应用中具有很强的适应性。 第三章开放式激光切割机总体设计及实现 第二章开放式激光切割机总体设计及实现 2 1 激光切割原理和激光器 2 1 1 激光切割的工作机理 激光切割的工作机理如图2 1 所示。它是利用从激光发生器发射出的激光 束，经外光路系统，聚焦成具有高功率密度的激光束照射工件，激光能量被工 件材料吸收。工件温度急剧上升。到达沸点后，材料开始汽化并形成孔洞。随 着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成割缝。切割时的工艺参数( 切割 速度、激光器功率、气体压力等) 及运动轨迹均由数控系统控制。割缝处的熔渣 被一定压力的辅助气体吹除。 图2 - 1 激光切割杌理 2 1 2 激光输出功率与切削速度的调整 辅助气体入口 割嘴 金属融化层 切割速度较低时、激光切割同氧一火焰切割一样，以氧化反应热为主。而 在切割速度较高时，利用光束轴线至切i s l 前沿距离的自动调节和激光束一部分 加热作用，使切口前沿达到2 0 0 0 。c 以上并维持切割过程。激光功率对切割厚度、 切割速度、切割宽度和质量等都有很大的影响。一般来说，激光功率大，所能 第三章开放式激光切割机总体设计及实现 切割的板厚增大，切割速度也快。随着功率的增加，切口宽度随之略有加大。 通常，激光功率可根据加工板厚和对切割速度的要求按下述方法估算。激光照 射功率乃( w ) 的表达式为： b = 岛u d 公式( 2 - 1 ) 式中：玩一激光照射能量密度( j c m 2 ) ； e 卜一切割速度( c m s ) ； 卜激光束聚焦后光斑直径( c m ) ； 据此式求出n 后，再计算激光束传送中的能量损失，即可得出所需的激光器 功率值3 】【9 【1 4 。 激光功率越大、所能切割的材料厚度也越厚，但相同功率的激光，因材料 不同，所能切割的厚度也不同。下表为各种功率的c 0 2 激光切割某些余属材料 的实用最大厚度。 激光照射功率密度和照射能量密度增大，切割能力和切剖面质量也提高。 激光照射功率密度和能量密度都与光斑直径相关，光斑直径越小，照射功率密 度和能量密度越大。 焦点位置和焦点深度对切割面的质量和切割速度也有一定影响。切割较厚 钢板时，应采用焦点深度较大的光束，以获得垂直度较好的切割面。但焦点深 度大，光斑直径也增大，照射功率密度随之减小，故切割速度降低。如保持一 定切割速度，就要增大激光功率。 表i - i不同材料的实用切割厚度 总之、在激光功率一定的条件下，存在一个合适的切割速度范围、对每种 板厚还有一个最佳的切割速度值。 第三章开放式激光切割机总体设计及实现 2 1 3 激光器的选用和连接 自从1 9 6 2 年由美国光谱物理( s p e c t r ap h y s i c s ) 公司推出第一台商品激光器 h e n e 激光器以来，各种激光器相继问世。而且不断改进，其功率和效率 都有显著的提高，应用范围也不段扩大。 在当今实用的激光器中，唯一能够连续输出大功率的是c 0 2 激光器，其效 率离达1 0 以上。在金属和非金属材料的激光加工中需要大的激光功率，故c 0 2 激光器深受欢迎，成为切割系统用激光器的主流。我们采用的也是这种激光器。 此外，最常使用的固体激光器y a g 激光器也能够连续震荡，但很难得 到大的输出功率，且效率只有3 - 4 ，故需要功率大的输入电源。 激光器采用“b c d f o b ”接口与控制系统相连接。“b c d ”是“b i n a r y c o d e d d e c i m a l ”的缩写，即b c d 码，是与激光器进行通信用的数据格式。“f o b ”是 “f a u l to u t p u tb o a r d ”的缩写，是用来反馈各种错误信号和附加模拟信号的。 “b c d f o b ”接口需要2 个4 7 针安费诺( a m p h e n 0 1 ) 型接头p j 。 2 2 数控激光切割机的构成 i 激羔毒l 墨竺薹兰、反射镜i 激光器 ：二_ ：二 “ 。r r f j + 上l ，。，+ 电源 工作气体 ：f 透镜 辅? c ? _ 聚_ ? i ：；i 萋 。 上j 一一 置 i l 一j ； 、_ 1 _ = 作机床 图2 - 2 激光加工系统示意图 1 0 第三章开放式激光切割机总体设计及实现 数控激光切割车几由激光切割机主机、c 0 2 激光器、水冷机、外光路系统、数 控系统及自动编程软件等组成( 图2 2 ) 。