三維激光切割在機械加工機床中的集成研究＊

孫 曉 蔣 明 陳 聰 高 明 曾曉雁

(華中科技大學武漢光電國家實驗室，湖北 武漢430074)

隨著激光加工技術與裝備制造業的不斷發展，激光切割已經廣泛應用于航空航天、汽車制造、鈑金加工等重點行業。三維激光切割技術代表著激光加工技術的一個發展前沿方向，也逐漸受到廣泛關注，三維激光切割最大的特點就是柔性高，適合三維鈑金材料的切割［1］，在實際生產中，三維激光切割能夠明顯提高產品質量和生產效率，縮短產品開發周期，降低勞動強度，節約原材料。因此，如何能夠在傳統機械加工機床中便捷地加入激光加工功能，形成高集成化的機械與激光復合加工設備，這在當前加工技術研究中是非常有意義的。

目前三維激光切割技術研究在硬件方面，三維激光加工裝備朝高精度、高速度、高柔性、高集成化等方向發展;在軟件方面，如何縮短編程和示教時間、建立激光切割工藝數據庫等也是必不可少的［2］，同時由于三維五軸激光切割數控系統可選范圍小，如何基于數控系統進行面向激光切割工藝API(應用程序函數接口)的二次開發也是控制軟件設計中的一個難點［3-4］。

本文將主要介紹在沈陽中捷機床廠的五軸龍門機床GMC3580u 上如何實現三維激光切割功能，主要包括三維激光切割系統硬件集成、激光切割控制軟件設計。

1 三維激光切割系統硬件集成

在硬件集成中，我們設計了可拆卸的兩坐標激光切割頭機械結構，可以在機床中實現激光切割頭和機械加工裝置的快速更換。光纖激光器產生高功率密度的激光直接通過光纖進入激光切割頭，不用對原有的機床結構進行任何改造，具有較高的靈活性。三維激光切割裝備圍繞五軸機床原有西門子840Dsl 數控系統來進行集成設計，充分利用840Dsl 提供的各種硬件接口來實現激光切割的整體控制功能［5］。

如圖1 所示，工控機PC 上的激光切割控制軟件通過以太網接口與840Dsl 數控系統進行人機交互，實現激光切割NC 零件程序傳遞、加工部件控制以及加工狀態檢測;同時當激光切割控制軟件離線編程得到的激光切割工件程序導入NCU 中以后，在數控系統的PCU 中也可選擇執行激光切割NC 工件程序，并通過工藝數據庫選擇、設置所需的切割工藝參數，直接實現整個激光切割加工過程。840Dsl 數控系統與各加工控制部件通過相應硬件接口相連接:通過DRIVE -CLiQ 接口連接高功率驅動系統SINAMIC S120 控制五軸機床(XYZAC)運動，通過S7 -300 PLC 進行I/O 口擴展來實現激光切割頭整體控制、激光器初始化控制以及激光切割時冷卻氣和保護氣開關控制，同時利用NCU 中的高速模擬量輸出模塊控制激光器出光功率的快速調節，利用NCU 中高速I/O 模塊控制激光出關光的快速調節，從而實現三維激光切割的工藝參數調節要求。

同時添加加工輔助設備(位移傳感器、數字攝像機等)用于校正誤差、實時監測加工過程;提高加工精度，開展多軸激光加工系統誤差及加工速度影響因素研究，建立綜合系統誤差模型及評估方法，同時研究設計出實用的加工誤差環節診斷技術方案以及實際工件尺寸與三維設計圖形存在失真條件下激光加工的誤差矯正技術方案。

