（机械制造及其自动化专业论文）五轴联动激光加工机数控系统的研究.pdf

、r ，! 系统的开发进行了研究，研制了一套可以同时应用于激光切割、激光焊接和激光热处理等 多种加工方式的五轴联动复合激光加工数控系统。该系统具有开放性、多功能性等特点。 本文的主要研究工作如下： 1 针对五轴联动激光加工机5 l c 1 的结构，在建立机床坐标系统的基础上求解了该 机床的运动学逆解，得到了该机床各个坐标轴驱动量的数学表达式，从而为数控编程提供 了理论依据。 2 对机床数据采集系统以及控制面板、手轮等部分外围接口硬件进行了设计。 3 在w m d o w s2 0 0 0 操作系统下，采用v c + + 6 0 对数控系统软件的通用功能模块进 行了开发，实现了激光切割加工工件表面起伏误差数据的采集及补偿，完成了激光切割加 工的程序示教功能。 4 通过激光切割实验验证了本文所开发激光加工机数控系统的可行性。 该数控系统的开发适应了用户需求和市场变化，可提高加工效率，具有实际的应用价 值。 关键词：五轴联动激光加工；数控系统；程序示教；p m a c 论文的研究得n - f 陕西省教育厅重点项目多功能激光加工机床的资助。 西安理工大学硕士学位论文 - 一i _一 玎 卜 、 i i t m a j o r - m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e a u t o m a t i o n n a m e ：l e ih e s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r = p r o f y u m e ih u a n gs i g n a t u r e = a b s t r a c t 溉 1 1 托t r a d i t i o n a ln u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) s y s t e ma p p l i e dw i d e l yi nc u r r e n tl a s e rp r o c e s s i n ga t h o m ea n da b r o a di sal ( i n do fs p e c i a l i z e da n dc l o s e ds y s t e m d u et oi t sl i m i t a t i o ni ne x t e n s i o n a n dh i g hp r i c e ，t h es y s t e mc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so nh i g hf l e x i b i l i t ya n dl o wc o s ti n t o d a y sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nn ct e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r sh a sb e e n f o c n s e dm o r ea n dm o r eo nt h eo p e nn cs y s t e m 、析t l ie x c e l l e n tf l e x i b i l i t ya n dl o wc o s t , w h i c h a l s or e p r e s e n tt h ed e v e l o p i n gt r e n do fl a s e r - p r o c e s s i n gn ct e c h n o l o g y c o m b i n g 、析t ht h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rt h es i m u l t a n e o u sf i v e - a x i sl a s e r - p r o c e s s i n g m a c h i n e ，t h eo p e nn cs y s t e mf o rt h el a s e r - p r o c e s s i n gm a c h i n ei si n v e s t i g a t e da n dd e v e l o p e d , w h i c hc a nb eu s e di nt h es e v e r a lm a c h i n i n gm o d e s ，s u c ha sl a s e rc u r i n g ，l a s e rw e l d i n ga n