三维激光切割在机械加工机床中的集成研究.pdf

室题特种加工拄术_ 一。 三维激光切 割在机械 加工机床 中的集成研究 孙 晓 蒋 明 陈 聪 高 明 曾晓雁 华中科技大学武汉光电国家实验室， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 摘 要研究了如何在机械加工的五轴机床中集成三维激光切割功能， 并开发 了三维激光切割控制软件。 围绕该 8 4 0 D s l 数控 系统进行三维激光切割 系统硬件集成设计 以实现激光切割过程中各加工控制 部件 自动化控制 ； 并针对三维激光切割系统硬件结构 。 控制软件进行模块化设计 。 包括离线编程模 块、 J j D - r 控制模块设计 以及激光切割工艺数据库等 3大模块。通过在五轴龙门机床上调试验证 。 该 控制软件能够很好实现三维激光切割控制功能。该研究将激光切割功能集成在传统机械加工机床 中， 这将提高机床的利用效率 。 同时简化工件装夹流程 ， 提高加工效率。该研究对机械加工机床功 能扩展有较大的参考价值 。 关键词 复合J j - r 机床 ； 三维激光切割； 8 4 0 Ds l 数控系统 ； 激光切割工艺 AP I 中图分 类号 T P 2 7 文献 标识 码 B Re s e a r c h o n t h e 3 D l a s e r c u t t i n g i n t e g r a t e d i n ma c h i n e t o o l S UN X i a o ，J I AN G Mi n g ，C HEN Co n g，GA O Mi n g ，Z EN G Xi a o y a n Wu h a n N a t i o n a l L a b o r a t o r y f o r O p t o e l e c t r o n i c s ， Hu a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4， C HN Ab s t r a c t Th e t h r e ed i me n s i o na l l a s e r c u t t i n g i n t e g r a t e d i n fiv ea x i s ma c h i n e t o o l f o r me c h a n i c a l p r o c e s s i n g i s r e s e a r c he d i n t h i s p a pe r ， wh i c h ma k e s u p t h e c o mp o s i t e p r o c e s s i n g e q u i p me n t wi t h hi g h l y i n t e g r a t e d f u n c t i o n s ．Th e l a s e r c u t t i n g s y s t e m i s i n t e g r a t e d wi t h 8 4 0Ds l CNC s y s t e m a s t h e c e n t e r t o r e a l i z e t h e a n t o ma t i o n c o n t r o l o f t h e p r o c e s s i n g u n i t s i n t h e 3 D l a s e r c u t t i n g p r o c e s s ．I n c o n n e c t i o n wi t h t h e 3 D l a s e r c u t t i ng s y s t e m h a r d wa r e s t r u c t u r e，t h e c o n t r o l s o f t wa r e i s d e s i g n e d i n t h e mo d u l a r i z a t i o n，i n c l ud i n g t h e 0 f fl i n e p r o g r a mmi n g mo d u l e．t h e pr o c e s s i n g u n i t c o n t r o l mo d u l e．t h e l a s e r c u t t i n g p a r a me t e r d a t a b a s e mo d u l e ．