其中激光器及外光路系统是数控激光 切割机关键配套部件，其性能指标将直接影响激光切割板材的切割质量，而激 光切割机主机则是实现激光进行优质切割的载体。所以，对数控激光切割机主 机的丌发设计显得尤为重要。 此外，还有冷水机组、气体( 包括激光工作气体和切割、焊接用辅助气体) 供应( 包括净化) 站以及计算机辅助设计及编程等配套设备。 数控激光切割机主机由机床底座、工作台、横梁、z 轴随动机构、切割头、 运动机构、气阀控制系统、数控系统等部分组成( 图2 3 ) 。高性能的切割机床 具有较高的动态特性，可以充分体现激光切割的优越性。目前，国际上先进的 数控激光切割机采用直线电机驱动，机床的高速定位速度已达到2 5 4 m m i n 切 割l m m 厚钢板击l o m n a 的孔每分钟可达到5 4 0 个，精度o 1 0 m m 。采用滚珠丝杠 或齿轮齿条驱动的机床定位速度也达到了8 5 m r a i n 以上。数控激光切割机要达 到这样高的性能，必须对每一个部件进行优化设计。 数控系统 图2 - 3 数控激光切割机主机 激光切割机对z 轴随动系统的要求非常高，在切割中需随时检测和控制切 割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杠调整切割头的高度，以保证激光聚 焦后的焦点在切割板材的表面位置。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽 窄及质量，因此，要求z 轴的检测精度高于0 。0 i o m m ；同时，随动速度应大于 面亘 第三章开放式激光切割机总体设计及实现 5 m r a i n 。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又会造成切割头跟不上的 现象。目前，对3 n t 板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种 方式。电感式和电阻式属于接触式传感器；激光、红外及电容式属于非接触式 传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和 高速切割加工。而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用 于一些特殊场合的切割加工( 强磁场、强干扰环境) 。所以在选择传感器时，应 注意检测精度和对切割材料的适应性，同时，安装时还需要注意采取抗干扰措 施。 2 _ 3 基于p c 机的开放式激光切割机数控系统分析和构造 2 3 i 基于p c 机的数控系统的引入 目前的数控系统结构，无论是专用系统还是基于p c 机，受计算机性能和操 作系统的限制，都采用软硬件结合的体系结构。与开放式控制系统相对应的专 用封闭控制系统目前还占据着相当大的一部分市场，包括f a n u c 、s i e m e n s 的各种数控装置。传统的数控系统大多采用封闭、专用的体系结构，具有某种 专用的功能。这些控制系统的硬件结构和控制软件为满足实时性要求很高的插 补运算、位置控制，或者采用专用的硬件实现，或者采用多c p u 分别对其服务。 这种类型的数控系统虽然具有结构简单、成本低等特点，但随着数控技术的发 展，正暴露出越来越多的弊端。而软件的丌发也由于一直沿用传统的面向过程 数据的开发方法，使得数控软件的可读性、可维护性和可重用性没有得到根本 的改观。 随着近年来计算机技术的发展，p c 机和模块化的集成电路逐渐进入数控领 域，p c 以其特有的开放性成为开放式控制系统的基础。同时，也吸引了大量的 技术人员投入开发，从而使系统硬件的可重构性和可重用性有了很大的改观， 丰富了数控系统的硬、软件资源，有利于实现总线式、模块化、开放化的数控 系统，大大提高了系统整体的性价比。 基于工业p c 的数控系统得益于p c 机获得了一定程度的开放性，系统建立 在通用的操作系统之上，位置控制和插补运算则通过硬件插板完成。利用流行 的操作系统平台作支撑，标淮的应用开发环境，具有较好的互操作性、移植性、 互换性和伸缩性，展现了良好的开放性能，同时又具有方便、灵活的特点。 