d l a s e rh e a tt r e a t m e n te t c t h en cs y s t e mp r e s e n t e dd e m o n s t r a t e sf e a t u r e so fo p e n n e s sa n d m u l t i f u n c t i o n 硼坞m a i nw o r k si nt h et h e s i sa r ca sf o l l o w s ： 1 t h es o l u t i o no fi n v e r s ek i n e m a t i c si sd e d u c e db a s e do nt h ec o o r d i n a t et r a n s f e r m a t i o no f t h em a c h i ni se s t a b l i s h e df o rt h es t r u c t u r eo fs i m u l t a n e o u sf i v e - a x i sl a s e r - p r o c e s s i n gm a c h i n e 5 l c 1 s ot h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no fd r i v i n gv a l u eo fe a c ha x i si so b t a i n e d ，w h i c h p r o v i d e sat h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h en cp r o g r a m m i n g 2 t h ep e r i p h e r i c a lh a r d w a r es y s t e mo fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ，c o n t r o lp a n e la n dh a n d w h e e l e t c a r ed e s i g n e d 3 u n d e rw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m ，t a k i n gv c + + 6 0a sd e v e l o p i n gt o o l ，t h e g e n e r a l i z e d f u n c t i o nm o d u l e so fn cs y s t e ms o f t w a r ea r eo p e n e do u t , w h i c hr e a l i z e st h e a c q u i r i n go fn o n s t a b l ee r r o ro fw o r k p i e c es u r f a c ea n de r r o rc o m p e n s a t i o nw h e nl a s e rc u r i n g b e i n gc a r r i e do u t ，a n dt h ep r o g r a mt e a c h i n gf u n c t i o no fl a s e rc u r i n g i sa c h i e v e d 4 t h ef e a s i b i l i t yo fn cs y s t e mo f5 l c ll a s e r - p r o c e s s i n gm a c h i n ev a l i d a t e db yt h el a s e r c u r i n ge x p e r i m e n t 1 1 1 西安理工大学硕士学位论文 t h ef u n c t i o no ft h i st y p eo f l a s e r - p r o c e s s i n gm a c h i n en cs y s t e mm e e t su s e r ，sd e m a n d sa n d t h ec h a n g e so fm a r k e t ，a n dc a ni n c r e a s et h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y ，a sw e l la sp o s s e s sp r a c t i c a l v a l u e k e y w o r d s ：s i m u l t a n e o u sf i v e - a x i sl a s e r - p r o c