激光雕刻機控制系統研究

摘 要：激光雕刻機要具有利用AutoCAD圖形文件自動編程和精確的運動控制能力。利用PMAC運動控制卡、工控機及交流伺服系統等組成半閉環的控制系統。利用Pcomm32動態鏈接庫、MFC類庫及控制卡指令等編寫出控制系統軟件，實現了對兩軸的伺服運動控制和激光發生器等的控制。具有運動控制精確，簡單可靠，便于后期升級的優點。

關鍵詞：激光；雕刻；控制系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.260

1 引言

激光切割是把激光束的能量聚焦在材料上，對其進行燒熔和氣化，從而實現切割加工的效果[1]。

激光雕刻機是利用激光切割原理，是現代光電技術、機電一體化技術綜合的先進加工技術，具有以下優點：（1）非接觸式加工，對機架等剛度要求低；（2）加工速度快；（3）加工材料廣泛，對很多金屬材料和非金屬都可以加工；（4）可以調整激光功率，產生不同的切割深度；（5）加工圖案邊緣光滑美觀；（6）切割精度高。

二維激光雕刻機是一種精密加工設備，要求實現X、Y軸的協同運動，能利用CAD圖形文件自動編程轉換為加工程序，自動加工出多變的圖案或模板。采用PMAC運動控制卡和工控機組成開放式控制系統，可以用較低成本實現上述要求 [2]。

2 激光雕刻機的控制系統硬件結構

激光雕刻機主要由機架、傳動系統、激光系統、控制系統等組成。傳動系統中X、Y兩個軸都采用同步帶傳動，具有傳動比精確、維護簡便和傳動效率高的優點。加工非金屬材料，常用CO2氣體激光器。二維激光雕刻機主要是在非金屬材料上進行雕刻或切割，因此采用了AL30D 型CO2激光發生器。該激光器簡單可靠。而且可以利用0～5V電壓信號對功率進行連續調整。當電壓為5V時，為最大功率。

控制系統結構如圖1所示，由上位機、Turbo Pmac2控制卡、DTC-8B接口卡、X、Y、Z三軸交流伺服驅動器及交流電機、限位開關、激光器和電源開關等其它數字量輸入輸出組成。上位機基于win7操作系統。下位機為Turbo Pmac2運動控制卡，具有4路模擬電壓輸出，最多可以控制四軸協同運動；具有32路I/O數字接口。

在該控制系統中，三路模擬量輸出±10V電壓信號到X、Y、Z軸，控制軸的伺服運動。其中X、Y軸可以協同運動，帶動激光頭按圖形指定軌跡運動，以切割出需要的形狀。而Z軸驅動激光器上下位移，調整焦距。X、Y軸具有限位開關，以保證運動不超限，避免發生激光頭與機架等碰撞。X、Y軸采用半閉環運動控制方式，交流電機尾部的編碼器直接反饋正交編碼信號給接口卡和運動控制卡，然后再由運動控制卡進行PID算法控制，從而實現X、Y軸的精確協同插補運動。

卡的第四路模擬電壓輸出用于控制激光器功率。通過設置卡上M變量映射到該端口輸出寄存器，從而控制輸出電壓數值，實現通過改變電壓值來控制激光器功率的目的。當輸出0V時，激光器關閉；5V時，激光器為最大功率。激光器的電源通過控制卡輸出數字量信號控制接觸器來導通或關閉。

3 激光雕刻控制系統軟件

控制系統的軟件分為上位機和下位機兩部分。上位機包括監控、參數設置、AutoCAD文件自動編程、激光器設置、程序編輯下載和回零等操作。上位機軟件利用VC6.0和Pcomm32動態鏈接庫函數編程實現。下位機主要包括系統初始化PLC程序、回零運動程序等。

監控功能主要實現對系統各軸運動位置、速度、限位開關狀態等的監控；對激光器功率位置的監控等。其實現方法為在程序中設置定時器消息響應函數，定時反復通過PmacGetResponseA（ ）函數在線讀取控制卡中相關寄存器數值，刷新顯示各種狀態。

AutoCAD文件自動編程是激光雕刻機的重要功能。利用AutoCAD畫出圖案或者切割路徑，然后保存為DXF文件，由上位機的自動編程軟件讀取處理，自動生成PMAC運動程序。DXF文件是AutoDesk公司開發的AutoCAD與其它軟件交換數據的文件格式。具有ASCII碼格式，可以利用文本編輯器查看，可讀性較好。DXF文件由段，組構成。有七個段（section），其中實體Entities段，存儲圖形對象相關的信息，是最重要的段。每一個段又由很多組構成，一個組包括組碼和對應的值。組碼是一個代碼，指定其后值的類型。 段的開始用組碼“0”和值“SECTION”標記，結尾用組碼“0”和值“ENDSEC”結束。在所有這些段中，實體段（entities）存儲了圖形實體相關的參數，是自動編程需要提取的。在自動產生Pmac運動代碼時，首先打開DXF文件，然后利用循環體反復讀取段的組碼和組值，直到找到entities段。在該段中利用循環體找到直線（line）部分、圓弧（arc）部分和圓（circle）等部分，獲取圖形線的起點、終點、圓心等信息，然后作為參數填入Pmac運動指令中，最終形成Pmac運動代碼。

4 結論

采用PMAC運動控制卡、工控機和交流伺服驅動系統等構成的開放式激光雕刻控制系統，實現了由AutoCAD圖形自動形成Pmac運動控制程序，并對X、Y軸進行精確的伺服運動控制，也能夠精確調整激光器的焦距和功率，從而加工出所需圖案或材料。該控制系統工作效率高、穩定可靠、開發周期短、成本低，而且后期可以非常方便地對軟件或硬件進行升級改造。

參考文獻：

[1]王宗江.新型激光雕刻數字控制系統設計與調試[J].微計算機信息，2008，24（3-1）：35-36.

[2]尚純，崔寶磊，楊光等.基于PMAC的激光加工機床開放式數控系統開發[J].機床與液壓，2013，41（19）：88-90，129.

作者簡介：陳東（1973），山東濟南人，從事機電一體化設備、數控技術研究。endprint