充分利用p c 机强大的w i n d o w s 图形用户界面，良好的软硬件兼容能力和 第三章开放式激光切割机总体设计及实现 w i n d o w s 的多线程机制、多媒体定时器来解决数控软件的实时多任务处理能力， 实现建立在标准总线基础上的模块化开放式数控系统。 开放式数控系统可采用分层的体系结构，如附图2 - 4 所示。各层之间实现隔 离，层与层之间通过标准的接口进行通讯，实现了开放式控制系统应有的分层 体系结构，使数控软件易于组装、扩充和维护。 第一层次为管理层。它是系统的界面部分，可完成系统的管理、显示、诊 断和监控。通过响应状态选择控件产生的不同消息来进行不同界面之间的切换， 其调用操作由操作系统管理完成。 第二层次为功能单元层。它是系统的控制部分，包括代码生成、译码、插 补运算和运动控制程序等，i o 处理和数据采集等，是相对独立的功能单元。它 们之间通过在软件中建立的多个数据缓冲器来进行相互之间大量的数据交换。 译码可将数控指令解释成为数控系统的内部数据格式，插补运算完成数据插补 产生加工数据、速度处理和辅助功能设备控制。运动控制程序完成位置伺服的 控制。i o 信号处理模块接收各种按键的输入，转化为程序变量或系统消息以供 操作。数据采集模块负责采集各运动轴信息和m d 信号，用于实现数据实时显 示、实时控制等功能。 第三层次为支撑层，包括运动控制卡、运动控制器的设备驱动程序、i o 卡、操作系统和p c 机。 管理层 控制层 支撑层 显示、诊断、监控 3 代码生成、译码、 i插补运算、运动控制 ： l 运动控制卡、输入输出卡 i 设备驱动程序、操作系统 i工控机 i 图2 4 开放式数控系统结构图 第三章开放式激光切割机总体设计及实现 2 3 。2 数控系统主要部件的选用 在支撑层中，采用台湾研华的p c a 6 1 5 5 v 型工控机，该机具有很高的性能 价格比，部分参数如下： c p u ；i n t e lp e n t i u r n i i i ； b i o s ：a w a r d1 2 8 k b ： l 2 c a c h e ：5 1 2 k b ，s r a m ： m e m o r y ：1 2 8 m b ，s d r a m ； v g a ：s i s 5 5 9 8 ： 运动控制卡采用d m c 运动控制卡。 2 4d m c 多轴运动控制器介绍 2 ，4 1 运动控制器的出现 运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现 预定运动轨迹目标的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离不开运动 控制。 采用d m c 运动控制卡完成多轴运动控制的任务，它具有特有的灵活性和优 异的运动轨迹控制能力。运动控制技术是在以数字信号处理器d s p 为代表的高 性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件f p g a 的基础上发展而来的，它是 广义上的数控装置。数控技术的发展趋势就是采用运动控制器的开放式的数控 系统。随着自动化技术的进一步发展，运动控制器( 步进、交流、直流) 的应 用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如电子 机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。主要数控技术的发展趋势 就是采用“p c + 运动控制器”的开放式数控系统，不仅具有信息处理能力强、开 放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了 现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。美国将其称为新代的工 业控制器，日本称其将带来第三次工业革命，并预测其应用将和现在的p l c 一 样普遍。 