e s s i n g ；n cs y s t e m ；p r o g r a mt e a c h i n g ；p m a c t h er e s e a r c hd e s c r i b e di nt h ed i s s e r t a t i o ni s f i n a n c i a l l ys u p p o r t e db ys h a a n x ip r o v i n c e e d u c a t i o nd e p a r t m e n tk e yp r o j e c t ( m u l t i f u n c t i o n l a s e r - p r o c e s s i n gm a c h i n e ) i v l绪论 1 1 ：；i 言。】【 1 2五轴联动激光加工机床的发展及应用现状2 1 3激光加工对控制的要求。3 1 4激光加工数控系统的关键环节3 1 4 1 机床逆位置解析。4 1 4 2 实时轨迹插补：4 1 4 3 进给轴运动控制4 1 4 4 激光切割焦点位置自动测量与补偿4 1 5课题提出的背景和意义4 1 6本论文研究的主要内容。5 2激光加工系统的组成及数控编程中的算法处理 2 1激光加工系统的组成6 2 1 1 激光器7 2 1 2 激光加工机床主机7 2 1 3 数控系统7 2 1 4 导光系统8 2 1 5 冷却系统9 2 1 6 其他组成部分9 2 2五轴联动激光加工机运动学逆解的求解1 0 2 2 1 机床坐标系统的建立1 0 2 2 2 运动学逆解的求解l l 2 3 本章小结。1 3 3激光加工机数控系统的硬件组成及软件开发 1 4 3 1激光加工机数控系统的总体构成1 4 3 1 1 数控系统硬件平台的选择1 4 3 1 2 激光加工机数控系统的总体构成。1 4 3 2激光加工机数控系统的硬件设计及选型1 5 3 2 1 工业控制计算机。l5 3 2 2 多轴运动控制器16 3 2 3 伺服系统18 v 西安理工大学硕士学位论文 3 2 4 多路i o 接口板l9 3 2 5 z 轴位移传感器19 3 2 6a d 转换卡2 1 3 2 7 双端口r a m 2 2 3 3 数控系统外围接口硬件的设计2 3 3 3 1 控制面板单元2 4 3 3 2 手轮单元2 5 3 3 3p m a c 与伺服驱动器的连接2 6 3 3 4 数据采集卡与超声波传感器的连接2 6 3 4 激光加工机数控系统软件总体设计一2 7 3 5数控系统软件开发平台及开发工具的选择。2 7 3 5 1 软件开发平台的选择2 7 3 5 2p m a c 程序及其开发工具2 9 3 5 3p c i 1 7 1 6 数据采集卡开发工具3 5 3 6主要功能模块的开发与实现3 6 3 6 1 系统初始化模块3 6 3 6 2 自动加工模块4 0 3 6 3 手动程序编辑模块4 2 3 6 4m d i 模块4 3 3 6 5 手动控制模块4 3 3 6 6 激光切割示教加工模块4 4 3 7本章小结4 7 4 数控系统的联机调试及激光切割加工实验 4 8 4 1数控系统联机调试4 8 4 1 1p m a cp c i 双端口r a m 的配置4 8 4 1 2 机床控制面板的调试4 9 4 1 3 机床手轮的调试4 9 4 1 4 机床原点与参考点的建立5 0 4 1 5 数控系统自动加工时辅助功能的实现。5 2 4 2p m a c 控制器p i d 参数的调节5 3 4 2 1p i d 滤波器工作原理5 3 4 2 2p i d 滤波器的参数调节5 4 4 2 3 调试结果及其分析5 6 4 3激光切割加工实验5 8 v 1 v l i 西安理工大学硕士学位论文 二一 v ! i i 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 激光加工技术实现了光、机、电技术的结合，是一种先进的制造技术，目前正处于向 传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。激光加工的基本原理是采用高功率密度的 激光束对工件的力n - r _ 表面进行扫描，由于激光束聚焦后光斑直径小( 直径约为1 - - 5 r a m ) 、 功率密度高( 1x1 0 3 , - , 1x1 0 5 w c m 2 ) ，可使被加工部位瞬时受热，产生汽化( 打孔、切割) 、 熔化( 焊接) 、相变( 热处理) n 。因此，与常规加工技术相比，激光加工技术具有与工件无 接触、不需要工模具、清洁、效率较高、方便实行数控以及可以用来进行激光切割、焊接 和热处理复合加工等优点，已经广泛应用于汽车、冶金、航空航天、造船和通用机械制造 等工业中。 