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浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 激光切割是激光加工行业中一项重要的应用技术，也是激光加工中应用最多 的加工方式。目前激光切割已经被广泛地应用于各种机械制造加工行业。开放式 数控系统是数控系统未来的发展趋势。全软件型数控系统是最新的开放式数控系 统，提供了一种高度开放的体系结构，是当前数控领域的研究热点之一。 本文开发全软件型激光切割机数控系统，实现对激光切割主机工作台的两轴 联动控制和激光电源系统控制，本文的主要内容如下： 第一章阐述激光切割机和数控技术在国内外的发展概况，阐述本文的研究目 标和意义，提出本文的研究内容和研究方法。 第二章介绍基于“a r m + c p l d ”结构的全软件型数控系统的硬件设计方案， 阐述这种结构的特点及优点，根据硬件设计方案，建立硬件系统。 第三章介绍数控系统控制软件的开发工具c 语言和c _ j f | 语言的运行平台一 一n e t 平台，并对数控系统控制软件进行分析与设计，构建控制软件的相应模 块。 第四章介绍数控系统控制软件程序编制模块的实现方法，设计一种激光切割 专用数控代码，研究c a d 图形文件导入算法和激光切割路径规划算法。 第五章介绍数控系统控制软件运动控制模块的实现方法，阐述数据采样插补 算法的原理，提出优化的数据采样插补法，研究数控系统的中断控制算法，并进 行运动控制实验，验证运动控制的准确性和重复性。 第六章对全文进行总结，对后续工作进行展望。 关键词：激光切割，全软件型数控系统，c j f j ，路径规划，插补算法 浙江人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e rc u t t i n gi sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h em o s tw i d e l yu s e d p r o c e s s i n gm e t h o di nl a s e rp r o c e s s i n gi n d u s t r y c u r r e n t l yl a s e rc u t t i n gh a sb e e n w i d e l yu s e di na l lk i n d so fm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n dp r o c e s s i n gi n d u s t r i e s t h e o p e nc n cs y s t e mi st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fc n cs y s t e m t h et o t a ls o f t w a r ec n c s y s t e mw h i c hi s t h el a t e s to p e nc n cs y s t e mp r o v i d e sah i 曲d e g r e eo fo p e n a r c h i t e c t u r e a n di tb e c o m e so n eo ft h eh o t t e s tr e s e a r c hs u b j e c t s t h et o t a ls o f t w a r ec n cs y s t e mo fl a s e r - c u t t i n gm a c h i n eh a sb e e nd e v e l o p e di n t h i sp a p e r , w h i c hc a ni m p l e m e n tt w o a x i sc o n t r o lo fl a s e r - c u t t i n gm a c h i n ea n dl a s e r m o n i t o r i n g t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r ： t h ef i r s tc h a p t e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fl a s e r - c u r i n gm a c h i n ea n dc n c t e c h o n o l o g y a th o m ea n da b r o a d ，e x p l a i n sr e s e a r c h o b j e c t i v e sa n dr e s e a r c h s i g n i f i c a n c e ，p r o p o s e sr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s e a r c hm e t h o d s t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ed e s i g n i n go ft o t a ls o f t w a r ec n c s y s t e mb a s e do na r ma n dc p l ds t r u c t u r e ，d i s