T h e c o n t r o l s o f t wa r e h a s b e e n v e r i fi e d b y t e s t s i n t h e 8 4 0 Ds l N C ma c h i n e a t S h e n y a n g Z O J E， a c hi e v i n g t h e f u n c t i o n o f 3 D l a s e r c ut t i n g pr o c e s s i n g c o n t r o l we l 1 ．T hi s r e s e a r c h c a n i n t e g r a t e l a s e r c u t t i n g i n t r a d i t i o n d ma c h i ne t o o l s whi c h c a n i mp r o v e t h e ma c h i n i n g e ffi c i e n c y o f u t i l i z a t i o n e f f e c t i v e l y，a n d s i mp l i f y t h e wo r k p i e c e c l a mpi n g pr o c e s s ，t h u s i mp r o v e t h e ma c h i n i n g p r e c i s i o n o f wo r k p i e c e．Th e r e - s e a r c h a l s o h a s g r e a t r e f e r e n c e v a l u e f o r t he ma c hi ne t o o l f un c t i o n i mpr o v e me n t ． Ke ywo r d sc o mp o s i t ema c hi n i n g ma c hi ne t o o l ；3 D l a s e r c u t t i n g；8 4 0Ds l CNC s y s t e m ；l a s e r c u t t i n g AP I 随着激光加工技术 与装备制造业的不断发展 ， 激 光切割已经广泛应用于航空航天 、 汽车制造 、 钣金加工 等重点行业 。三维激光切割技术代表着激光加工技术 的一个发展前沿方向， 也逐渐受到广泛关注 ， 三维激光 切割最大的特点就是柔性高 ， 适合三维钣金材料 的切 割 ， 在实际生产 中， 三维激光切割 能够 明显提 高产 品质量和生产 效率 ， 缩短产 品开发周期 ， 降低劳 动强 度 ， 节约原材料。因此 ， 如何能够在传统机械加工机床 中便捷地加入激光加工功能 ， 形成高集成化的机 械与 “ 高档数控机床与基础制造 装备” 科技重大专项 2 0 1 3 Z X 0 4 0 0 1 1 0 1 砉 錾 I i ￡u l0 平 弗 删 激光复合加工设备 ， 这在 当前加工技术研究 中是非常 有意义的。 目前三维激光切割技术研究在硬件方面 ， 三维激 光加工装备朝高精度 、 高速度 、 高柔性 、 高集成化等方 向发展 ； 在软件方面， 如何缩短编程和示教时间 、 建立 激光切割工艺数据库等也是必不可少的 J ， 同时 由于 三维五轴激光切割数控系统可选范 围小 ， 如何基于数 控系统进行面向激光切割工艺 A P I 应用程序 函数接 口 的二次开发也是控制软件设计 中的一个难点 - 4 ] 。 本文将主要介绍在沈 阳中捷机床厂的五轴龙门机 床 G M C 3 5 8 0 u上如何实现三维激光切割功能， 主要包括 三维激光切割系统硬件集成 、 激光切割控制软件设计。 1 三维激光切 割系统硬件 集成 在硬件集成中， 我们设计了可拆卸 的两坐标激光 切割头机械结构 ， 可 以在机床 中实现激光切割头和机 械加工装置的快速更换 。光纤激光器产生高功率密度 的激光直接通过光纤进入激光切割头 ， 不用对原有的 机床结构进行任何改造 ， 具有较高 的灵活性 。三维激 光切割装备 围绕五轴机 床原有西门子 8 4 0 D s l 数控 系 统来进行集成设计 ， 充分利用 8 4 0 D s l 提供的各种硬件 接 口来实现激光切割的整体控制功能 J 。 