目前国际上生产工业激光器和激光加工机床的大公司主要有美国的联合技术工业激 光公司、国际激光器公司；日本的三菱公司、东芝公司、日本电气公司；德国的罗芬一西 纳尔公司、哈斯激光公司、梅萨一格里斯海姆公司；英国的鲁莫尼克公司等。其中，美国 联合技术工业激光器公司已经可以提供1 0 k w 的连续c 0 2 激光器，该公司生产的c 0 2 激 光器最大功率可达2 5 k w 。l 5 k w 激光器主要由罗芬一西纳尔公司提供 2 1 0 在激光加工 机床方面以美、日、德为代表的工业发达国家己有上千台五轴联动高档激光加工设备用于 实际工业生产，特别是在汽车制造行业得到广泛应用。 国内激光加工技术的研究起步并不比发达国家晚，但由于国内的基础工业较薄弱，激 光加工机床的研制费用又比较昂贵，因此商品化的激光加工机床研究远远落后于发达国 家，国内一些厂家和研究所还处于试验、试制阶段，目前尚未形成产业。国内千瓦级c 0 2 激光器的生产厂家主要有上海雷鸥激光设备有限公司、华中理工大学激光所、北京机电研 究院等单位。长春光机所、上海激光技术研究所、上海光机所等单位采用进口或国产的 c 0 2 激光器试制成功了几台激光切割机，但仅限于本单位实验室使用。北京机电研究院、 北京机床研究所也有激光切割机问世，但这些设备主要还限于金属( 或非金属) 板材的平面 加工，与国外同类产品比较还有很大的差距。多轴联动，尤其是五轴联动数控激光加工机 床目前在国内尚属研发阶段。这类机床集激光、机械、传感器与自动检测、信息处理、微 机自动控制以及伺服驱动等多项技术于一体，能完成平面和三维曲面的激光加工，主要用 于汽车制造厂车身模具制造维修中的热处理及表面熔覆盖件和梁类零件的激光切割与焊 接n 。由于该类机床融合了多项技术，因此研究费用较高，技术难度较大，一些工艺问题 还需要进一步试验、摸索，但该类机床如能研制成功，必将促使我国激光技术在工业上的 应用迈进一大步 1 西安理工大学硕士学位论文 1 2 五轴联动激光加工机床的发展及应用现状 数控激光加工机床( n u m e r i c a lc o n t r o ll a s e r - p r o c e s s i n gm a c h i n et o o l ，n c l m t ) 是典型 的可实现光、机、电一体化的技术密集型高科技设备，是激光加工技术在机械加工业应用 的重要载体。在工业发达国家，n c l m t 已被视作“敏捷制造”模式下的一种快速响应生 产制造设备。在国内，n c l m t 正在被越来越多的企业所采用，并在经济发达地区，如深 圳、上海、江南一带迅猛发展。 n c l m t 的性能除了受高性能的激光器和高精度的机械装置的影响外，其控制系统 的性能具有决定性作用。数控系统是n c l m t 的关键部件，其性能直接决定了激光加工机 床的功能、精度以及加工工艺能力等关键性的指标。因此，美、日、德等工业发达国家一 直将激光加工控制系统作为重点发展目标，其生产的许多优秀激光加工设备也主要依赖于 高性能的数控系统才得以实现各种高质量的加工。尤其是在五轴联动高端数控激光加工机 床的研制方面，由于采用了先进的数控系统，他们的产品已经步入了产业化阶段。如图 1 1 所示，美国明烛公司生产的五轴联动激光加工机床已经成功应用于飞机与涡轮发动机 零件的加工中。图( a ) 所示五轴联动激光加工机床正在修整已成形的金属板材零件；图( b ) 所示为对飞机空调管道的成形零件进行切割、穿孔、修整和焊接的五轴联动激光加工机床， 正在对修整过的零件进行焊接；图( c ) 所示五轴联动激光加工机床正在涡轮叶片的冷却衬 套上穿小孔 2 ( a ) ( b ) ( c ) 图1 1国外五轴联动激光加工设备应用实例 f i g 1 - la p p l i c a t i o nf r o mf o r e i g ns i m u l t a n e o u sf i v e - a x i sl a s e r - p r o c e s s i n ge q u i p m e n t 1 绪论 我国的数控激光加工机床产业化进程较国外相比仍显落后，在高端的五轴联动激光加 工机床方面目前仍属研发阶段。造成这种局面除了高性能激光器制造方面的因素外，高性 能激光加工用数控系统的研发问题也是一个重要因素。目前，我国多轴联动激光加工机的 数控系统主要靠引进国外相关产品，如武汉华工激光工程有限责任公司于2 0 0 0 年，通过 独资收购墨尔本一家世界著名数控激光切割机制造企业f a r l e yl a s e rl a b 公司，引进他们 的数控激光切割系统，完成了f a r l e yl a s e rl a b 高性能数控激光切割机的完全国产化 n 1 。但引进国外数控系统存在着价格昂贵这样一个有目共睹的事实，况且长期以来，以美 国为首的西方工业发达国家，一直将五轴联动数控系统作为重要的战略物资，对我国实行 技术封锁。