s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a d v a n t a g e so ft h i ss t r u c t u r e ，e s t a b l i s h e sah a r d w a r es y s t e ma c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r e d e s i g n i n g t h et h i r d c h a p t e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n tt o o l scs h a r pl a n g u a g eo ft h e c o n t r o ls o f t w a r eo fc n cs y s t e ma n d n e tr u n t i m ep l a t f o r mo fcs h a r pl a n g u a g e ， a n a l y s i s e st h ec o n t r o ls o f t w a r e ，a n ds e t su pi t sm o d u l e s t h ef o r t hc h a p t e rd e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o no fp r o g r a m m i n gm o d u l eo f c o n t r o l s o f t w a r e ，d e s i g n sas p e c i a ln cc o d ef o rl a s e r - c u t t i n g ，a n ds t u d i e sf i l e c o n v e r t i o na l g o r i t h m so fc a df i l e sa n d p a t ho p t i m a la l g o r i t h m so fl a s e r - c u t t i n g t h ef i f t hc h a p t e rd e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o no fm o t i o nc o n t r o lm o d u l eo f c o n t r o ls o f t w a r e ，d i s c u s s e st h et h e o r yo fs a m p l e dd a t ai n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ， p r o p o s e so p t i m a ls a m p l e dd a t ai n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，d i s c u s s e st h ei n t e r r u p tc o n t r o l a l g o r i t h m ，m a k e se x p e r i m e n ta b o u tm o t i o nc o n t r o lt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h e i l l 浙江大学硕上学位论文a b s t r a c t m o t i o nc o n t r 0 1 t h el a s tc h a p t e rs u m m a r i z e st h i sp a p e ra n dp r o s p e c t e st h ef o l l o w i n gr e s e a r c h k e yw o r d s ：l a s e rc u t t i n g , t o t a ls o f e w a r ec n cs y s t e m ，cs h a r p ，p a t hp l a n n i n g , i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。 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，也不包含为获得逝鎏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谢意。 学位论文作者签名：鹰斫匕增沙 签字日期： 沙，口年少月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑鎏盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名： 勘缈聊虢肋谚 签字目期： 少，j 年；月 日 签字日期：年月日 浙江人学硕上学位论文致谢 致谢 在论文完成之际，谨此向每一位教导过我的老师，帮助过我的同学致以最诚挚的感谢! 衷心感谢我的导师陈章位教授。陈老师渊博的专业知识、丰富的工程经验和严谨的科 研态度让我留下了深刻的印象，并且在我的科研工作中产生了深远的影响。陈老师不仅在 研究上为我提供了良好的环境和悉心的指导，在生活上特别是职业规划上也给了我很多帮 助和宝贵意见。在此，我谨向陈老师深深的谢意和最诚挚的祝福。 