YAG固体激光加工机床控制系统设计.pdf

2 0 1 0年 l 2月 第 3 8卷 第 2 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS De c ． 2 Ol 0 Vo I ． 3 8 No ． 2 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 4 ． 0 2 9 Y A G固体激光加工机床控制 系统设计 余纬，李尚政 ，张 日升 中国工程物理研 究院机械制造工艺研 究所，四川绵阳 6 2 1 9 0 0 摘要 激光切割和焊接具有很多不同于普通切削加工的功能，与安全和产品质量息息相关。着重阐述实现这些特殊功 能的方式，介绍激光加1 二 机床控制系统的构建 、主要功能部件的控制原理、程序的设计方法和流程。这种控制模式也适用 类似激光加工机床 。 关键词 激光 ；焦点 ；跟踪 ；切割 ；焊接 中图分类号 T P 2 7 3 ；U 2 6 1 ． 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 4 0 8 3 3 De s i g n o f Co nt r o l S y s t e m f o r t he YAG So l i d La s e r M a c hi ne To o l YU W e i ， LI S ha n g z h e n g， ZHANG Ri s h e n g C h i n a A c a d e m y o f E n g i n e e r i n g P h y s i c s ，Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 9 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t L a s e r c u t t i n g a n d we l d h a v e ma n y f u n c t i o n s t h a t d i ff e r f r o m t h e c o mmo n ma c h i n e wo r k，v i t a l l y r e l a t e d wi t h s a f e t y a n d t h e p r o d u c t q u a l i t y ． T h e r e a l i z a t i o n mo d e s o f t h e s e s p e c i a l f u n c t i o n s w e r e e l a b o r a t e d ． T h e s t r u c t u r e o f t h e e o n t r o 1 s y s t e m ， c o n t r o l p r i n c i p l e s o f ma i n f u n c t i o n a l p a r t s ，d e s i g n me t h o d a n d f l o w o f t h e p r o c e d u r e we r e i n t r o d u c e d ． T h i s k i n d o f c o n t r o l mo d e i s a l s o s u i t - a bl e f o r s i mi l a r l a s e r ma c h i n e t oo 1 ． Ke ywor d s La s e r ； Fo c u s； Tr a c k； Cut t i ng； W e l d 随着工业激光器技术的不断发展，Y A G固体激 光器因具有寿命长、泵浦效率高等诸多优点 ，开始得 到广泛的应用，但通常用于小功率场合。