如图 1所示， 工控机 P C上 的激光切 割控制软件 通过以太网接 口与 8 4 0 D s l 数控系统进行人机交互 ， 实 现激光切割 N C零件程序传递 、 加工部件控制 以及加 工状态检测 ； 同时当激光切割控制软件离线编程得到 的激光切割工件程序导人 N C U中以后 ， 在数控系统的 P C U中也可选择执行激光切割 N C工件程 序 ， 并通过 工艺数据库选择 、 设置所需 的切割工艺参数， 直接实现 整个激光切 割加 工过程。8 4 0 D s l 数控系统 与各加 工 控制 部件通过相 应硬件接 口相连接 通过 D R I V E C L i Q接 口连接高功率驱动系统 S I N A MI C 1 2 0控制五 轴机床 X Y Z A C 运动 ， 通过 s 73 0 0 P L C进行 I ／ O口 扩展来实现激光切割头整体控制 、 激光器初 始化控制 以及激光切割时冷却气和保护气开关控制 ， 同时利用 N C U中的高速模拟量输 出模块控制激光器 出光功率 的快速调节 ， 利用 N C U中高速 I ／ O模块控制激光出关 光的快速调节 ， 从而实现三维激光切割 的工艺参数调 节 要求 。 同时添加加工辅助设备 位移传感 器、 数字摄像 图1三维激光切割系统硬件结构图 机等 用于校正误差 、 实时监测加工过程 ； 提高加工精 度 ， 开展多轴激光加工系统误差及加工速度影响因素 研究 ， 建立综合系统误差模型及评估方法 ， 同时研究设 计 出实用的加工误差环节诊断技术方案以及实际工件 尺寸与三维设计图形存在失真条件下激光加工的误差 矫正技术方案。 2 三维激光切割控制软件功能 结合三维激光切割 系统集 成及项 目软件开 发需 求 ， 控制软件主要有 3大功能模块组成 ， 如图 2所示 ， 分别是离线编程模块 、 加工控制模块 以及工艺数据库 模块 。 图2 三维激光切 割控制软件功能示意图 其 中由离线编程模块和加工控制模块组成的激光 切割控制软件运行在工控机 P C上 ， 而工艺数据库模 块 以 O E M 的形式嵌入 P C U的 HMI 软件 中。 在离线编程模块中， 首先实现三维工件建模 ， 加工 工件 C A D模型的导入 ， 对激光切割路径原始数据的处 理 ； 然后根据工件切割路径特点 ， 优化切割路径 ， 选 择 最优化 的加工方法 ， 实现可视化路径编辑 ； 之后模拟仿 真激光加工整体流程 ， 来观察检测加工过程 中是否存 在碰撞等情况 ； 最后生成用于加工的数控代码。 在加工控制模块 中， 结合 8 4 0 D s l 数控系统的基于 c的二次开发 ， 设计 了用 于本项 目加工系统的激 光切割工艺 A P I 接下来将在第三章中详细介绍 。该 A P I 可用于设置激光切割工艺参数 切割速度 、 激光功 率 、 切割头至工件表面距离等 ， 并将离线编程模块 中 生成的 N C工件程序导人数控系统 N C U中， 然后执行 该 N C工件程序实现整个激光切割过程的控制 。同时 该 A P I 中也可实现直接单独对激光切割各加工部件控 制 ， 其 中包括五轴机床运动控制 、 激光器出光及功率控 制以及激光切割头控制。该加工控制模块设计结合较 t u 1 0 平 I 删 为成熟 的基于 c十开发 的离线编程技术 ， 有效地缩 短了项 目软件开发周期 ， 也方便激光切割系统装备整 体调试 。 在工艺数据库模块 中 ， 针对不同的加工材质厚度 和加工工 艺要 求 ， 建 立 激 光加 工 工 艺数 据 库 ， 采用 S Q L i t e小型数据库作为工艺参数存储数据源 ， 实现工 艺数据保存 、 添加、 删除、 修改、 查询等功能。同时， 工 艺数据库与加工参数设置相关联 ， 这样利用含 R参数 的 N C工件程序 ， 可 以实现对 同一切割路径 ， 一个 N C 工件程序可用于不同工艺参数组合的激光切割加工 ， 这为加工装备整体调试 以及后期三维激光切割工艺研 究提供便捷 的操作方式 。 3三维激光切 割控 制软件设计 控制软件设计架构如 图 3所示 ； 该部分主要介绍 与数控系统相关的三维激光切割控制模块以及激光切 割工艺数据库设计 。 3 ． 1 三维激光切割控制模块设计 在本次控制软件设计 中， 由于西 门子 8 4 0 D s l 数控 系统没有提供可直接应用于激光加工工艺的CA P 1 接口， 因此需要对 8 4 0 D s l 数控系统进行二次开发， 设计 适用于本项 目选用加工部件的激光切割工艺 A P I 。 