这两年多的研究生学习期间，实验室的各位同学包括黄靖、王学孔、陈世泽、陈家焱、 姚英豪、刘娟容等在学习和生活上都给予了我很大的帮助和支持，在此感谢这些同学陪伴 我度过了这两年多的美好时光。 最后，衷心感谢我的父母多年来在我的求学道路中给予的支持和鼓励。 李妮妮 2 0 0 9 年1 2 月于杭州 浙江大学硕上学位论文 绪论 1 绪论 1 1 引言 激光加工过程是激光与材料相互作用的过程，是非接触、无磨损、无噪声( 或 噪声很小) 、无切屑( 或去除材料时产生极少量废屑) 的，基本上对环境不造成 污染。激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展已经逐步发 展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能 源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产 率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等有很大帮助【1 1 。 激光切割是激光加工行业中一项重要的应用技术，也是激光加工中应用最多 的加工方式，占整个激光加工业7 0 以上【2 1 。激光切割- 9 其他切割方法相比，其 显著优势是精度高、切缝窄、切割面光滑、切割速度快、切割质量好、不损伤工 件、柔性好、无需额外的模具、仿形切割能力强。激光切割可切割碳钢，不锈钢、 合金钢、木材、塑料、橡胶、布，石英，陶瓷、玻璃、复合材料等【3 1 。目前激光 切割已经被广泛地应用于机床、工程机械、电气开关制造、电梯制造、特种汽车、 石油机械、航空航天、家用电器制造、大电机硅钢片等各种机械制造加工行业。 1 2 激光切割机发展现状及趋势 1 2 1 国内发展现状 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，比如：激光打印、c d 唱盘与光盘、光纤通信、激光测距和激光扫描条 形码等。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【4 1 。 2 0 世纪8 0 年代中期，机械工业部济南铸造锻压机械研究所成功研制了国内 第一台数控激光切割机，实现了我国在激光切割领域零的突破。进入2 0 世纪9 0 年代后期，随着企业体制的多样化、技术来源的多元化，我国数控激光切割机进 入了快速发展的阶段，我国生产数控激光切割机的企业已经形成了一个梯队，包 括济南铸造锻压机械研究所、济南铸锻所捷迈机械有限公司、江苏金方圆数控机 浙江大学硕士学位论文绪论 床有限公司、上海团结普瑞玛激光设备有限公司、江苏扬力集团、深圳市大族激 光科技股份有限公司、上海) 中剪机床厂等。 目前我国拥有的整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 为二氧化碳激光器。 国产激光切割机数控系统大多是引进f a g o r 、f a n u c 等外国通用数控系 统。这些系统虽然性能稳定，但是没有与切割工艺相关的专用功能，使用极为不 便。而美国e d g e 切割机数控系统价格较高且使用不便，难以被国产激光切割 设备所采用。近年来北京机床研究所、济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究 院相继推出了国产的数控激光切割机。 国产数控激光切割机的主要特点是，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。与国外切割机相比切缝宽，表面质量、机 械精度、整机的稳定性、柔性较差【5 1 。 1 2 2 国外发展现状 上世纪8 0 年代以来，国际上不少国家都把激光技术列入国家发展计划。例 如美国的“激光核聚变计划”、德国的“激光2 0 0 0 ”、英国的“阿维系计划”、日 本的“激光研究五年计划”等。这些计划的实施，使激光加工技术得到迅速发展， 并形成具有勃勃生机的新兴高技术产业。 国际上目前激光切割数控系统大多使用3 2 位微处理器，控制精度较高，运 算速度快，并且嵌入操作系统，操作界面简易美观。比如：瑞士百超公司最新开 发了b y v i s i o n 数控系统，具有高度集中的用户界面，使用简便。在1 5 英寸触摸 屏上提供了控制器的全部功能，同时，还集成了手动操作装置【6 1 ；意大利普瑞玛 公司r a p i d o 型三维激光切割机配置便携式控制器，用户界面精美，配置手动 转柄【7 1 。 随着i n t e m e t 的飞速发展，网络应用越来越广泛，人们对各种工业控制设备 的网络功能要求也越来越高。网络技术在激光切割领域也得到广泛地应用。激光 切割机数控系统一般都配置以太网模块，可实现远程监控和远程数据传输，数据 传送速度较快。 浙江大学硕上学位论文 绪论 1 2 3 激光切割机的发展趋势 经过几十年的发展，激光切割机在切割技术和数控系统两方面取得了长足的 进步。随着更多的新技术的发展和新工艺的提升，为了应对新的市场需求，激光 切割机正在向以下几方面发展【8 】： ( 1 ) 高速、高精度激光切割机 大功率激光器光束模式的改善及3 2 位微处理器的推广，为激光切割设备的 高速、高精度创造了有利条件。 ( 2 ) 厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机 随着可用于激光切割的激光器的功率增大，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。 ( 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 的五轴或六轴三维激光切割机，数控轴数达到九轴，加工速度快，精度高。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【9 1 。 ( 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，目前激光切割机正向着激光切割单元无人 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辅助管理系统技术等。 ( 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一起，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以及热处理等各道工序后的质量反馈集成 在一起，充分发挥激光加工的整体优势，向多功能的激光加工中心发展，进一步 提高设备的利用率【l o 】。 1 3 数控技术的发展现状 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，这是集传统 浙江大学硕士学位论文绪论 的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术，网络通信技术和 光机电技术等于一体的现代制造业的基础技术【1 1 】。 自从1 9 5 2 年美国第l 台数控铣床问世至今已经历了5 0 多个年头。数控技术 在5 0 多年里经历了2 个阶段和6 代的发展。 第1 阶段：硬件数控( n c ) 。包括3 代发展阶段，第1 代：1 9 5 2 年的电子 管；第2 代：1 9 5 9 年晶体管分离元件；第3 代：1 9 6 5 年的小规模集成电路。 第2 阶段：软件数控( c n c ) 。包括3 代发展阶段，第4 代：1 9 7 0 年的小型 计算机；第5 代：1 9 7 4 年的微处理器；第6 代：1 9 9 0 年基于个人p c 机( p c b a s e o ) 【1 2 】 o 随着科学技术不断发展，数控技术的发展越来越快，数控技术正朝着高性能、 高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展，其中最主要的趋势是开放式数控 系统。开放式数控系统属于开放式系统，具有开放式系统的基本特征。 1 3 1 开放式系统的定义及特征 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。开 放式数控系统具有以下基本特征： ( 1 ) 可互操作性。通过提供标准化接1 2 1 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t ：l ，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。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，也可以裁剪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 性。 开放式数控系统是数控系统未来的发展趋势。全软件型数控系统是最新的开 浙江人学硕士学位论文绪论 放式数控系统。 1 3 2 全软件型数控系统的特点 计算机技术的快速发展为数控系统的开放奠定了基础。数控技术融入计算机 技术，并随着计算机技术的迅速进步而快速发展。全软件型数控系统是一种最新 开放式数控系统。 n c 嵌入p c 构成的数控系统只是实现了有限的“开放”，还保留不少专用系 统的痕迹，开放性不足，开发环境和支持手段也不足。 p c 嵌入n c 构成的数控系统是目前较为常见的。这种系统的人机界面和非 实时控制部分的定制是开放的，但是其核心部分运动控制和伺服控制是由专用控 制芯片完成的，仍是封闭的，还没有达到完全开放。 全软件型数控系统是开放式数控系统的一个里程碑。这种系统支持运动控制 策略的用户自定义，其特点是控制软件全部装在计算机中，而硬件系统是计算机 与伺服驱动、外部i o 之间的标准化通用接口。用户可在特定平台上( 如w i n d o w s n t 、w i n d o w sc e ) 利用开放的内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高 性能数控系统。它为用户提供最大的选择和灵活性。 全软件型数控系统虽然提供了一种高度开放的体系结构，但需要考虑操作系 统的实时性、标准统一性和系统稳定性等一系列问题，是 - 3 前数控领域的研究热 点之一。 1 4 研究目的和意义 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。据统计2 0 0 6 年在全世界共 销售出输出功率在1 k w 以上的激光切割机约4 0 0 0 0 台左右，其中欧洲1 6 0 0 台、 亚洲约1 5 0 0 台、美国约9 0 0 台。当前，我国激光工业基础较差，激光加工技术 的应用尚不普遍，因此，在我国激光切割技术的推广和应用潜力很大。我国激光 切割机的关键技术如数控装置大多依靠国外引进，自行开发的数控系统多以单片 机为控制核心，运行速度较慢，开放性不足。本文以a r m 为控制核心，开发全 软件型激光切割机数控系统。