2 三維激光切割控制軟件功能

結合三維激光切割系統集成及項目軟件開發需求，控制軟件主要有3 大功能模塊組成，如圖2 所示，分別是離線編程模塊、加工控制模塊以及工藝數據庫模塊［6］。

.其中由離線編程模塊和加工控制模塊組成的激光切割控制軟件運行在工控機PC 上，而工藝數據庫模塊以OEM 的形式嵌入PCU 的HMI 軟件中。

在離線編程模塊中，首先實現三維工件建模，加工工件CAD 模型的導入，對激光切割路徑原始數據的處理;然后根據工件切割路徑特點，優化切割路徑，選擇最優化的加工方法，實現可視化路徑編輯;之后模擬仿真激光加工整體流程，來觀察檢測加工過程中是否存在碰撞等情況;最后生成用于加工的數控代碼。

在加工控制模塊中，結合840Dsl 數控系統的基于C+ +的二次開發，設計了用于本項目加工系統的激光切割工藝API(接下來將在第三章中詳細介紹)。該API 可用于設置激光切割工藝參數(切割速度、激光功率、切割頭至工件表面距離等)，并將離線編程模塊中生成的NC 工件程序導入數控系統NCU 中，然后執行該NC 工件程序實現整個激光切割過程的控制。同時該API 中也可實現直接單獨對激光切割各加工部件控制，其中包括五軸機床運動控制、激光器出光及功率控制以及激光切割頭控制。該加工控制模塊設計結合較為成熟的基于C + +開發的離線編程技術，有效地縮短了項目軟件開發周期，也方便激光切割系統裝備整體調試。

在工藝數據庫模塊中，針對不同的加工材質厚度和加工工藝要求，建立激光加工工藝數據庫，采用SQLite 小型數據庫作為工藝參數存儲數據源，實現工藝數據保存、添加、刪除、修改、查詢等功能。同時，工藝數據庫與加工參數設置相關聯，這樣利用含R 參數的NC 工件程序，可以實現對同一切割路徑，一個NC工件程序可用于不同工藝參數組合的激光切割加工，這為加工裝備整體調試以及后期三維激光切割工藝研究提供便捷的操作方式。

3 三維激光切割控制軟件設計

控制軟件設計架構如圖3 所示;該部分主要介紹與數控系統相關的三維激光切割控制模塊以及激光切割工藝數據庫設計。

3.1 三維激光切割控制模塊設計

在本次控制軟件設計中，由于西門子840Dsl 數控系統沒有提供可直接應用于激光加工工藝的C+ + API接口，因此需要對840Dsl 數控系統進行二次開發，設計適用于本項目選用加工部件的激光切割工藝API。

西門子數控系統提供了多種人機界面二次開發的方法［7］，可由用戶根據項目開發需要進行選擇。在本次設計中選用了Operator Programming Package 開發方式對840Dsl 數控系統進行二次開發。該開發方式中，840Dsl 數控系統提供了基于C+ +開發的底層通訊接口類［8-9］，可直接訪問數控系統底層硬件，其中包含讀寫NC 系統變量(如R 參數，PLC 內部數據塊等)、直接訪問NC、PLC 中數字量和模擬量輸入輸出以及執行NC 加工程序;同時支持數據庫訪問，便于進行數據交互，用于加工過程中實時的狀態監測，該方法完全滿足項目激光切割工藝API 的設計需求。

利用Operator Programming Package 提供的底層通訊接口類，設計開發三維激光切割工藝API 接口。該API 接口直接應用于三維激光切割控制軟件的加工部件控制模塊中，利用S7 -300 PLC 中I/O 來進行激光器、激光切割頭、輔助氣、冷卻氣等激光切割控制部件初始化控制，利用NC 系統變量R 參數設置并存儲激光切割工藝參數(如激光功率、切割速度、噴嘴與工件表面距離等)，然后啟動NC 工件程序，并在加工過程中對激光切割控制部件運行狀態進行檢測;在切割過程中，NCU 通過執行NC 工件程序來控制五軸機床末端激光切割頭運動、激光器開關光及出光功率，PCU與工控平臺PC 進行實時的狀態監測(如機床實時位置、激光功率、切割頭碰撞檢測等)，實現整體激光切割加工流程。