因此，我们应该充分认识到提高国产激光加工控制系统的性能和水平的重要性 和必要性，将激光加工数控系统的研究正式纳入该领域研究的重点。 1 3 激光加工对控制的要求 由于激光加工的特点，决定了其与普通机械加工的不同，从而对激光加工提出了特殊 的要求。此外，对于不同的激光加工工艺而言，要求也不尽相同。此处仅以激光切割为例 来说明对激光加工提出的特殊要求。在激光切割时，一方面要求从激光头发射的激光束相 对工件按一定的轨迹运动，以保证加工轨迹的准确形成：另一方面要求激光束正好在工件 被加工点处的法线方向，以保证聚集后的激光焦点落在工件表面为直径最小的光斑，使得 功率密度最大，从而获得最佳的加工效果。 如此一来，对于大多数普及型的平面激光加工设备而言，只需z 】，轴联动控制，以 保证加工轨迹的形成；此外，通过测距传感器获取工件表面不平的起伏信息，将工件表面 的误差值补偿到加工程序中去，实现加工时对z 轴的浮动控制，其目的是保证激光头跟 踪工件表面不平的起伏运动，以使激光束焦点位置随工件表面的起伏动态变化，从而获得 最佳加工效果。 对于曲面类零件的激光加工，待加工部分均可看成一条空间曲线。在使用镜组传输的 数控加工机床中，为使激光头沿空间三维加工轨迹行走，必须使瓜只z 三个坐标轴插 补联动。此外，激光头的位姿要随工件表面的法线方向及时调整，以便激光入射角与工件 表面垂直，因此还要在三坐标的基础上增加绕x 轴回转的a 轴、绕】，轴回转的b 轴或绕 z 轴回转的c 轴，并要求至少有其中两个回转轴随ky 、z 三个坐标轴插补联动。因此， 在这样的激光加工机上实现三维曲面激光加工必须采用至少五轴联动的激光加工机床。 除上述功能外，无论是平面激光加工机床还是曲面激光加工机床，要完成对工件的加 工任务还需对有关开关量( 如光闸、辅助气体开关等) 进行控制，以配合机床完成整个激光 加工设备的控制任务。 1 4 激光加工数控系统的关键环节 由于激光加工技术的光、机、电多学科交叉性及激光加工对控制装置要求的特殊性， 其数控系统由诸多环节组成，针对本文中涉及到的研究内容，现就机床逆位置解析、实时 3 西安理工大学硕士学位论文 轨迹插补、进给轴运动控制以及激光切割焦点位置自动测量与补偿等比较关键的环节综述 如下。 1 4 1 机床逆位置解析 逆位置解析是机床运动学研究的基本问题之一，也是机床数控编程的重要理论依据。 对本文研究开发的五轴联动激光加工机床而言，逆位置解析完成的主要任务是将激光头在 工件坐标系中运动时的轨迹数据，根据位姿矩阵链的思想，转化为机床坐标系中各坐标轴 的驱动量，以供数控系统软件编写工作之需要。 1 4 2 实时轨迹插补 激光束的运动轨迹精度是保证激光加工精度的关键。为达到高速、高精度的轨迹控制， 必须构造先进的轨迹插补算法。在以“工业p c 机+ 开放式多轴运动控制器”为核心搭建 的五轴联动激光加工机数控系统中，p m a c 提供了直线插补、圆弧插补、s p l i n e 样条插 补、p v t 模式插补等四种插补方式供用户使用。因此，在本论文中涉及到的仅仅是如何 根据具体的加工轨迹合理选择插补方式的问题，从而方便地对激光加工机床的位置和速度 进行规划，以期获得高的加工速度和轮廓加工精度。 1 4 3 进给轴运动控制 随着激光加工速度的不断提高，对进给轴运动控制的要求也日益严格。进给轴运动控 制的作用是最大限度地保证进给坐标轴的实际位移与指令位移一致。在本文研究开发的五 轴联动激光加工机数控系统中，核心控制器p m a c 提供了“p i d + 速度加速度前馈+ n o t c h 滤波”的控制环算法，通过引入前馈控制，实际上构成了具有“反馈+ 前馈 的复合控制 的系统结构。因此，如何通过调整运动控制器提供的控制环算法中的相关参数，从而实现 系统的无跟随误差控制是本文研究的又一重要内容。 1 4 4 激光切割焦点位置自动测量与补偿 如上文所述，激光加工的特殊性对数控系统提出了更高的要求。在激光切割加工中， 为了保证激光切割的质量，通常需要自动检测被加工工件表面存在的起伏误差，并自动控 制激光头移动使激光束焦点相对工件表面保持在一定的位置上。因此，必须为本数控系统 配备一套激光焦点位置控制示教系统，用以离线检测激光头与工件之间的距离，以便在正 式加工时对该误差值进行补偿，实现激光束随工件表面的起伏而做出相应移动的功能，从 而保证焦点的恒定，获得较好的加工效果。 1 5 课题提出的背景和意义 随着激光加工技术的日益普及，激光加工以其自身的优越性越来越为人们所重视，许 多企业已经将激光加工机床引入生产实践，并取得了可喜的效益。然而，制造业的不断发 展对激光加工设备提出了更高的要求。如今各企业不仅需要常规的平面激光加工机床，而 4 1 绪论 且还需要能对曲面类复杂零件进行加工的多轴联动激光加工机床。