2 4 2 运动控制器与运动控制技术的特点 与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点： 第三章开放式激光切割机总体设计及实现 ( 1 ) 技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动车九迹的控制，是传统 数控装置的换代产品； ( 2 ) 结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同 功能需求的控制系统； ( 3 ) 操作简单，在p c 机上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要 专门的数控软件。 实现开放性、互换性、可移植性和扩展性是运动控制技术的主要研究内容。 具有如下特征： ( 1 ) 能方便地与机床、机器人等被控设备联接； ( 2 ) 一个运动控制器从硬件上可以实现一到多个坐标轴的位置、速度和 轨迹伺服控制，从软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制功能； ( 3 ) 迅速、便捷地建立高层应用程序与机床、机器人等设备的控制、测 试及数据交换，开发使用简单； ( 4 )由于它采用开放化的技术，具有维护、扩展、升级方便的特点。 以运动控制器作为独立的标准部件可以明显缩短新产品的研制开发周期， 有利于使用者创造自己的品牌产品。目i ； i ，由于以d s p 为代表的高速高性能专 用微处理器的出现和p c 机的广泛普及，开放式运动控制器的发展趋势是以d s p 芯片作运动控制处理器，以p c 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌 入p c 机，即p c + 运动控制器”的模式。这样将p c 机的信息处理能力和开放式 的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能 力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。采用运动控制器的 数控系统将成为新一代数控技术发展潮流，运动控制器将成为未来数控系统的 核心。 2 4 3d m c 运动控制器 目前，国内外生产厂家推出了多种基于p c 机的运动控制器。较早进入中国 市场且有很大影响的当属p m a c ( p r o g r a r n m a b l em u l t i p l e a x i sc o n t r o l l e r ) 。介绍用 p a m a c 构造开放式数控系统的文章也较多。p a m a c 确实是性能优异的多轴运 动控制器，这也是其受到广大研发人员青睐的根本原因。然而，随着更多新型 控制器进入市场，研发人员将面临更多的选择。 d m c ( d i g i t a lm o t i o nc o n t r o l l e r ) 是美国g a l i l 公司的产品。和其他运动 控制相比，d m c 有其显著的特点。d m c 产品种类繁多，价格相对便宜且使用 第三章开放式激光切割机总体设计及实现 相当简单。这些明显的优势再加上其所具有与其他运动控制器同样的优异特性， 其在开放式数控系统的应用会愈加普及。 d m c 产品秘类繁多。从与计算机联系方式分，有i s a ，p c i ，v m e 、p c 1 0 4 各 种总线板级插卡产品。另外还有多种结构紧凑的独立操作型( 脱机运行) 运动 控制器产品。按控制轴数分，有l 轴，2 轴，3 轴，4 轴，8 轴运动控制器。每 种控制器可按需要控制伺服电机，步进电机或无刷电机。 为应用工程师提供了许多运动控制方式，如定位、j o g 、直线圆弧插补、 仿型示教、电子齿轮、龙门同步驱动、电子凸轮、螺旋线、正切跟随等功能。 双位置反馈接口功能可以消除机械换向间隙及滚珠丝杆离散误差。除回零、限 位、急停、高速锁存( 0 1 t ls ) 事件触发接口之外，还为用户提供通用数字i o 及高分辨率( 1 2 1 6 位) 模拟输入接口。d m c 数字运动控制器同时提供与伺服、 步进及液压马达的接口，用户可以进行任意组合使用，实现控制系统最佳配嚣。 多任务功能可以同时执行8 个应用程序；控制器本身具有应用程序、参数、变 量、阵列元素存储功能，即使脱离主机控制器亦能f 常运行。 d m c 产品的价格相对便宜。由于该控制器没有把所有功能全部集中于个 控制器中，用户根据自己的需求在众多产品中选择使用d m c 产品，因而其价格 也相应降低。尤其是4 轴级以下的控制器价格有明显优势。 使用简