激光切割机的控制

激光加工设备因其具有高速、高精度、低损耗、高度灵活等优点，越来越多地应用在钣金加工行业。激光加工包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标等。大功率激光切割机作为相对精密且昂贵的设备来说，应当有高配的控制与之相匹配。本文就激光切割机的控制部分做以下阐述，以期让大家有所了解。安全与控制安全门联锁由于激光加工设备有较高的速度与加速度，必须有相应的保护来防止人闯入。普通的3015型CO2激光设备有廉价的门保护方案，即安全光栅，当有物体进入设备危险范围内，正在运行的机床会立即停止。为美观起见，推荐带有安全门的设备，如苏州领创激光科技有限公司（以下简称“领创”）的带防护门的1530设备门上安装有安全开关，开关失灵或门被打开都会触发信号使机床立即停止运行，安全性较高。激光控制激光的控制是激光切割机的重要控制对象，包括激光功率控制、激光开启关闭控制、脉冲控制、故障显示与排除等。对激光的控制，安全依然很重要。比如，在维修时将光闸锁定，防止误操作出光；由其他故障引起机床暂停时，迅速关光等。而激光的脉冲输出、功率控制等，对于激光加工的工艺也至关重要，特别是脉冲，决定了厚板穿孔的速度与质量。板越厚，穿孔就越不稳定；厚板切割中，发生加工不良现象的大都是穿孔不好引起的。领创通过引进智能切割控制系统（ICS），显著提高了穿孔的速度及质量，并且减少了穿孔后停留的时间浪费，缩短了整个加工过程的时间。合理的逻辑安排合理的逻辑安排会有效地减少不必要的时间浪费，提高效率。合理的逻辑安排主要体现在蛙跳和跳段功能安排上。蛙跳功能，就是在X轴和Y轴插补空跑时，Z轴同时完成抬头和随动动作，从而节约运行了时间。因其运动轨迹是一条优美的弧线，像是青蛙跳跃，故命名为蛙跳。跳段功能，就是在机床因故暂停后（处理故障的过程可能会退出加工程序或移动机床的轴），可以一键恢复到故障前的状态继续加工。伺服控制伺服控制指对物体运动的位置、速度及加速度等变化量的有效控制。与传统的变频器控制相比，伺服控制具有很多优点。比如精度高、动态响应快、调速范围大、过载能力高、体积小等。领创使用的电机是永磁同步电机（图1），它的特点是同步，就是说，当控制电机定子磁场的强度和矢量方向后，外力是难以改变转子的相对位置的，在额定力矩以内，无论外力怎样变化，转子都会自动产生一个回归力，一旦扰动撤消，转子即回归原位。因此，电机具有较好的稳定性。图1伺服电机领创使用的检测装置是编码器。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照工作原理编码器可分为增量式（图2）和绝对式（图3）两类，这两种形式的编码器领创都有使用。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，通常为A相、B相、Z相输出，A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频，Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。这种多见于日系产品。或者发出正余弦信号，再对其进行斩波，实现多倍频。一般使用的编码器都是增量式的。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。典型的应用就是光栅尺。绝对式编码器的优点十分显著，每一个机械位置对应一个码，精确度较高，且无需确定参考原点，可实现全闭环控制。但是价格较高，特别是对于长距离的检测反馈性价比更低。图2增量式编码器图3绝对式编码器伺服驱动器（图4）是用来控制伺服电机的一种控制器，类似于变频器对普通交流马达。一般通过速度、位置、力矩三种方式控制伺服电机，实现闭环控制。图4驱动器传感技术的应用传感器是一种检测装置，它将外部感知的信号转化为可用信号，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器类似于人类的五官，有人将传感器的功能与人类的5大感觉器官相比较（光敏传感器相当于视觉，声敏传感器相当于听觉，气敏传感器相当于嗅觉，化学传感器相当于味觉，压敏、温敏传感器相当于触觉）。在激光设备上应用较多的是光敏传感器、温敏传感器；还有些智能传感器，它们是独立的智能单元，可以检测并智能分析外部信号。外部一些信号的读入，必须依靠传感器来实现。对于一些重要的信号，必须使用质量性能可靠的传感器。激光设备上主要应用的传感器有接近开关（图5）、机械式开关、光电开关等，主要的应用目的有轴参考点的检测，硬件限位的限制，工位的检测等，这些信号检测至关重要。参考点定位了原点，工位检测决定重复定位的精度，硬件限位事关安全。图5接近开关良好的人机交互系统随着触摸屏（图6）的快速发展，越来越多的激光设备开始将人机界面换成触摸屏的形式，可以说触摸屏即将成为客户体验不可缺少的一部分。工业触摸屏是代替传统的按钮和指示灯的智能终端。它可以用来显示参数、画面、监控状态、曲线等，表现力更强，使用也更加方便，使得人机界面更加简洁舒适。选择触摸屏时，屏的尺寸、色彩、分辨率、处理器速度、存储容量、通讯方式等都是需要考虑的重要因素。在设计触摸屏的时候要以用户为中心，以人为本，理清操作顺序，操作频率，重要性，色彩和谐，字体美观一致，操作区域一致，使得操作人员感到舒适。响应时间是用户非常直观和在意的一项重要指标，人机界面的响应时间太慢会使用户感觉到烦躁，影响使用的心情，从而影响工作的热情和人员操作准确性。不同进程的响应时间差别太大同样会使用户感到不舒服。另外，一些常用的命令方式最好是触摸与键盘并存，两种使用方式供用户选择。图6触摸屏不过触摸屏的维护也至关重要，维护不当会明显降低其使用寿命；但是总体来说，利大于弊。机器人在激光设备上的应用工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如焊接、涂装、机械加工和简单装配等。多轴机器人加工程序的自动生成是一个技术难点，目前有一些软件可以实现，不过大多价格昂贵。介于机器人大部分应用与重复工作的场合，一般只需要几个加工程序，用示教的方式就可以解决。汽车行业的良好发展一定程度上带动了工业机器人在激光设备上的应用。由于激光焊接速度快、深度大、变形小、自动化程度高、灵活性高，在高标准、高要求的汽车领域得到了越来越广泛的应用。如图7所示是领创与西北工业大学合作的激光焊接机器人。图7激光机器人配套的自动化设备在激光设备中，配套的自动化设备可以显著降低人力成本，提高生产效率。在人力成本逐渐爬高，时间越来越昂贵的当代社会，这些自动化设备逐渐成为终端客户的必选项目。交换工作台交换工作台是用于上料的自动化设备。在主机还在加工的同时，副工作台就可以进行上下料，主工作台处加工完毕后，可执行交换命令交换主副工作台，将上好料的工作台移到加工位进行加工。该设备可以有效地节约上下料所浪费的时间。如图8所示是领创生产的激光切割机的交换工作台。图8激光切割机自动上下料系统自动上下料系统（图9）是代替人工