对于此类机床而言，其 性能的优异与否在很大程度上取决于加工系统所采用的数控装置。目前国内拥有自主产权 的激光加工数控系统中，几乎没有用于多轴联动，尤其是用于五轴联动激光加工机床的性 能优异的数控装置，因此严重制约了这些高端数控激光加工设备的加工效率与质量。 目前国内高质量的激光加工系统均采用国外已经成熟化的数控系统。进口国外一套多 轴联动数控系统不但价格昂贵，而且往往不能满足专用数控激光加工机床个性化方面的要 求，造成了数控系统自身功能利用上的不充分和激光加工机床一些特殊化功能的受限。由 于目前国内外普遍应用于激光加工中的数控系统是一种专用型、封闭式的系统，其软、硬 件方面的不透明性严重制约了用户对数控系统的进一步开发。鉴于此，本文研制了一种基 于工业p c 机的开放式五轴联动激光加工机数控系统，以通用的w i n d o w s 操作系统作为 开发平台，同时具有硬件和软件的开放性。 本课题的研究是结合陕西省教育厅重点项目“多功能激光加工机床 ，并依托西安理 工大学机械装备重点实验室来开展的。实验样机是该实验室的五轴联动复合激光加工机床 5 l c 1 。该机床是在三轴复合激光加工机床的基础上进一步研究开发的，可实现鼠kz 、 彳、c 五轴联动；可进行空间复杂曲面激光淬火、激光切割、激光焊接等激光加工1 。其 数控系统为自主研发的开放式数控系统，目前已成功应用于该实验样机。 1 6 本论文研究的主要内容 本文主要研究五轴联动激光加工机数控系统，基于“工业p c 机+ p m a c 运动控制器 的模式完成了硬件平台的搭建，在w i n d o w s 开发平台上借助于v i s u a lc + + 6 0 开发出了 简洁友好的入机界面。全文共分五章，主要研究内容如下： 第一章介绍了国内外激光加工设备的研究现状；分析了五轴联动激光加工机床的发 展和应用现状；在讨论激光加工对控制系统特殊性要求的基础上，分析了数控系统关键环 节的实现技术，并简要介绍了数控系统的软硬件开发平台。 第二章阐述了本文研究开发的五轴联动激光加工系统的组成：详细推导了机床的运 动学逆解，为数控系统软件的编写提供了重要的理论依据。 第三章论述了五轴联动激光加工机床数控系统的硬件组成、功能及各部分的特点； 在介绍数控系统软件研制中所用开发工具的基础上，基于g r m d o w s2 0 0 0 操作系统，应用 v i s u a lc + + 6 0 进行开发，通过调用p m a c 的动态链接库p c o m m 3 2 p r o 和数据采集卡 p c i 1 7 1 6 的动态链接库中的函数，完成了上下位机的通信，实现了友好的人机界面，解 决了程序示教数据采集系统的管理调度。 第四章介绍了数控系统软件联机调试中的若干关键问题；详细论述了p m a c 控制 器p i d 参数的调节；在完成系统参数优化调节的基础上，通过激光切割实验验证了本文 所开发激光加工机数控系统的可行性。 第五章对全文工作进行总结，并对下一步的研究工作进行展望。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 激光加工系统的组成及数控编程中的算法处理 2 1 激光加工系统的组成 目前，用于工业加工的激光加工系统，由于其采用的激光器形式各异( 主要以固体激 光器和气体激光器两大类为主) 以及用途不同，因此其具体组成形式也不尽相同。然而无 论采用哪种激光加工设备，为完成相应的加工功能，它们最基本的组成都大致相同。 图2 - l 所示即为本文研究开发的五轴联动复合激光加工机床5 l c 1 的实物图。 图2 1五轴联动复合激光加工机床5 l c i f i g 2 - 1s i m u l t a n e o u sf i v e - a x i sc o m b i n e dl a s e r - p r o c e s s i n gm a c h i n e5 l c 1 其组成框图如图2 2 所示，主要由激光器、激光加工机床主机、数控系统、导光系统、 冷却系统等组成。在后续章节将对各组成部分做详细的说明。 6 图2 - 25 l c i 激光加工机床的组成框图 f i g 2 - 2c o m p o s i n gd i a g r a mo f5 l c - 1l a s e r - p r o c e s s i n gm a c h i n e - 2 1 1 激 必须稳 上海雷 功率为4 0 0 0 w ，采用直流高压放电方式激励二氧化碳分子，电源输出电压连续可调，最 高输出电压为4 0 k v ，最大输出电流为1 2 a ( 两只电流表叠加) ，非常适合用于进行材料表 面的改性处理( 即激光淬火) 。该激光器通过内部安装的选模光阑可以输出低阶横模，以满 足部分金属零件的激光焊接或激光切割对光束质量和功率的要求。