图3 三维激光切 割控制软件运行 架构 西门子数控系统提供 了多种人机界面二次开发的 方法 J ， 可 由用户根据项 目开发需要进行选择。在本 次设计中选用 了 O p e r a t o r P r o g r a m mi n g P a c k a g e开发方 式对 8 4 0 D s l 数控系统进行二次开发。该开发方式 中。 8 4 0 D s l 数控系统提供 了基于 C开发的底层通讯接 15类 J ， 可直接访问数控系统底层硬件 ， 其 中包含读 写 N C系统变量 如 R参数 ， P L C内部数据块等 、 直接 访 问 N C、 P L C中数字量和模 拟量输入输 出 以及执行 N C加工程序 ； 同时支持数据库访问， 便于进行数据交 互 ， 用于加工过程 中实时的状态监测 ， 该方法完全满足 项 目激光切割工艺 A P I 的设计需求 。 利用 O p e r a t o r P r o g r a m m i n g P a c k a g e提供 的底层通 讯接 口类 ， 设计开发三维 激光切割工艺 A P I 接 口。该 鱼 u10 年 第 l 朋 A P I 接 口直接应用于三维激光切割控制软件 的加工部 件控制模块 中， 利用 s 7 3 0 0 P L C中 I ／ O来进行激光 器 、 激光切割头、 辅助气 、 冷却气等激光切割控制部件 初始化控制 ， 利用 N C系统变量 R参数设置并 存储激 光切割工艺参数 如激光功率 、 切割速度 、 喷嘴与工件 表面距离等 ， 然后启动 N C工件程序 ， 并在加工过程 中对激光切割控制部件运行状态进行检测 ； 在切割过 程中， N C U通过执行 N C工件程序来控制五轴机床末 端激光切割头 运动 、 激光器 开关光及 出光功率 ， P C U 与工控平 台 P C进行 实时的状 态监测 如机床实时位 置 、 激光功率 、 切 割头碰撞 检测等 ， 实现整体激 光切 割加工流程 。 以下介绍基于 8 4 0 D s l 底层通讯接 口类开 发的激 光切割工艺 A P I 接 口。先介绍下面用到的几个 8 4 0 D s l 底层通讯接 口类 3 ． 1 ． 1 S 1 D a t a S v c 类 数控系统 中 N C和 P L C里面的数据访问都是通过 S 1 D a t a S v c对象来实现 的。控制设计用到 的系统 变量 主要包括 R参数 、 N C U中高速模 拟量及数字量输 出、 P L C数字量输入输出。 ‘ 3 ． 1 ． 2 S 1 P i S v c类 在控制软件与 N C U通讯时 ， 可用 P i S e r v i c e 类对象 来启动执行 N C工件程序 。 3 ． 1 ． 3 S 1 F i l e S v c 类 利用 S 1 F i l e S v c对象可实现对文件和 目录的操作 。 本次设计 中主要利用其选择要执行的工件程序并导人 N C U中 。 基于上述 8 4 0 D s l 二次开发 中提供 的底层 通讯接 口类 ， 设计 了激光切割工艺 A P I 接 口， 分别包含以下几 个类 函数 1 8 4 0 D s l数 控 系 统 控 制 函 数 类 C S i n u m e r ． i k 8 40Ds l 该类直 接调用 底层通 讯接 口类对象 ， 用于提供 8 4 0 D s l 数控系统 中 R参数 、 轴位置反馈 、 N C高速模拟 量及数字量接 口、 P L C I ／ O读写操作 ， N C工件 程序导 人 N C U中以及 N C工件程序启动执行等用 于实现三 维激光切割加工的基础控制功能。 c l a s s CS i n u me r i k 8 4 0 Ds l { p u b l i c C S i n u me r i k 8 4 0 D s l v o i d ； l o n gWri t e R c h a r i t e m， d o u b l e r ； ／ ／ 对 NC中 R参数变量 i t e m写 人数据 r l o n g R e a d R c h a r ％ i t e m， d o u b l e v a l u e ；／ ／ 读取 R参数 l o n g Wr i t e T o P L C c h a r i t e m。 i n t s t a t u s