基于數字孿生的小型激光雕刻機的研究

趙俊英，溫國強，李穎

(天津中德應用技術大學汽車與軌道交通學院，天津 300350)

0 前言

近年來激光技術不斷發展，從工業領域到人們的衣食住行，激光技術都發揮著重要的作用。激光雕刻是發展智能制造的一個重要環節，因其加工精度高、工作速度快等特點被譽為“未來制造系統的共同加工手段”。其中小型激光雕刻機體積小、成本低、便于操作，在廣告、工藝品加工等行業應用廣泛。但是小型激光雕刻機也面臨著各種挑戰，智能化程度低是現有工業級小型激光雕刻機的不足之一，例如雖能監控加工狀態，但不能很好地監控和分析設備運行狀態。

為推進智能制造，目前重點研究的一個問題是如何把物理世界與信息世界進行融合，數字孿生便是解決這一問題的重要途經。數字孿生技術是通過構建數字孿生體，實現物理實體在虛擬空間中的全息映射，從而在虛擬環境中分析和研究物理實體的各種特性與狀態。通過虛-實信息的映射和鏈接，可在虛擬數字空間中模擬出物理實體的實時狀態和動態特征，能夠更好地開展真實世界中難以完成的分析研究。該技術可為工業生產制造、運行狀態監測、維護等各個階段提供信息數據支撐和指導。

本文作者基于數字孿生理念設計了虛實同步的小型激光雕刻機，目的是在實現虛實同步的基礎上，對系統運行狀態進行全過程監測，從而推進數字孿生技術在激光雕刻領域的實際應用。

1 激光雕刻系統組成

1.1 系統整體設計

依據數字孿生五維模型理論，構建了虛實同步的激光雕刻系統，包括物理對象、虛擬模型、連接、數據和服務系統。系統整體設計思路如圖1所示，由設備層、平臺層、應用層構成，主要功能分別為實現物理實體運動控制、構建模型數據庫、虛擬模型聯動。

圖1 實驗平臺設計思路

1.2 機械系統

激光雕刻機整機實物如圖1中設備層所示，其機械系統主要由軸導軌、軸導軌、激光發生器、雕刻工作臺、人機界面、按鈕指示燈模塊、固定支架以及基座等組成。固定支架是一鋁合金立方體，軸導軌安裝于固定支架上，軸導軌連接到軸導軌滑塊上，故軸可沿軸直線往復運動；激光發生器連接到軸滑塊，故可沿軸直線往復運動。

激光雕刻工作臺固定于基座上，包括加工臺支架和加工平臺兩部分。加工平臺可繞中心軸回轉運動，待加工工件放置于平臺上。整個雕刻機的控制部分位于基座下方的控制柜中。

相較于目前激光雕刻機普遍采用的步進電機，伺服電機運行更平穩、控制精度更高。因此、軸及旋轉臺均選用伺服電機驅動，通過控制三電動機的運動,實現激光發生器在二維空間內與工件的相對運動。在激光發生器運動的過程中，控制激光束的開關狀態轉換，即可在工件上雕刻出連續或間斷的圖案痕跡。

1.3 控制系統

激光雕刻機控制系統的主要作用為進行數據處理、實現人機交互、雕刻運動控制和過程控制、實現虛實聯動等。控制系統結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構

系統采取上位機和下位機的控制模式。上位機為計算機，用于完成雕刻圖案處理、系統狀態監控等任務;下位機為三菱FX5U PLC，用于完成雕刻機運動控制以及加工過程控制等對實時性要求較高且與硬件設備相關聯的控制。控制器與虛擬模型之間采用OPC UA通信協議，實現物理實體與虛擬模型的虛實通信。

激光的開關與強度控制是通過PWM模塊和PLC信號共同實現的。利用PWM控制模塊的一個引腳作為信號控制引腳，用于打開、關閉激光；通過調整PWM模塊占空比du的數值，來控制功率，從而控制激光的強度。

其他控制包括回零控制、狀態指示、極限位控制等，其中工作平臺之間的回零主要用于激光雕刻機的定位控制，如加工前后激光發生器及工件的自動校正。

人機交互界面采用 MCGS 觸摸屏，可實現雕刻機的參數設置、點動控制、自動控制等功能，同時可顯示雕刻機工作狀態、工作進度等。

2 虛擬模型的構建與虛實聯動

2.1 虛擬模型的構建

基于數字孿生理念，在SFB-Factory系統中構建了激光雕刻機物理實體的數字映像，如圖3所示。首先通過SolidWorks軟件創建激光雕刻系統的CAD模型，并將其導入SFB-Factory軟件中；然后在SFB-Factory中設置仿真環境參數、模型運動參數以及虛實數據映射關系等。通過OPC UA通信協議使虛擬模型與FX5U PLC進行通信，以此實現虛實數據互傳、狀態同步和運行結果可視化等功能，為物理實體的狀態監控和運動控制等擴展了新的能力。

圖3 整機虛擬模型

2.2 數據的采集與交互

實現激光雕刻機的虛實聯動，需要以數字孿生體與物理實體之間高質量的數據交互作為基礎。經分析，實體雕刻機系統需要對實時數據信息進行采集和傳遞，虛擬雕刻機需要對物理實體的狀態進行實時讀取和監控。這就需要建立雙向性的實時數據和信息的交互，因此建立了如圖4所示的數據傳輸方案。數據系統以PLC為核心，同時與伺服驅動器、傳感器等周邊設備、觸摸屏以及虛擬激光雕刻機4部分進行數據信息交互。下面以軸電機轉動30°為例，進行說明。首先PLC根據要求發出電機1轉動30°的控制命令，伺服驅動器、虛擬激光雕刻機和觸摸屏將同時收到此信息。伺服驅動器將控制電機馬達轉動30°，虛擬模型中的虛擬電機將依據運動算法同步轉動30°，觸摸屏中軸位置這一參數也將實時更新顯示。若在這一過程中，虛擬雕刻機中狀態分析結果提示異常，如當前運動將超越極限位、電機運行狀態不良或重復操作等情況，PLC將實時獲取這一狀態信息，并將相應控制指令發送給實體伺服驅動器、周邊設備和觸摸屏，進行異常處理。