a r m 在性能和功能上进行了多方面扩展，并且嵌 浙江大学硕士学位论文绪论 入操作系统，使应用开发速度增快。本文的研究内容对于发展和提高激光切割机 数控技术有一定的理论意义和应用价值。 1 5 课题的研究内容及研究方法 1 5 1 研究内容 本文开发全软件型激光切割机数控系统，实现对激光切割主机工作台的两轴 联动控制和激光电源系统控制。研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 数控系统硬件结构研究。 ( 2 ) 数控系统控制软件开发。数控系统控制软件主要包括激光器控制参数 设置与分析、c a d 图形文件的导入与转换、加工图形编译、数控代码编译和加 工路径规划等功能。 ( 3 ) 数控系统运动控制研究。激光切割机的运动控制是指工作台的两轴联 动控制，需要进行插补技术研究和实时控制研究。 1 5 2 研究方法 ( 1 ) 设计数控代码。数控系统常用的数控代码是g 代码和m 代码。然而这 些通用的数控代码无法满足激光切割的特有加工工艺要求，如激光控制、定时控 制等。本文设计一种新的数控代码，借鉴g 代码和m 代码的优点，增加激光切 割机数控系统所需的加工功能。 ( 2 ) 加工路径规划研究。加工路径规划包括加工路径的初步规划与优化。 加工路径初步规划是指根据加工轮廓绘制顺序确定加工顺序，加工轮廓之间以直 线连接过渡，确定激光的切入点等。加工路径优化问题可归结为旅行商问题。旅 行商问题的算法有很多，如最近邻算法、插入法、遗传算法和蚂蚁算法等，这些 算法都有其优点和缺点。针对激光加工的特点和现有算法的优缺点，对最近插入 法进行改进，提出新的路径优化算法。 ( 3 ) 插补算法研究。插补是数控系统一个极其重要的功能模块，其算法的 选择将直接影响系统的精度，速度及加工能力范围等。从插补计算输出的数值形 式来分，主要有脉冲增量插补和数据采样插补。脉冲增量插补算法比较简单，通 浙江大学硕七学位论文绪论 常仅需几次加法和移位操作就可完成，比较容易用硬件实现。数据采样插补算法 就是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定曲线。这些线段是按一定的时 间周期来进行分割。现代数控系统一般使用数据采样插补法。本文也采用数据采 样插补算法。 ( 4 ) d x f 图形文件格式转换。c a d 图形文件格式有很多种，其中d x f ( d r a w i n ge x c h a n g ef o r m a t ) 是一种绘图交换文件，是a u t o d e s k 公司开发的 用于a u t o c a d 与其它软件之间进行c a d 数据交换的c a d 数据文件格式， 是一种基于矢量的a s c i i 文本格式。本文对d x f 文件格式进行研究，实现 d x f 图形文件的导入与转换。 ( 5 ) 控制软件开发。数控系统控制软件运行平台是w i n d o w sc e5 0 。在 w i n d o w sc e 操作系统上应用程序常用开发工具有e v c ( e m b e d d e dv i s u a lc + + ) 和c 椒cs h a r p ) 。根据数控系统硬件平台基础和控制软件的功能需求，考虑到市 场开发、程序的兼容性及网络功能的扩展，采用c j f j 为主要编程工具，进行数控 系统控制软件的设计与开发。 1 6 小结 本章主要分析了激光切割机和数控技术在国内外的发展概况，阐述了本文的 研究目标和意义，在此基础上提出了研究内容和研究方法。 浙江大学硕士学位论文全软件型数控系统的硬件设计方案 2 全软件型数控系统的硬件设计方案 2 1 激光切割技术简介 2 1 1 激光切割原理 激光的单色性好，并且具有很小的发散角，在理论上可聚焦到尺寸与光波波 长相近的小斑点上，其焦点处的功率密度可达1 0 7w 锄2 1 0 w e m 2 ，温度可 高至上万摄氏度，因此，它是一种理想的切割热源。激光切割是基于激光的特性， 利用聚焦的高功率高密度激光束照射工件，激光束的能量以及切割过程所附加的 化学反应热功当量能全部被材料吸收，能量的高度集中能够迅速局部加热，由此 引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着 激光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被辅助气体吹除 1 3 1 - 【1 8 1 。激光切割装置示意图见图2 1 。 切割面 图2 1 激光切割装置示意图 2 1 2 激光切割的主要工艺参数 动方向 ( 1 ) 切割速度 对给定的激光功率密度和材料，切割速度符合一个经验公式，只要在阈值以 上，材料的切割速度与激光功率密度成正比，即增加功率密度可提高切割速度。 浙江大学硕士学位论文伞软件型数控系统的硬件设计方案 切割速度与被切材料的密度和厚度成反比。 当其他参数保持不变时，提高切割速度的因素是： 提高功率( 在一定范围内5 0 0 - - 2 0 0 0 w ) 改善光束模式( 如从高阶模到低阶模直到t e m o o ) 减小聚集光斑尺寸( 如采用短焦距透镜聚焦) 切割低起始蒸发能的材料( 如塑料、有机玻璃等) 切割低密度材料( 如白松木等) 切割薄型材料 ( 2 ) 焦点位置 由于激光功率密度对切割速度影响很大，透镜焦长的选择是个重要问题。激 光束聚焦后光斑大小与透镜焦长成正比，一般来说，激光束经短焦距透镜聚焦后 光斑尺寸很小，焦点处功率密度很高，对材料切割很有利；但它的不利之处是焦 深很短，调节余量小，一般比较适于高速切割薄型材料。