针对千瓦级 大功 率固体 激光进 口机床价格高 昂 、在 国内还是空 白 的局面，作者对 Y A G固体激光机床 的结构、控制方 式 、加工工艺及外 围辅 助系统进行系统 的研究 ，开发 C L W． 1 0 0 0型 Y A G固体激光加工机 床。 1 Y A G激光加工机床的结构及控制 系统应具备的 功能 1 ． 1 结 构特 点 C L W一 1 0 0 0型 r A G固体激光加工机床采用铣式工 作台移动式加工机 ，为全封 闭式悬臂 固定结 构 ，主要 用 于金属零件的焊接 ，兼顾切割功 能。 基础件 由床身底座 、立柱 、悬臂构成 。床 身底座 为通用 十字滑 台 ，形成机 床 的 、Y坐标 轴 ，上 面 支 承矩形工 作台和转台 ，转 台为 A旋转轴 ，因切割需要 配有拆卸式针板 工作 台 ；悬 臂上设置一条垂直方 向的 导轨 ，支承着滑座在垂 直方向的运动 ，滑座上安装激 光切割头或焊接 头 ，可灵 活更 换 ；激光器控制 系统外 置 ，其定置在立柱上 ；另配备 有氮气 、氧气 、压缩空 气气路和排烟 除尘设备 。 1 ． 2控 制 系统应 具备 的 功能 激光加工机床作为一种有别于通用数控切削机床 的特种设备，没有切削力 ，定位精度相对要求不高， 但极限切割速度快，对加减速等动态性能要求较高， 基本符合轻载高速的特点，除了对各坐标轴进行伺服 控制以外，还要对激光器、气路等功能部件和外部设 备进行控制，因此对控制系统的要求除应具备通用数 控机床 4轴 插 补 、路 径 图形 模拟 、回零 点 、行 程 限 位 、报警显示等各种基本功能以外 ，还要具备第二增 益切换 、激光焦点 自动跟踪、激光器输 出功率调节、 选择激光输出波形 、选择脉冲组 、切割和焊接气体的 气路控制及监测、激光器控制、切割回退、O E M屏 幕定制等激光加工 的一些特有功能 。 2控制系统的构建 2 ． 1 数控 系统的选择及配置 作为激光加工机数控系统选型 的主要依据 ，作者 对国内外激光加工机床厂家同档次配置的数控系统的 主要功能、报价、产品可靠性、技术服务、市场认同 等方面进行综合考量。由于激光切割和焊接气路需要 多路模拟量输入 和输 出控 制 ，而 F A G O R 8 0 5 5系统是 西班牙发格公司开发的中高档数控系统，对 C N C变 量 、C N C参数 、P L C变量 、P L C参数 、用户个性 化屏 幕显示 等具 有非 常强的开放性 ，极方 便进行 N C程 序 和 P L C程序双向的实时读写修改，非常便于进行二 次开发 ，独有其他 厂家数 控系统 不具备 的多次切割回 退功能 ，价格相对其他主流数控系统更为低廉。综合 这些 比较结果 ，作者采用 了 F A G O R 8 0 5 5系统作 为激 收稿 日期 2 0 0 91 1 0 2 作者简介 余纬 1 9 6 8 一 ，男 ，高级工程师 ，研究方 向为数控技术 。电话 0 8 1 62 4 9 5 4 8 3 ，E m a i l y w _ 9 6 0 8 1 6 3 ． e o m。 8 4 机床与液压 第 3 8卷 光加工机床 的控制核心。 在配置上 ，F A G O R 8 0 5 5系统完全具 备 了前 述的 功能 ，因为要求具备多次 回退切割功能 ，最终选择 了 8 0 5 5 M A系统 ，含机床操作 面板 的 1 1 ” 液 晶彩显 和手 持单元 。根据各轴所需转矩 、速度及惯量不 同，配置 4 个坐标轴 的 A X D驱 动模块 和 F X M 交 流伺服 电机 ， 采用 S E R C O S通讯标准光纤数字传输 ；将激光器等 同 功率 ；因为 P L C所需 I ／ O点数量超出标准配置 的 4 0 ／ 2 4点 ，把 I ／ O点扩展 为 1 0 4 ／ 5 6点 。 2 ． 2 系统 的硬件 连接 整个控 制 系统 主 要 包 括 作 为 机 床 控 制 核 心 的 F A G O R 8 0 5 5 M ． A系统主机 、各 坐标轴 的伺 服驱动 系 统 、激光器 系统 、焊接和切割气路 系统 、激光焦点 自 动跟踪 系统 、空气净化 、冷却及照 明系统等 。