以下介紹基于840Dsl 底層通訊接口類開發的激光切割工藝API 接口。先介紹下面用到的幾個840Dsl底層通訊接口類:

3.1.1 SlDataSvc 類

數控系統中NC 和PLC 里面的數據訪問都是通過SlDataSvc 對象來實現的。控制設計用到的系統變量主要包括R 參數、NCU 中高速模擬量及數字量輸出、PLC 數字量輸入輸出。

3.1.2 SlPiSvc 類

在控制軟件與NCU 通訊時，可用PiService 類對象來啟動執行NC 工件程序。

3.1.3 SlFileSvc 類

利用SlFileSvc 對象可實現對文件和目錄的操作。本次設計中主要利用其選擇要執行的工件程序并導入NCU 中。

基于上述840Dsl 二次開發中提供的底層通訊接口類，設計了激光切割工藝API 接口，分別包含以下幾個類函數:

(1)840Dsl 數控系統控制函數類CSinumerik840Dsl

該類直接調用底層通訊接口類對象，用于提供840Dsl 數控系統中R 參數、軸位置反饋、NC 高速模擬量及數字量接口、PLC I/O 讀寫操作，NC 工件程序導入NCU 中以及NC 工件程序啟動執行等用于實現三維激光切割加工的基礎控制功能。

class CSinumerik840Dsl

{

public:

CSinumerik840Dsl(void);

long WriteR(char* item，double r);//對NC 中R 參數變量item 寫入數據r

long ReadR(char* item，double＆ value);//讀取R 參數

long WriteToPLC(char* item，int status);

//向PLC I/O 寫數據，控制加工設備

long ReadFromPLC(char* item，int＆ value);

//從PLC I/O 讀取數據用于監測設備運行情況

long StartNCProgram(char* item1，char* item2，char* item3，char* item4);

//啟動PI 服務，用于執行NC 代碼

public:

SlPiSvc piSvc ;//定義NC 代碼操作類對象piSvc

SlDataSvc writer;// 定義變量讀寫類對象writer

SlDataSvc reader;// 定義變量讀寫類對象reader

SlFileSvc fs;//定義NC 代碼復制類對象fs

};

(2)激光器控制函數類CIPGLaser

激光器控制類是在840Dsl 數控系統控制函數類CSinumerik840Dsl 的基礎上進行設計的，用于實現加工過程中IPG10 kW 激光器的控制。其中利用PLC I/O 實現激光器控制初始化以及激光引導光開關，利用NCU 中高速模擬量輸出(0 ～10 V)控制激光輸出功率，高速數字量輸出用于控制激光出關光。同時在激光切割過程中，對激光器工作狀態、實時功率進行監測，并在緊急情況下急停激光器。

class CIPGLaser

{

public:

CIPGLaser(void);

long LaserOn(void);// 激光開

long LaserOff(void);// 激光關

long LaserOnInit(int value);//激光器初始化

long GuideLightOn(void);//指示光開

long GuideLightOff(void);//指示光關

long SetLaserPower(double power);//設置激光功率

public:

CSinumerik840Dsl IPGTo840Dsl;

};

(3)激光切割頭控制函數類CPrecitecHead

激光切割頭控制函數類也是在840Dsl 數控系統控制函數類CSinumerik840Dsl 的基礎上進行設計的。實現加工過程中PRICITEC 激光切割頭系統控制。其中利用PLC I/O 實現Z 浮隨動調節模式開關，利用NCU 中高速模擬量輸出(0 ～10 V)控制切割頭噴嘴至工件表面距離。

class CPrecitecHead

{

public:

CPrecitecHead(void);

long ZStandoffAutoOn(void);//開啟Z 浮隨動調節模式

long ZStandoffAutoOff(void);//關閉Z 浮隨動調節模式

long SetZStandoff(double z);//設置Z 浮距離

public:

CSinumerik840Dsl PrecitecTo840Dsl;

};

3.2 激光切割工藝數據庫設計

根據項目需求，本次開發的激光切割工藝數據庫包含2 mm、4 mm、8 mm 3 個規格的鋁合金材料激光切割的切割工藝參數以及切割質量參數，其中切割工藝參數包括激光功率、切割速度、氣體壓力、氣體類型、切割頭噴嘴開口直徑及噴嘴至工件表面距離等，切割質量參數包括粗糙度、切口寬度、切口垂直度、掛渣量、重熔區和熱影響區寬度等)。

軟件設計中，基于Qt 開發框架利用VS2008 進行軟件編譯，利用Qt Designer 進行圖形界面設計，編譯完成后以OEM 形式嵌入到數控系統PCU 的HMI 操作軟件中［9-10］，軟件界面如圖4 所示，后臺數據庫采用SQLite3 輕型數據庫進行數據存儲。該數據庫支持跨平臺，操作簡單，可以使用多種語言直接創建數據庫，不需要后臺應用軟件支持，支持SQL 語句指令實現各種數據庫操作功能，并且源碼完全開放，可以用于數據庫系統的深度開發［11］。

該激光切割工藝數據庫具備不同厚度板材加工數據庫選擇查詢、修改、添加以及刪除數據等操作功能，同時結合激光切割加工應用，可直接選擇數據庫中某一組工藝參數進行設置，利用含R 參數的NC 工件程序，實現在同一切割路徑時，一個工件程序可用于不同工藝參數組合的激光切割加工，方便NC 工件程序中工藝參數設置，可直接用于下一次激光切割。

4 結語

(1)通過在沈陽中捷的五軸龍門機床測試結果證明，三維激光切割控制軟件設計很好的實現了在三維激光切割過程中各加工部件控制，激光功率、切割速度、切割頭與工件表面距離等激光切割工藝參數實時可調，滿足三維激光切割技術要求。

(2)項目還在繼續研究，目前處于設備整體調試階段，設備裝配調試正常，但該復合加工設備尚未加工實體工件，激光切割工藝以及加工精度、誤差分析等研究將是下一步工作重點。

(3)該項目研究中選用的數控系統具有一定普遍性，研究內容也可用于現有的機床改造工作中，將原有的機械加工機床改進為機械與激光復合加工設備。

［1］陳根余，曹茂林，黃豐杰. 三維激光切割的應用和研究［J］. 激光與光電子學進展，2007，44(3):38 -42.

［2］黃開金，謝長生. 三維激光切割的發展現狀［J］. 激光技術，1998，22(6):352 -356.

［3］葉建斌，戴春祥. 激光切割技術［M］. 上海:上海科學科技出版社，2012:94 -95.

［4］羅敬文. 三維數控激光切割機［J］. 激光與光電子學進展，2009(9):29 -31.

［5］徐光. SINUMERIK 840D sl 完美勝任各種應用需求［J］. 航空制造技術，2010 (19):56 -58.

［6］蔣明. 激光飛行標刻系統及激光加工機器人控制與仿真研究［D］.武漢:華中科技大學，2011.

［7］邴旭，化春雷，李焱，等. 西門子數控系統人機界面二次開發方法研究［J］. 制造技術與機床，2011(10):163 -167.

［8］SIEMENS. SINUMERIK 840Dsl SINUMERIK Operate CPP API Interface［Z］.2012.

［9］SIEMENS. SINUMERIK 840Dsl SINUMERIK Operate Programming Package［Z］.2012.

［10］王照亮，于會龍，邢雨. 基于840D sl OEM 開發組件的數控系統電氣調試方法［J］. 制造技術與機床，2012 (5):161 -165.

［11］潘學文，文漢云. 基于Qt4 的SQLite 數據庫應用編程［J］. 電腦編程技巧與維護，2011 (4):49 -50.