长焦长透镜有较宽焦深， 只要具有足够的激光功率密度，就可用来切割厚工件。 在确定使用何种焦长的透镜以后，焦点与工件表面的相对位置对保证切割质 量尤为重要。由于焦点处功率密度最高，在大多数情况下，切割时焦点位置刚好 处在工件表面，或稍微在表面以下。在整个切割过程中，确保焦点与工件相对位 置恒定是获得稳定的切割质量的重要条件。当焦点处于最佳位置时，切缝最小， 效率最高，最佳切割速度可获得最佳切割结果。在大多数应用情况下，光束焦点 调整到刚处于喷嘴下。喷嘴与工件表面间距一般为1 5 r a m 左右。 ( 3 ) 辅助气体压力 一般情况下，材料切割都需要使用辅助气体。辅助气体的类型和压力对切割 质量有影响。 通常，辅助气体与激光束同轴喷出，保护透镜免受污染并吹走切割区底部熔 渣。对非金属材料和部分金属材料，使用压缩空气或惰性气体，清除熔化和蒸发 材料，同时抑制切割区过度燃烧。对于大多数金属激光切割则使用活性气体( 主 要是氧气) ，活性气体可与炽热金属发生氧化放热反应，这部分附加热量可提高 切割速度1 3 1 2 。 在确定辅助气体类型的前提下，气体压力大小是个极为重要因素。当高速切 割薄形材料时，需要较高的气体压力以防止切口背面粘渣。当材料厚度增加或切 浙江大学硕士学位论文 全软件型数控系统的硬件设计方案 割速度较慢时，则气体压力宜适当降低。为了防止塑料切边霜化，使用较低气体 匿如为瓷。 ( 4 ) 激光输出功率 对连续波输出的激光器来说，激光功率大小和模式都会对切割发生重要影 响。实际操作时，常常设置最大功率以获得高的切割速度，或用以切割较厚材料。 但光束模式有时显得更重要，而且当提高输出功率时，模式常随之稍有变坏 1 9 1 。 综上所述，虽然影响激光切割的因素较为复杂，但切割速度、焦点位置、辅 助气体压力和激光功率及模式结构是四个最重要的因素。 2 2 数控系统的硬件设计方案 2 2 1 数控激光切割机的构成 图2 2 激光加工系统示意图 工作台 数控激光切割机由激光切割机主机、激光器、激光电源系统、外光路系统、 冷却系统和数控系统等组成，如图2 2 所示。其中激光器及外光路系统是数控激 光切割机关键部件，其性能指标直接影响激光切割质量。而激光切割机主机是实 现激光切割的载体。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、运动机构等部分组成。 1 0 * 江大学砸+ 学位论土e 杖件g 数柠系统衄件* 计方棠 22 2 实验平台 本文的实验平台是如图23 所示的一台金属激光切割机，其主要技术参数详 见表2 1 。 圈2 3 盎属激光切割机 表2 1 , i - ) g 教光切割机主要技术参数表 切割材料金属、陶瓷等( 切割打孔) 激光冷却系统采用独i 外循环水冷却 激光波长l0 6g m 激光脉冲宽度 0 1 - 2 m s 分级可调( o l m s s t e p ) 连续工作时问 2 4 小时 聚焦光斑直径 聚焦调节范围 切割扳厚 激光工作物质y a g 晶体 激光平均功率 工作台控制最统步进电机控制 聚焦工作距离 根据表21 ，该激光切割机的运动机构是工作台。工作台由步进电机控制 为了完成一定轨迹的激光切割，工作台的运动和激光出光闭光必须紧密配合。因 此数控系统必须同时完成对工作台的运动控制和激光电螺系统的控制。该激光切 割机运动控制要求为：连续拷机一个工作日( 2 8 小时) 工作台的定位精度达到 0 0 8 m m 数控系统并不直接控制激光电辣，澈光电源系统由一块独正板卡控制， 严禚嚣 c 黼瓣 国 浙江人学硕士学位论文全软件型数控系统的硬件设计方案 这块板卡称为“主控板”。主控板控制激光电源的出光闭光、脉冲频率、脉冲宽 度和工作电压等。数控系统向主控板发送激光控制参数，由主控板根据控制参数 对激光电源进行直接控制。同时，主控板向数控系统发送激光电源系统状态参数。 由此，数控系统间接实现对激光电源系统的监控。 2 2 3 基于a r m 和c p l d 的数控系统结构设计 目前的数控系统结构，无论是专用系统还是基于p c 机的结构，基本都采用 软硬件结合的体系结构。传统的专用系统大多采用封闭、专用的体系结构，是一 种封闭式的结构。这种数控系统控制算法采用专用的硬件或者多c p u 实现，对 用户全封闭。这种类型的数控系统结构简单，成本较低，但随着数控技术的发展， 暴露出越来越多的弊端，比如硬件系统复杂，修改困难等。而数控软件的开发还 一直沿用传统的面向过程的软件开发方法，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。 随着计算机技术的发展，p c 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。基于工业p c 的开放式数控系统已得到广泛运用。这种 类型的数控系统利用p c 机的丰富资源，在通用的操作系统平台上，利用标准的 应用开发环境能够很快地开发出独具特色的软件系统。其控制软件具有较好的移 植性、互操作性、互换性和伸缩性，展现了良好的开放性；而其硬件的可重构性、 可重用性也有了很大的提高。这种类型的数控系统虽然有一定程度的开放性，但 是对于数控系统的核心部分位置控制和插补运算则还是通过硬件插板完成，对用 户仍是封闭的。另外这种类型的数控系统资源利用率不高，体积较大，携带不方 便。近年来a r m 、c p l d 和d s p 等微处理器的快速发展，为开放式数控系统的 发展提供了新的实现方法【2 0 1 。本文采用“a r m + c p l d ”的结构实现激光切割机 的数控系统。 