控制系 于主轴控制，利用主轴速度很方便调节激光器的输出 统的硬件组成及连接见图 1 所示。 显 示 器 ] I 机 床操 作面 板 CPU板一 l r ] 闪存卡 一 U U 一 激光 系统 控制 伺 服系 气 路控 制 其他 辅助 焦 点跟 踪 E RCOS 接 口 ] 统 控 制 设 备 控 制 系 统 控 制 口 ] ／＼ R2 32C 一 ] ’ ／J7 单相电源 l I 通讯控制器 l 瀚 纂 激光 功率 设定 电源 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ A 。 甲 信号 输 入 模 块 。 l l l l I ， l L l ， 三 相 电 源 I 前 置 放 大 及 信 号 转 换 I 1 ⋯ 一 l非 接 触 式 传 感 器 单 元 』 图 1 控制系统硬件组成及 连接示意 图 3 主要子系统的控制原理及接 口 坐标轴伺服系统均采用半闭环控制 ，3个直线轴 采用伺服电机 与丝杠直联方式 ，旋转轴采用伺 服电机 配数控转台 ，由 N C主机通 过 S E R C O S通讯标 准光缆 与伺服 系 统 构 成 闭 环 控 制 ，速 度 和 位 置 指 令 通 过 S E R C O S 光缆传送到各轴驱 动模块 ，同时驱动模 块运 行状态 、过流 、过压 、转矩超限 、编码器断线等信息 也通过 S E R C O S 光缆反馈给 N C单元，由内置 P L C监 控伺服 电源模块和各轴模块 的准备就 绪 、启动禁 止 、 速度使能及脉冲使能等信号 。根据激光加工要求动态 响应快 ，手动和 自动程序加工分别施加不 同的环路增 益。 激光器 系统是 机床 的 主要功能部件 ，其 相对独 立 ，具 有 自己 的控 制 器 ， 能够控制 和监测激光 器系 统的开 关 机 流程 及 状 态 ， N C主机 通 过通 讯 控 制 器 与激光器系统 进行数据 交 换 。激光器 与 N C主 机 的 接 口见图 2所示。 激光焦 点 自动跟 踪 系 CN C 数 字 输 通 出 讯 激 p LC 口 控 光 制 器 数 器 字 输 入 口 图 2 激光器与 N C主 机 的接 口示意图 统采用非接触式 电容传感器测量 单元 ，通过实时测量 切割头管 E l 与工件表面距离，再转换为电信号，依此 控制 轴的运动方向和速度，实现激光焦点 自动跟踪 的 目的。 气路系统分为焊接气路 和切割气路 ，为了方便调 节气体压力 ，基于焊接 、切割工艺要求和操作便利 的 考虑 ，分别设计有手动调节和程序调节方式。程序调 节方式 由 P L C通 过 比例 阀控制 气体 压力 ，不 同气 体 之间的切换 及气 路压 力报警 也 由 P L C完 成 。为 了在 O E M屏幕上显示当前气路压力、流量值，采用 N C主 机采集相应气路传感器数值的方法解决。 4程序 开发 4 ． 1 P L C程序 开发 在开发 P L C控制 程 序时 ，使 用语 句表 编程 。为 使 P L C程序具 有较 好 的条理 性 、可读 性 ，根 据功 能 分类将整个 P L C程序划分为初始化循环、主程序和 1 6个子程序块。P L C控制程序结构图见图3 。 在初始化 循 环 中，对 所 有 M 标 志位 、输 出 点 、 寄存器、计数器等先进行清零处理。在主程序中对 1 6个子程序块 进行 条件 调用 ，依据 各子 程序功 能对 机床安全运行的关键程度 ，优先调用有关急停、限位 和运动判断条件的子程序块。在完成主要功能的子程 第 2 4期 余纬 等 Y A G固体激光加工机床控制系统设计 8 5 程 序开 始 二 初 始化 循 环 二 主程 序 结 束 图3 P L C控制程序结构图 序中，急停子程序完成 C N C和外部 电路 的急停响应 及应答；伺服驱动子程序完成各轴使能、制动的时序 控制 ；零点搜索及轴 限位子 程序完成 回零点 和限位 逻 辑控制 ；程序重启及 回退子 程序 完成程序重启 、回退 前后的气路控制 ；焦点 自动 跟踪子程序完成切割过 程 的焦 点测量和 自动调整 ；激光器控 制子程序完成激光 器出光全过程的逻辑控制和状态监视。