激光切割機控制系統軟件的研究與開發

歐陽曉亮

（武漢法利萊切焊系統工程有限公司，湖北 武漢 430000）

在激光加工中，最早且經常使用的加工方法為激光切割技術。相較于其他切割技術，激光切割技術的高適應性、高精度及高速特點十分顯著。與此同時，激光切割技術還具有許多其他的優點，如無噪聲、熱影響小、割縫細、切縫垂直度佳及方便自動化控制等。可切割多種材料，如鋁、碳鋼、合金鋼以及復合材料、布、橡膠、石英和玻璃等。現如今，一些國際知名企業已研發了具有大功率、高速、數控自動化及多維立體等特點的激光切割機，所用的控制系統也不盡相同。而中國自主研發制造的激光切割機多為中低端產品，在切縫、表面、精度、穩定性及柔性方面與國外產品相比，存在較大差距，其控制系統大多也直接采用國外的機床控制系統。為此，下文從激光切割控制系統的軟件方面，展開了論述。

1 概述運動控制技術

現階段，運動控制技術在國際上十分流行，它的原型為電力拖動技術，該技術基于復雜條件，將控制規劃、指令及方案轉化為機械運動。運動控制技術也可以說是基于可控制力，使機電系統實現運動。這種機電系統可以采用電氣、液壓及氣動等驅動形式。在運動控制系統中，不僅能夠準確控制機械設備運動的區域、速度、加速度以及轉矩或作用力，而且還能夠綜合控制這些被控量。現階段，運動控制技術已成為基于自動控制與現代控制理論的涉及多個學科的技術，如電機、電力電子、微電子、傳感器和微計算機等。目前，微計算機、集成電路和CAM 技術等正在快速進步，運動控制技術隨之也在不斷革新和完善，現已十分廣泛地應用在軍事、工業生產和生活等各個領域。

2 介紹激光切割機控制系統軟件的組成

在一個系統中，所用的軟件十分關鍵，實現了對

硬件的工作流程、用戶輸入以及系統運行監控等的管理。結合激光切割機控制系統的功能要求，將控制系統的軟件劃分為以下幾個部分：

2.1 解析、提取Gerber中存儲的數據

控制系統的該部分軟件主要用于對Gerber文件實施解析，并將實體與層信息提取出來。而實體一般包括文字、多邊形、直線、多線和圓弧等，其相關信息還包括線寬、類型、顏色和坐標點等。在規定的數據結構中，放置所提取的信息，方便以后顯示與加工圖形化指令的生成。

2.2 動態顯示

動態顯示軟件具有如下功能：①處理Gerber中的數據，并以圖形化的形式進行顯示。②通過分層顯示法，實現對Gerber中不同實體層的顯示，并利用各種顏色分別標識這些層。③完成的Gerber文件信息的圖形化后，用戶利用鼠標來選取加工層與該層的交互軌跡。同時用戶還可以提取出外、內輪廓或中心線。④利用圖形可以將加工流程動態顯示出來，且顯示的顏色與待加工軌跡的顏色不同。⑤定位外邊框。在輸出切割前，通過該定位功能，利用兩維線性馬達，根據圖形中最外邊點形成的矩形，以一定的激光功率，快速掃描邊界，以便保證工件位于加工范圍。若不在加工范圍，則必須采取人工調整的方式，而且該激光功率不會切割或損害加工工件。

2.3 運動控制軟件

根據提取的加工信息，設置加工參數后，便可以通過運動控制軟件來實施切割。其功能如下：實現多種運動，比如手動、直線、機床的回零、步進以及圓弧的插補、單段與連續軌跡等。通過運動控制軟件，還可以完成下列工作：①振鏡和工作臺進行協調運動，在本系統中，通過振鏡和工作臺運動的結合，可以進行高效率、大范圍的加工，但需要控制好振鏡和工作臺之間的協調性。②協調控制激光、振鏡及工作臺，通過一定的運動或延時激光開關，才能確保不會出現欠切或過切工件的現象。③在加工中，需要顯示系統的運動狀態，如開關狀態及軸運動等。④該激光切割系統切割精度的提高問題，也是本軟件部分需要進行解決的問題。