2 2 3 1a r m 技术概述 a r m 处理器核因其卓越的性能和显著优点，已成为高性能、低功耗、低成 本嵌入式处理器核的代名词，占据了绝大部分3 2 位、6 4 位高端嵌入式处理器的 市场。优良的性能和广泛的市场定位也极大地丰富了a r m 的资源，加速了基于 a r m 处理器面向各种应用的系统芯片的开发和发展，使得a r m 技术获得更加 浙江人学硕士学位论文伞软件型数控系统的硬件设计方案 广泛的应用，确立了a r m 技术在市场的领先地位。 工业控制如数控激光切割需要硬实时性、高可靠性和良好开放性，另外对人 机界面、开发环境、可操作性、成本等也有特别的要求。基于a r m 的嵌入式系 统在工业控制中体现了以下的优势【2 1 1 ： ( 1 ) 实时性 a r m 使用了流水线技术，使得处理和存储系统能连续工作；采用了 a r m t h u m b 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器件；拥有3 7 个3 2 位寄存器， 采用了异常模式寄存器；采用了局部总线，a m b a 高性能总线a h b 和外设总线 v p b 相结合的方式管理片内资源，这些都大大提高了其工作效率【2 2 1 。3 2 位嵌入 式微处理器处理速度一般为几十至几百m h z ，甚至达到g h z ，而单片机的速度 只有几m h z 至几十m h z 。 当硬件确定以后，控制系统的实时性能由操作系统决定。大多数嵌入式操作 系统均可为具备确定性响应能力的应用程序提供内建实时支持。 ( 2 ) 可靠性 a r m 嵌入式处理器本身集成了常用的接口控制模块，如l c d 、u s b 接口的 控制模块，集成a d 、d a 转换器等，无需扩展外围芯片，大大增强了抗干扰的 能力【2 3 1 。另外操作系统的可靠性也进一步保证了工业控制系统的正常运行。 ( 3 ) 人机界面 在传统的单片机中，图形功能弱，大都依靠l e d 和数码管进行显示，没有 更强的图形界面功能。a r m 芯片获得了许多嵌入式操作系统供应商的支持，比 责口w i n d o w sc e 、l i n u x 、q n x 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 、 t c o s i i 、b e o s 等。嵌入式操作系统不仅支持图形和窗口，还有丰富的控件库。例如在w i n d o w s c e 环境下可以为用户创建美观友好的图形界面。 ( 4 ) 开放性 随着i n t e m e t 的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网 络功能要求也越来越高。单片机与单片机或上位机之间的通信一般是通过 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 。这样的网络通信速度慢，开发困难。a r m 嵌入式系统可以集成 以太网控制模块。以太网使用t c p i p 协议，便于联网，通信速度快【2 4 1 。 2 2 3 2c p l d 概述 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 复杂可编程逻辑器件，是从 浙江大学硕。t 学位论文 全软件型数控系统的硬件设计方案 p a l 和g a l 器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规 模集成电路范围，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成 电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言 等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆( “在系统”编程) 将代码传 送到目标芯片中，实现设计的数字系统。c p l d 主要是由可编程逻辑宏单元 ( m a c r oc e l l ) 匪l 绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中m a c r oc e l l 结构较复 杂，并具有复杂的i o 单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结 构，完成一定的功能。由于c p l d 内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块 的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时 序不完全预测的缺点。 c p l d 具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发 工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测 试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广 泛应用于产品的原型设计和产品生产( 一般在1 0 0 0 0 件以下) 之中。几乎所有 应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用c p l d 器件。