激光切割機控制系統(tǒng)軟件的研究與開發(fā)

歐陽曉亮

（武漢法利萊切焊系統(tǒng)工程有限公司，湖北 武漢 430000）

在激光加工中，最早且經(jīng)常使用的加工方法為激光切割技術(shù)。相較于其他切割技術(shù)，激光切割技術(shù)的高適應(yīng)性、高精度及高速特點十分顯著。與此同時，激光切割技術(shù)還具有許多其他的優(yōu)點，如無噪聲、熱影響小、割縫細、切縫垂直度佳及方便自動化控制等?？汕懈疃喾N材料，如鋁、碳鋼、合金鋼以及復(fù)合材料、布、橡膠、石英和玻璃等。現(xiàn)如今，一些國際知名企業(yè)已研發(fā)了具有大功率、高速、數(shù)控自動化及多維立體等特點的激光切割機，所用的控制系統(tǒng)也不盡相同。而中國自主研發(fā)制造的激光切割機多為中低端產(chǎn)品，在切縫、表面、精度、穩(wěn)定性及柔性方面與國外產(chǎn)品相比，存在較大差距，其控制系統(tǒng)大多也直接采用國外的機床控制系統(tǒng)。為此，下文從激光切割控制系統(tǒng)的軟件方面，展開了論述。

1 概述運動控制技術(shù)

現(xiàn)階段，運動控制技術(shù)在國際上十分流行，它的原型為電力拖動技術(shù)，該技術(shù)基于復(fù)雜條件，將控制規(guī)劃、指令及方案轉(zhuǎn)化為機械運動。運動控制技術(shù)也可以說是基于可控制力，使機電系統(tǒng)實現(xiàn)運動。這種機電系統(tǒng)可以采用電氣、液壓及氣動等驅(qū)動形式。在運動控制系統(tǒng)中，不僅能夠準確控制機械設(shè)備運動的區(qū)域、速度、加速度以及轉(zhuǎn)矩或作用力，而且還能夠綜合控制這些被控量?，F(xiàn)階段，運動控制技術(shù)已成為基于自動控制與現(xiàn)代控制理論的涉及多個學(xué)科的技術(shù)，如電機、電力電子、微電子、傳感器和微計算機等。目前，微計算機、集成電路和CAM 技術(shù)等正在快速進步，運動控制技術(shù)隨之也在不斷革新和完善，現(xiàn)已十分廣泛地應(yīng)用在軍事、工業(yè)生產(chǎn)和生活等各個領(lǐng)域。

2 介紹激光切割機控制系統(tǒng)軟件的組成

在一個系統(tǒng)中，所用的軟件十分關(guān)鍵，實現(xiàn)了對

硬件的工作流程、用戶輸入以及系統(tǒng)運行監(jiān)控等的管理。結(jié)合激光切割機控制系統(tǒng)的功能要求，將控制系統(tǒng)的軟件劃分為以下幾個部分：

2.1 解析、提取Gerber中存儲的數(shù)據(jù)

控制系統(tǒng)的該部分軟件主要用于對Gerber文件實施解析，并將實體與層信息提取出來。而實體一般包括文字、多邊形、直線、多線和圓弧等，其相關(guān)信息還包括線寬、類型、顏色和坐標點等。在規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，放置所提取的信息，方便以后顯示與加工圖形化指令的生成。

2.2 動態(tài)顯示

動態(tài)顯示軟件具有如下功能：①處理Gerber中的數(shù)據(jù)，并以圖形化的形式進行顯示。②通過分層顯示法，實現(xiàn)對Gerber中不同實體層的顯示，并利用各種顏色分別標識這些層。③完成的Gerber文件信息的圖形化后，用戶利用鼠標來選取加工層與該層的交互軌跡。同時用戶還可以提取出外、內(nèi)輪廓或中心線。④利用圖形可以將加工流程動態(tài)顯示出來，且顯示的顏色與待加工軌跡的顏色不同。⑤定位外邊框。在輸出切割前，通過該定位功能，利用兩維線性馬達，根據(jù)圖形中最外邊點形成的矩形，以一定的激光功率，快速掃描邊界，以便保證工件位于加工范圍。若不在加工范圍，則必須采取人工調(diào)整的方式，而且該激光功率不會切割或損害加工工件。

2.3 運動控制軟件

根據(jù)提取的加工信息，設(shè)置加工參數(shù)后，便可以通過運動控制軟件來實施切割。其功能如下：實現(xiàn)多種運動，比如手動、直線、機床的回零、步進以及圓弧的插補、單段與連續(xù)軌跡等。通過運動控制軟件，還可以完成下列工作：①振鏡和工作臺進行協(xié)調(diào)運動，在本系統(tǒng)中，通過振鏡和工作臺運動的結(jié)合，可以進行高效率、大范圍的加工，但需要控制好振鏡和工作臺之間的協(xié)調(diào)性。②協(xié)調(diào)控制激光、振鏡及工作臺，通過一定的運動或延時激光開關(guān)，才能確保不會出現(xiàn)欠切或過切工件的現(xiàn)象。③在加工中，需要顯示系統(tǒng)的運動狀態(tài)，如開關(guān)狀態(tài)及軸運動等。④該激光切割系統(tǒng)切割精度的提高問題，也是本軟件部分需要進行解決的問題。