此外，该激光器还具有 水压保护、过流保护、空载( 过压) 保护、过热保护和电机缺相保护等功能，因而使用安全 可靠。 i - i j = 4 0 0 0 型高功率横流c 0 2 激光器中的工作气体为c 0 2 、n 2 和h e 三种，三者之间应 严格按照以下比例进行充气： c o yn 2 ：h e = l ：8 ：i i 其中，c 0 2 为激活介质；n 2 的作用是用来提高激光器的增益和输出功率：h e 主要是用来 改善放电特性，获得稳定的辉光放电。此外，由于h e 的热导率比c 0 2 和n 2 均高出一个 数量级，因此在c 0 2 激光器中加入h e 可提高激光器的散热效率。 2 1 2 激光加工机床主机 激光加工机床与普通金属切削机床不同，它以激光束为“刀具一，用导光系统传输加 工用能量，不存在切削力。此外，在激光加工过程中，激光束需要时刻保持与工件表面的 垂直。因此，激光加工机床与普通金属切削机床比较具有许多自身的特点。如绪论中所述， 要实现三维激光加工必须采用至少五轴联动的激光加工机床。 五轴联动数控机床具有x 、j ，、z 三个移动轴以及绕x 、】，、z 轴旋转的彳、曰、c 轴中的两个旋转轴。旋转轴彳、曰、c 的运动可由工作台的旋转来实现，也可由刀具的摆 动来实现。尽管五轴联动数控机床的结构千变万化，但是按照其结构特点的不同可分为双 转台型、双摆头型和摆头及转台型机床三大类。 本文研究开发的五轴联动激光加工机床主机采用了双转台型机床的结构形式，其激光 头可以实现沿】，轴和z 轴的移动，工件可以沿x 轴移动、绕x 轴转动a 角( 一l l o 。a + l l o 。) 以及绕z 轴转动c 角( 0 。c 3 6 0 。) 2 1 3 数控系统 数控系统是激光加工机床的重要组成部分，其性能直接决定了激光加工机床的性能、 精度以及加工工艺能力等关键性的指标。采用了多轴联动的数控系统可以加工复杂型面的 工件，提高工件的加工精度和生产率( 对复杂工件的加工生产率可提高十几倍乃至几十 倍) ，稳定产品加工质量，可实现一机多用( 即复合加工) ，增加经济效益，还可以减轻劳 7 西安理工大学硕士学位论文 动强度，避免对工作人员的激光伤害等。 在加工过程中，数控系统控制激光束与工件的相对位置，形成加工轨迹。激光加工机 数控系统除了具有通用数控系统的一般功能外，还有其特殊功能。使用本文研究开发的五 轴联动激光加工机床5 l c 1 进行曲面类零件的激光加工时，不仅需要对瓜kz 三轴进 行联动控制，以实时调节激光焦点的空间位置，而且需要对激光头轴线相对工件表面的方 向进行动态控制，以保证激光束轴线方向与当前加工点处曲面的法线方向一致，从而达到 最佳加工效果。此外，数控系统还必须对激光加工机中有关开关量进行适时控制，如光闸、 辅助气体的开启和关闭等，以配合进给运动完成整个激光加工设备的控制任务。 要完成上述激光加工机床的特殊功能就必须配备性能优良的五轴联动数控系统，而目 前市场上性价比较高的激光加工数控系统比较缺乏。针对这一实际情况，本文采用了自主 研发的基于“工业p c 机+ p m a c 运动控制器 的五轴联动开放式数控系统。在随后的章 节中将对该数控系统的硬件组成及软件结构做详细论述。 2 1 4 导光系统 导光系统就是将激光器输出的激光束引导到聚焦的光学系统及其有关部件组成的加 工头上，根据加工的不同要求有不同的形式。5 l c 1 采用了移动式导光系统，激光束可沿 y 轴和z 轴运动。导光系统与加工机床联成一体，使光路简化并提高了光束的可控性。 如图2 3 所示，激光加工机床的导光系统由激光功率采样器、光闸、吸收池以及反射 镜1 、2 、3 、4 、5 等组成。位于光闸上的半导体激光( 红光) 通过反射镜5 的折射，形成与 激光同轴的反射光路，用来指示c 0 2 激光的光路。在机床z 轴的光筒上装有调焦手轮、 反射镜4 、聚焦镜等。 嘲 j _ l 图2 - 3 导光系统图 f i g 2 - 3d i a g r a mo fl a s e rb e a mp a t hs y s t e m 来自激光器的光束入射导光系统后，首先受控于光束的切换装置光闸，光闸采用 电动方式，由程序控制自动切换。光闸开启后，通过反射镜l 、2 、3 将激光束方向改变到 8 2 激光加工系统的组成及数控编程中的算法处理 z 轴方向。对于激光焊接而言，由于加工功率较高，导光装置的聚焦系统采用了抛物面聚 焦反射镜，到达z 轴方向的激光束经“反射镜4 _ 聚焦镜 ( 图2 3 所示) 组合而成的抛物 镜聚焦系统到达工件加工表面；对激光切割而言，由于加工功率相对较低，导光装置的聚 焦系统采用了“平面镜一透镜”组合而成的聚焦系统，激光经过平面反射镜折射后由透镜 聚焦到达工件加工表面。 