小功率CO2激光切割機控制部分設計*

尹昭輝 葉 暢

（淮安信息職業技術學院，江蘇淮安 223003）

激光加工技術一直以來都是國家重點支持和推動應用的一項高新技術，特別是國家在“十二五”規劃中將高端裝備制造業列為重要的新興產業，這對激光加工技術在制造業中的應用帶來了發展的良好機遇，也勢必將對激光加工機床的制造和產品升級帶來了巨大商機。而隨著激光技術的越加成熟，它的應用廣泛性也越來越大，已涉及到很多日常用品的領域，如有機玻璃、塑料、包裝工業、廣告標牌、證件卡片等。特別是對于內雕、裁剪、鏤空、繡花和切割加工，小功率的激光加工機床就更顯示出了優越性，價位低、體積小、操作簡單，更適合國情。那么在小功率25～100 W級的激光器主要采用CO2，以二維切割為主。所以這種自動控制、非接觸、速度快、智能程度較高、操作方便、性價比高的小功率CO2激光加工機床必將具有廣泛的市場前景。本文對激光切割機的機械結構、硬件組成和控制方法等方面進行了系統的分析和研究，設計出了一款適合非金屬加工的小功率CO2激光切割機床。

1 激光切割機的結構組成

本文涉及的激光切割機二維加工和立式數控銑床的加工相似，結合工作幅面、運動快速性、經濟型和全封閉等方面的要求，采用橫梁式飛行光路結構設計，能夠滿足X、Y方向切割運動，Z方向則可采用手工控制升降臺結構，結構簡圖如圖1所示。

基礎部分由底座、安裝導軌、工作臺面和橫梁組成。底座設計成為一箱體框架結構，剛性好、重量輕，底部安裝移動滾輪;安裝平臺則主要是安裝導軌，左右雙導軌，形成機床的Y軸;在雙導軌上安裝滑塊，滑塊用于安裝橫梁，橫梁上導軌形成機床的X軸;工作臺臺面安裝在底座箱底框架內，由平臺和支撐部分組成，可以完成升降功能;激光發生裝置安裝在機床后側，激光頭安裝在橫梁滑塊上;另配備排煙裝置。

2 激光切割機控制部分設計

2.1 對運動控制部分的要求

激光加工機床作為一種非接觸切削的特種加工設備，加工面積小、累計運動線路長、啟停頻繁，沒有切削力，所以對運動的定位精度要求不是很高，但要求切割速度要快，而且要求快加速，以提高激光切割加工的平均運動速度，提高加工效率，這樣將對系統的位置控制算法提出了高的要求，還要有良好的功率和速度匹配;還要求運動控制具備很好的通用性，可實現多軸步進細分控制;具備多路激光數字和模擬控制輸出;還應具備足夠的功能擴展I/O口;另外在反向間隙補償功能、Z軸聯動功能、硬限位、斷電續雕功能和多定位點邏輯等方面都應有具體的要求。

2.2 激光切割機控制卡的選取

我們在對市場上激光切割機控制卡進行了綜合的考量，在滿足本切割機使用要求的前提下，結合功能、價格、可靠性和技術服務等因素，決定選用睿達科技的RDLC320－A運動控制卡。該板卡具有更好的抗高壓、抗靜電干擾的能力;多路通用大電流I/O，可方便功能擴展;兩路獨立數字/模擬功率接口，軟件可分別調節，方便雙激光頭控制;支持客戶加工工時預覽（預覽準確率100%，預覽時間和實際加工時間精確到毫秒級）;支持機器的反向間隙補償功能;具備Z軸聯動功能;支持硬限位;具備斷電續雕功能;支持系統開機復位可選（即可以開機復位或不復位）;支持多定位點邏輯（即可設置多個定位點，從不同定位點啟動工作）;軟件支持內縮、外擴功能互補;可導出為兩種圖形格式（AI、PLT）等功能，可以滿足使用要求。

采用高精度32位浮點DSP+FPGA為核心的高速處理控制器，實現復雜的數據超前預處理算法。整個系統運行效率高，機器的運行速度理論上只受限于機器和驅動器本身，而不受限于控制主板的運行速度。其主要接口如圖2所示。