激光器控制子 程序 流程图见图 4 。 图4 激光器控制子程序流程图 4 ． 2 O E M 屏 幕 定制 鉴于激光器控制 系统单 立一边 ，其显示器与 机床 操作 台相 隔较 远 ，不 方 便操 作 者设 定 和 观察 出光 模 式 、脉冲组号 、激 光功 率 、气 压 、流 量等工 艺 要素 ， 为此专门定制 了 O E M屏 幕，通过设 置配置文件与 P L C程序的对应变量相关联，经量值 、单位转换后 ， 再利用 F A G O R软件生成 O E M屏幕 ，对不同物理量 分别采用红 绿灯 、数值 和进度条显示 ，最终形 成 了布 局合理 、清 晰美 观的 O E M屏幕 。 5结语 该机床控 制系统开发完成后 ，激光加工 的各项功 能齐备 ，操作简便 ，控制系统运行稳定可靠。 通过这 次控 制系统的开发 ，使一般通用于车铣加 工的数控系统 与激 光器 、焦点 自动跟踪 、气路调节及 切换等子系统相结合，一起构成了能够适合于激光加 工的柔性控制 系统 。这种 控制模 式也能够适用于类似 激光加工机床 。 参考文献 【 1 】机电一体化技术 手册编委会． 机电一 体化技 术手册 [ M] ． 2版． 北京 机 械工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 【 2 】周明． 现场总线控制[ M] ． 北京 中国电力出版社 ， 2 0 0 2 ． 我国中高端数控机床前景向好 今年 1 1 0月，我国金属切削机床产量累计增速 为3 2 ． 5 9 ％，其中数控金属切削机床的累计产量增速 更是高达 6 6 ． 8 5 ％。汽车行业、工程机械等下游行业 的高景气度带动机床行业 的需求 。机 床各 品种 的增速 呈现结构性分化特征。加工中心、车床等产品的需求 快速增长 ，而重型机床 的需求 出现下滑 。 中高端数控机床前景来 自进口替代与市场需求增 长。我国进口机床以加工 中心、磨床、车削中心等高 档机床产 品为 主，这 三类 产 品合计 占进 口比例的 6 6 ． 2 ％。目前我国大部分高档数控机床依赖进口的局 面仍未打破，高档数控机床占据国内大约 8 5 ％的市场 份额。 我国数控机床产量保持快速增长趋势，数控机床 在金属加工机床总量中的比重逐年上升。机床的数控 化率逐年提高，产量数控化率从 2 0 0 1年的 9 ． 1 2 ％上 升 为 2 0 0 8年 的 1 9 ． 7 9 ％ ，同 时 产 值 数 控 化 率 也 从 3 7 ． 8 ％提高到 4 8 ． 6 ％。 在我国产业结构升级与劳动力成本逐步上升的背 景下，工业化后期阶段机械设备在投资 中的比重上 升、机器替代人工等因素，将会增加机床等机械设备 的需求 ，我国工业化进程 中机床 需求量 的增加和 产品 档次的提升是机床行业发展的长期趋势。 汽车 、工程机械等行业 在 2 0 1 0年较 高 的基 数上 ， 2 0 1 1 年 的增速将放缓 ，从 而使机床行业 的整体增速 降 低 ，但行业仍将在景气上升周期运行。国家科技重大 专项与下游产业升级将拉动机床行业的产品结构升 级，中高端数控机床的增速将高于行业平均增速。 “ 十二 五” 期间 ，我 国机床 产业 发展将 出现 重大 的趋势性变化 。国 内消费需 求 的不 断增长 ，为机 床制 造业展开 了一个广阔市场 ，提供 了发展 机遇 同时也提 出了挑战。目前，我国机床产业技术水平多为中低 档， “ 十二五”规划要求机床产业必须要高端发展， 以科技创新为手段 ，向现代化和高端化方向前进。因 此 ，“ 走低碳环保之路”成为机床产业发展规划重点； 兼并优化重组成为机床企业提高核心竞争力的手段。 一一一一一一一一～一一一一一一