2 1 5 冷却系统 本文研究开发的激光加工系统其冷却系统主要采用了两种形式：空气循环冷却和水冷 却。 众所周知，工作气体温度升高会导致激光增益系数下降，从而使输出功率迅速衰减。 c 0 2 激光器的转换效率约为1 5 - - 一2 0 ，大部分放电能量转变成热能。因此，冷却气体是 改善激光器输出特性的重要因素。h j 4 0 0 0 型高功率横流c 0 2 激光器工作气体的散热采用 对流方式，通过布置在激光器内部的两台离心风机使工作气体在激光器内按照一定的风速 横向循环流动。由于该对流方式的气体密度较高、气流流通截面大、流速高，因此冷却效 果较好。 水冷却系统装在激光器底座上，由水压传感器、水压表、连接水管及若干水嘴组成， 主要用于激光器中的阴极( 直接水冷) 、阳极( 间接水冷) 和光学谐振腔中的激光输出镜以及 导光聚焦系统中的反射镜、聚焦镜等发热较为严重部件的冷却。 正是以上两种冷却方式的协同作用，保证了激光加工机系统长时间正常、稳定的运转。 2 1 6 其他组成部分 除了上述各个组成部分以外，本文研究开发的五轴联动激光加工系统还包括半导体激 光器、电动光闸、功率采样器：s y - 2 型气压计以及辅助气体等。 半导体激光器( 红光) 是一种小功率的激光器，主要起到准直的作用，常用于光路的调 整和工件的对中。 电动光闸主要用于激光器中产生的激光与加工机床导光聚焦系统的通断，保证加工过 程的顺利进行。 功率采样器主要由j g c _ 4 0 采样器和j g x 1 显示控制仪两部分组成，用于将激光器输 出功率的大小以数字形式直接显示输出。 s y - 2 型气压计是高功率c 0 2 激光器的配套装置。它采用气体压力传感器，用数字显 示屏显示气压值。该气压计用于充气时对激光器内的工作气体进行压力测量。 通常，辅助气体与激光束同轴由喷嘴喷出，以保护透镜免受污染，使加工过程顺利持 续进行。此外，加工过程中辅助气体的使用还有利于提高工件对激光的吸收率。因为某些 金属对激光的反射率较高，而辅助气体受高能量激光照射后会迅速离解成等离子体，这些 等离子体紧贴在工件表面，具有良好的吸收激光的能力，并将所吸收的光能传递到工件上， 使加工区域迅速加热到足够高的温度。因此，在激光加工时，辅助气体是必需的，而且也 9 西安理工大学硕士学位论文 是非常重要的。在本文研究开发的激光加工系统中，激光切割时主要用到辅助气体0 2 ， 焊接时主要用到辅助气体m ，热处理时主要用到辅助气体n 2 。 2 2 五轴联动激光加工机运动学逆解的求解 通常，我们在进行手工编程或利用c a d c a m 软件计算激光头轨迹时，都是在工件 坐标系中假定工件不动，激光头相对于工件运动进行的，而在实际加工中使用的却是机床 坐标系，即运动的实现方式各异，有的运动由工作台来实现，有的运动由激光头来实现“ 。 因此，我们必须将手工编写的n c 代码或是利用计算机生成的激光头轨迹数据文件，通过 坐标变换( 工件坐标系机床坐标系) ，转换成机床各个轴的运动量，即根据机床的具体结 构计算各运动坐标轴的位置。 由此可见，机床运动学逆解求解的主要功能就是将激光头在工件坐标系中运动时的轨 迹数据( 由加工点的坐标值( 墨，z p ) 和激光头轴向矢量o 歹 ) 构成) 转换为机床坐标系中 的值，包括工作台的旋转角度及机床经转动后的移动坐标x 、】，、z 值。 2 2 1 机床坐标系统的建立 为描述机床的运动，可建立如图2 - 4 所示的坐标系统。其中，坐标系伽为机床坐 1 0 d 图2 - 4 机床坐标系统 f i g 2 - 4m a c h i n ec o o r d i n a t es y s t e m 轨迹 2 激光加工系统的组成及数控编程中的算法处理 标系，它是进行坐标变换的基准坐标系；坐标系d t 五kz t 为与激光头固联的坐标系，称为 激光头坐标系，其原点设在激光头的中心点上，与焦点之间的距离为d ，坐标轴方向与机 床坐标系一致；坐标系o x p z 为加工点坐标系，z p 与当前加工点的法线方向相同；坐 标系d w l 匕z w 为与工件固联的工件坐标系，激光头的位姿数据在该坐标系中给出；坐标 系d r 五z z f 为与旋转工作台固联的旋转工作台坐标系，其原点q 为回转轴c 与倾斜轴彳两 轴线的交点，其坐标轴方向与机床坐标系一致；取坐标系o x 与坐标系d r z r z r 坐标原点 重合、对应坐标轴方向一致，坐标系d 】，、o z 与坐标系d t 五xz t 坐标原点重合、对应坐 标轴方向一致。 2 2 2 运动学逆解的求解 本文研究开发的五轴联动激光加工机床的运动轴包括三个移动轴x 、y 、z 和两个 转动轴a 、c ，其中转动轴彳、c 的回转轴交于一点。现在要做的工作即根据在工件坐标 系下给出的加工点的坐标值( k ，z p ) 及激光头轴线与瓦轴和匕轴的夹