2.3 驅動器的選取

為了滿足運動精度和速度的要求，機床應用的是兩相混合式步進電動機，為了能夠和該步進電動機匹配并能實現細分，我們選擇樂創DMD605步進電動機細分驅動器作為驅動元件。該驅動器采用純正弦波電流控制技術，可輸出電壓、電流廣泛，細分數最高可達128，適合控制兩相或四相混合式步進電動機，而且振動小、噪聲低、溫升慢，可以使步進電動機運行平穩，其主要接口如圖3所示。

2.4 激光電源的選用

由于此激光切割機為CO2小功率型，設計功率80 W，在激光電源選取上我們采用樂創激光 CGJ－1200 CO280 W激光電源。它采用先進的軟開關PWM半橋逆變技術，可通過電腦自動控制激光功率，恒流控制電路、多功能觸發電路以及過流過壓保護等控制電路，使其具有優越的恒流特性和觸發脈寬窄，保護功能齊全，接口能力強大，它的輸入電壓220 V，工作電壓16 kV，模擬電壓控制，TTL低電平觸發。其主要接口如圖4所示。

3 硬件的連接

3.1 控制卡和步進細分驅動器連接

此激光切割機由3個運動方向組成，X/Y/Z，X/Y運動由控制卡控制，Z方向為升降平臺，由手持控制單元控制。其具體連接如圖5所示。

其中:控制卡上的驅動輸出接口PUL+、PUL－、DIR－、DIR+分別和細分驅動器上的4個一一對應的位置相連，產生脈沖信號和控制脈沖信號的方向。細分驅動器上A+、A－、B+、B－和步進電動機的A/B相相連，用來控制兩項步進電動機的步進和電機的轉向，DC－、DC+接開關電源，電壓范圍為+20～+60 V。X/Y/Z三個方向的接線均如圖5所示，但在具體的細分上可以根據實際情況調整。

3.2 激光控制部分連接

激光控制部分主要是由控制卡發出模擬激光控制信號，然后控制激光電源產生高壓，來激發激光管發出激光。其硬件連接如圖6所示。其中，由于我們選用的是模擬激光電源，所以在控制卡上的激光控制接口用模擬控制接法。L－AN1輸出模擬控制電壓;LON1用于控制開關激光，低電平有效;LGND為激光電源的5 V輸出接地。以上3個口和激光電源的模擬信號輸入口相連，其中還接入1個水流控制信號作為開關激光信號的1個前置信號，也就是說要開激光的前提必須是水在流動，用于保護激光管。激光電源上有一220 V電源輸入接口，有一高壓輸出端接到激光管的正端，激光管另一端有效接地。

3.3 其他硬件部分的連接

此激光切割機除了以上步進驅動和激光控制以外，還設置有限位、零點、控制卡、PC機以及手持單元的連接等其他硬件部分，也需要按照設計要求進行連接，如圖7所示。其中，控制卡上的HMT接口連接一手持單元控制面板，可以實現手動控制功能;24 V電源接口連接開關電源24 V端口;X/Y方向限位接口中+5 V、LMTX－、LMTY－、GND四個端子分別接切割機橫梁上2個方向的接近開關，用于控制機器在開機后的原點識別;另一USB接口連接PC機，實現基于USB的計算機軟件控制功能。

4 結語

該機床運動控制部分經過設計完成后，再配以相應的雕刻切割軟件，能夠完成非金屬激光加工的各項控制功能，操作方便，激光工作正常，各方向運行速度穩定、啟停平穩，在一玻璃工藝品雕刻、亞克力板切割試驗后效果良好。

這種基于DSP+FPGA的核心控制器、步進電動機驅動、模擬激光電源控制的小功率CO2激光切割機床系統的設計與實現，也能為同類激光加工機床的研制和創新提供依據。

［1］余緯，李尚政，張日升.YAG固體加工機床控制系統設計［J］.機床與液壓，2010，38（24）:83 －85.

［2］鄧樹森.我國激光加工產業現狀及市場展望［J］.光機電信息，2007（2）:19－22.

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