c p l d 器件已 成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的 一种技能。 2 2 3 3 基于“a r m + c p l d ”结构的数控系统 基于a r m 的嵌入式系统在工业控制中具有实时性好、可靠性高、人机 界面友好和开放性好等优点。“a r m + c p l d ”结构是以a r m 为控制核心， c p l d 作为控制信号输出扩展板。在a r m 芯片上移植通用嵌入式操作系统。 在嵌入式操作系统的平台上，利用标准的应用开发环境开发控制软件。控制 软件不仅完成人机交互、运动显示等任务，还可完成插补运算和位置控制等 核心任务。由于a r m 芯片上嵌入操作系统占用了较多资源，因此由c p l d 承担控制信号输出任务以及提供扩展i o 。c p l d 仅提供通用接口，根据a r m 的指令输出相应控制信号。基于“a r m + c p l d ”结构的数控系统其控制软件 完成了数控系统的插补运算和位置控制等核心任务，而硬件系统如a r m 和 c p l d 仅提供标准化的通用接口。用户可在特定的嵌入式操作系统平台上利 用开放的控制软件内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的数控系统。 通用的嵌入式操作系统平台、标准的应用程序开发环境、控制软件的高性能 浙江大学硕士学位论文 全软件型数控系统的硬件设计方案 和硬件接口标准化证明这种结构属于全软件型数控系统结构，决定了这种结 构的数控系统具有较高的开放性。 2 3 硬件方案的实现 2 3 1 硬件系统主要部件选型 ( 1 ) a r m 。采用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 。$ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公 司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核，采用o 18 u m 制造工艺的3 2 位微 控制器。该处理器拥有：独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u ， 支持t f t 的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路u a r t ，4 路d m a ，4 路带p w m 的t i m e r ，i o1 2 ，r t c ，8 路2 4 位a d c ，t o u c hs c r e e n 接1 2 ，i i c b u s 接口，i i s b u s 接1 2 ，u s b 主从口，s d 主机和m m c 接口，2 路s p i 。$ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 。$ 3 c 2 4 1 0 内部资源丰富，可嵌入w i n d o w sc e 操作系统，并进行复杂的信息处理。系统以l c d 和6 4 0 x 4 8 0 的触摸屏为人机交 互装置，采用1 0m 的以太网接口芯片c s 8 9 0 0 a ，可连接到i n t e r n e t 或局域网。 在p c 机上生成的c a d 文件通过以太网或s d 卡输入到a r m 处理器中。系统采 用n a n d f l a s h 来存储数据和程序。 ( 2 ) c p l d 。采用a l t e r a 公司f l e x 6 0 0 0 系列的e p f 6 0 1 6 。e p f 6 0 1 6 是 a l t e r a 公司为大容量设计提供的一种低成本可编程交织式门阵列，共有1 6 0 0 0 个可用门、1 3 2 0 个逻辑单元，1 1 7 个i o 引脚，每个i o 引脚都有独立的三态输 出使能控制。e p f 6 0 1 6 接收a r m 的插补指令输出相应控制信号，并采集限位开 关零点开关等状态信号。 2 3 2 嵌入式操作系统w i n d o w sc e a r m 芯片获得了许多嵌入式操作系统供应商的支持，比较知名的有： w i n d o w sc e 、l i n u x 、q n x 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 、g c o s i i 、b e o s 等。 本文采用w i n d o w sc e 嵌入式操作系统。 w i n d o w sc e 是一个3 2 位的，支持多线程、多任务的，可抢占式的嵌入 式操作系统。它采用和w i n d o w s 兼容的a p i 方式，延续了w i n d o w s 的外部 1 5 浙江人学硕士学位论文伞软件型数控系统的硬件设计方案 特征，与w i n d o w s 具有良好的兼容性。同时，它采用模块化设计，支持强大 的通讯和图形显示功能，能够适应广泛的应用要求。它的内存保护功能可以 满足数控系统的高可靠性要求。 w i n d o w sc e 是实时操作系统，其实时性体现在以下六个方面： ( 1 ) 具有2 5 6 个线程优先级级别。更多的优先级赋予开发者在控制系统高 度方面更大的灵活性； ( 2 ) 应用程序可以控制提供给每个线程的时间片，计时器精确到一毫秒； ( 3 ) 优先级倒置处理机制。阻塞的低优先级线程可以继承高优先级，改进 响应时间； ( 4 ) 全面支持嵌套中断。允许高优先级的中断立刻被服务，而不用等待低 优先级别的