3 分析運動控制系統(tǒng)的具體功能

某企業(yè)開發(fā)、制造的一種激光振鏡控制器，可以實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運動控制等。它的核心組成部分是數(shù)字信號處理器以及現(xiàn)場可編程門陣列，能夠完成精確度高的控制計算。

這種激光振鏡控制器的主機部分是IBM-PC和其兼容機，并提供外部設(shè)備標準的互連總線產(chǎn)品。而且這種運動控制器中還有Windows動態(tài)鏈接庫，具有十分復(fù)雜的控制功能。用戶可以集成函數(shù)和控制系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的處理、接口以及顯示等模塊，并建立能滿足特定要求的優(yōu)質(zhì)控制系統(tǒng)，以便與應(yīng)用領(lǐng)域的各種要求相符。

在這種系統(tǒng)中，運動控制器具有的功能如下：①通過兩軸聯(lián)動，兩個軸可以采用振鏡軸或工作臺電機控制，還可將其中一軸采用工作臺電機控制、剩下一軸采用振鏡控制。具體功能有單段軌跡運動以及多段軌跡連續(xù)運動，能進行速度預(yù)處理。②使用高速的輸入/輸出激光控制，并可進行改變激光狀態(tài)的延時處理，有機結(jié)合激光控制和運動控制。激光能量的輸出方式有頻率、脈寬調(diào)制和模擬電壓。控制激光能量的模式有跟隨能量、輸出時序邏輯以及相關(guān)位置的控制。③實現(xiàn)對控制器運動狀態(tài)的監(jiān)控，并獲得控制對象的狀態(tài)，比如激光、振鏡以及工作臺等。

4 開發(fā)設(shè)計運動控制系統(tǒng)的各種軟件結(jié)構(gòu)

4.1 運動控制

運動控制器具有控制雙振鏡運動或兩軸工作臺的功能，在工作臺與振鏡的運動控制中，完成輸出軸的轉(zhuǎn)換。該軟件系統(tǒng)的運動功能如下：X、Y軸的單獨或同時回零，即為工作臺的回零；運動在各種坐標系間實施轉(zhuǎn)換；在相對及絕對坐標中，工作臺實現(xiàn)圓弧以及單段直線軌跡的運動形式；適當調(diào)整振鏡，實現(xiàn)坐標值運動方式；振鏡與工作臺實現(xiàn)多軌跡的連續(xù)性運動等。

4.2 顯示

顯示狀態(tài)包括：激光光點和機床坐標位置；所用激光功率；振鏡進行偏轉(zhuǎn)的角度；具體的工作軸運動狀態(tài)，比如有沒有進行伺服報警、有沒有捕獲到回零信號、有沒有觸發(fā)正負限位以及有沒有完成軸運動等。

4.3 激光控制

激光的開/關(guān)以及延時控制便為激光控制。應(yīng)選擇合理的激光能量的控制模式以及輸出方式，還應(yīng)設(shè)置好有關(guān)參數(shù)。

4.4 定位及加工校正模塊

在本控制系統(tǒng)中，利用CCD攝像機，實施自動定位和自動校正變形的指令。

利用圖像處理模塊，有效處理所獲工件標記孔的各種圖像信息，同時將所有標記孔的位置數(shù)據(jù)信息全部提取出來，不僅可以用作自動定位，而且還可以用于測量柔性印刷電路板的變形情況，所以在處理前，必須標定好攝像機的參數(shù)。

在不改變工作臺到攝像機像平面距離的基礎(chǔ)上，不改變圖像坐標系中所用的分辨率，僅需完成對相機分辨率參數(shù)的標定，在進行分辨率參數(shù)的標定時，可采用標準的圓孔器件。

4.5 失真補償

在激光振鏡切割系統(tǒng)中，通過控制振鏡切割，如果雙振鏡系統(tǒng)出現(xiàn)掃描畸變，則會降低切割精度，因此必須對該掃描系統(tǒng)產(chǎn)生的掃描圖形進行失真補償。

總之，在運動控制系統(tǒng)中，首先，將CCD攝像機放到工件標記孔的上面，拍攝圖像，并通過USB口，將圖像傳給計算機，再由圖像處理模塊，處理該圖像，并得出相關(guān)孔圓心點的坐標值。接著將該坐標變換為機床所用坐標系下的坐標，接著通過射影變換模塊，求出在工件和機床這兩種坐標中，點坐標的具體映射關(guān)系，接著對計算機發(fā)出的運動指令，實施這種射影變換，以便實現(xiàn)自動定位工件以及校正加工指令。這種振鏡運動指令，在實施射影變換前，還必須通過振鏡掃描來完成模塊的補償。

5 結(jié)語

綜上所述，激光切割機控制系統(tǒng)是集光、機、電于一體的系統(tǒng)，涉及多個知識領(lǐng)域：光學(xué)、圖像處理、機械以及自動化等。目前，先進的自動化技術(shù)正在快速發(fā)展，推進了機床控制的自動化發(fā)展，而激光切割機也會朝著數(shù)控化的方向發(fā)展，而且其應(yīng)用范圍也會越來越廣泛。文中研究與開發(fā)的激光切割機所使用的控制系統(tǒng)軟件，基于激光運動控制器，實現(xiàn)了激光掃描的高速切割，值得推廣應(yīng)用。