3 分析運動控制系統的具體功能

某企業開發、制造的一種激光振鏡控制器，可以實現多軸協調運動控制等。它的核心組成部分是數字信號處理器以及現場可編程門陣列，能夠完成精確度高的控制計算。

這種激光振鏡控制器的主機部分是IBM-PC和其兼容機，并提供外部設備標準的互連總線產品。而且這種運動控制器中還有Windows動態鏈接庫，具有十分復雜的控制功能。用戶可以集成函數和控制系統所需數據的處理、接口以及顯示等模塊，并建立能滿足特定要求的優質控制系統，以便與應用領域的各種要求相符。

在這種系統中，運動控制器具有的功能如下：①通過兩軸聯動，兩個軸可以采用振鏡軸或工作臺電機控制，還可將其中一軸采用工作臺電機控制、剩下一軸采用振鏡控制。具體功能有單段軌跡運動以及多段軌跡連續運動，能進行速度預處理。②使用高速的輸入/輸出激光控制，并可進行改變激光狀態的延時處理，有機結合激光控制和運動控制。激光能量的輸出方式有頻率、脈寬調制和模擬電壓。控制激光能量的模式有跟隨能量、輸出時序邏輯以及相關位置的控制。③實現對控制器運動狀態的監控，并獲得控制對象的狀態，比如激光、振鏡以及工作臺等。

4 開發設計運動控制系統的各種軟件結構

4.1 運動控制

運動控制器具有控制雙振鏡運動或兩軸工作臺的功能，在工作臺與振鏡的運動控制中，完成輸出軸的轉換。該軟件系統的運動功能如下：X、Y軸的單獨或同時回零，即為工作臺的回零；運動在各種坐標系間實施轉換；在相對及絕對坐標中，工作臺實現圓弧以及單段直線軌跡的運動形式；適當調整振鏡，實現坐標值運動方式；振鏡與工作臺實現多軌跡的連續性運動等。

4.2 顯示

顯示狀態包括：激光光點和機床坐標位置；所用激光功率；振鏡進行偏轉的角度；具體的工作軸運動狀態，比如有沒有進行伺服報警、有沒有捕獲到回零信號、有沒有觸發正負限位以及有沒有完成軸運動等。

4.3 激光控制

激光的開/關以及延時控制便為激光控制。應選擇合理的激光能量的控制模式以及輸出方式，還應設置好有關參數。

4.4 定位及加工校正模塊

在本控制系統中，利用CCD攝像機，實施自動定位和自動校正變形的指令。

利用圖像處理模塊，有效處理所獲工件標記孔的各種圖像信息，同時將所有標記孔的位置數據信息全部提取出來，不僅可以用作自動定位，而且還可以用于測量柔性印刷電路板的變形情況，所以在處理前，必須標定好攝像機的參數。

在不改變工作臺到攝像機像平面距離的基礎上，不改變圖像坐標系中所用的分辨率，僅需完成對相機分辨率參數的標定，在進行分辨率參數的標定時，可采用標準的圓孔器件。

4.5 失真補償

在激光振鏡切割系統中，通過控制振鏡切割，如果雙振鏡系統出現掃描畸變，則會降低切割精度，因此必須對該掃描系統產生的掃描圖形進行失真補償。

總之，在運動控制系統中，首先，將CCD攝像機放到工件標記孔的上面，拍攝圖像，并通過USB口，將圖像傳給計算機，再由圖像處理模塊，處理該圖像，并得出相關孔圓心點的坐標值。接著將該坐標變換為機床所用坐標系下的坐標，接著通過射影變換模塊，求出在工件和機床這兩種坐標中，點坐標的具體映射關系，接著對計算機發出的運動指令，實施這種射影變換，以便實現自動定位工件以及校正加工指令。這種振鏡運動指令，在實施射影變換前，還必須通過振鏡掃描來完成模塊的補償。

5 結語

綜上所述，激光切割機控制系統是集光、機、電于一體的系統，涉及多個知識領域：光學、圖像處理、機械以及自動化等。目前，先進的自動化技術正在快速發展，推進了機床控制的自動化發展，而激光切割機也會朝著數控化的方向發展，而且其應用范圍也會越來越廣泛。文中研究與開發的激光切割機所使用的控制系統軟件，基于激光運動控制器，實現了激光掃描的高速切割，值得推廣應用。