圖4 數據的采集與交互

在此方案下，一方面物理實體雕刻機的激光束開關、伺服電機運動、平臺轉動等動態，以可視化的形式反映在虛擬模型上，可對其狀態進行監控；另一方面，在虛擬空間中對得到的數據、狀態等進行分析，可以反向影響、控制物理實體，對其進行糾偏、校正。

2.3 圖像數據的坐標變換

在進行雕刻之前，需要進行圖像中位置數據的提取與處理。特定情況下，為使數字映射與實體運動匹配，需要進行適當的坐標變換，將軟件虛擬空間中世界坐標系下的數據轉換為虛擬雕刻機坐標系下。

文中設定，虛擬空間中虛擬世界坐標系為系()，虛擬雕刻機坐標系為系()，如圖5所示。

圖5 虛擬空間中的坐標系

假設世界坐標系中有一點=[，，]，將它變換到雕刻機坐標系中的點′ =[′，′，′]。向′變換的齊次變換矩陣為

(1)

其中：(,,)表示旋轉坐標變換算子，、、分別為繞著軸、軸、軸旋轉的角度;(Δ,Δ,Δ)表示平移坐標變換算子，Δ、Δ、Δ分別表示沿著軸、軸、軸移動的距離。

將旋轉算子展開，有

(,,)=(,)(,)(,)=

(2)

(3)

圖6所示為某一待雕刻的圖案，以其中某點為例，進行推導。(64,49,0)為世界坐標系下的坐標，′(′,′,′)為雕刻機坐標系下坐標，測量得、、分別為0°、0°、30°，代入式(2)可得

圖6 雕刻圖案示例

(4)

Δ、Δ、Δ分別為20、35、0，代入式(3)

可得

(5)

將式(4)和式(5)代入式(1)，可得

可得到點′坐標為(50.924,109.434,0)。

2.4 虛實聯動運行過程

將圖1所示系統應用于雕刻圖6所示圖案。

在開始雕刻之前，利用專用軟件對圖案進行處理并轉換為用于雕刻的數據。一方面，用二值圖中的像素值0或 1作為激光器的控制信號，控制激光的開閉；另一方面，通過像素位置規劃伺服電機的運動，從而控制激光發生器的運動軌跡。

首先對圖像數據進行去噪處理然后進行擬合，生成光滑的雕刻曲線。通過對比多項式擬合、樣條擬合等幾種擬合方法，發現樣條擬合方法效果最好。圖7所示為圖案中牛尾的擬合仿真效果。

圖7 牛尾仿真軌跡

觀察圖6可知，待加工的圖案不是簡單的直線或圓弧等規則曲線，而是輪廓比較復雜的多次非線性曲線，這時激光頭很難完全通過圖案的每一個點。文中將圖形看作無數點的密集分布，通過給定某些點的尺寸數據，結合插補算法，使得實際運行軌跡無限接近目標圖案。對于圓弧曲線和復雜曲線，把它近似認為是無數的直線切割而成，將此段曲線分解成若干小線段來處理。另外某些簡單圓弧也可借助伺服電機的圓弧插補指令完成軌跡運動。

系統啟動后，虛實聯動工作流程如圖8所示。通電開啟后，首先使整個系統初始化，接著控制器讀取當前待雕刻對象的數據信息，完成后點擊“開始雕刻”按鈕，物理實體和虛擬模型實時同步工作。按如圖4所示數據傳輸方式，系統啟動后，控制器將控制信息同步傳送給雕刻機物理實體和虛擬模型，并實時接收物理實體和虛擬模型的反饋信息。實體雕刻機激光束開關、伺服電機運動速度、位置等狀態，經由控制器實時傳遞給虛擬模型，在虛擬模型界面和觸摸屏以可視化的形式呈現，對物理實體狀態進行監控；另一方面，虛擬模型中狀態分析的信息，經由控制器反向影響物理實體，對其進行糾正。

圖8 虛實聯動雕刻工作流程

3 激光雕刻實驗

3.1 虛實同步驗證實驗

為了驗證設計的虛實同步小型激光雕刻機的性能，以圖6所示圖案為雕刻對象，在200 mm×200 mm的木板上開展了雕刻實驗，實驗中觀測到虛實運動同步性較好，實體和虛擬激光雕刻機同步完成雕刻，如圖9所示。

圖9 激光雕刻完成圖

除了運動同步，還必須考慮虛擬模型與實體雕刻機運動的位置精度，因此進行了位置精度實驗。在4組脈沖指令下，分別采集虛擬模型與實體雕刻機的位置信息，并計算兩者的誤差絕對值(用表示)，分析其位置精度，實驗數據見表1。

表1 虛實同步位置精度實驗數據 單位:mm

根據表1所示的結果，虛實激光雕刻機同步運動位置誤差在0～0.652 4 mm之間，平均誤差為0.374 3 mm。產生誤差的原因包括實體雕刻機自身存在運動誤差、機械安裝誤差以及虛擬模型建模、裝配精度等。實驗結果表明此系統在一定精度范圍內實現了虛實運動位置的重合，且位置誤差在允許范圍內。

3.2 激光雕刻遠程監控

可通過人機界面和虛擬軟件對激光雕刻機的狀態進行遠程監控，通過觸摸屏界面可進行虛、實雕刻機的手動調試和自動運行控制，同時可顯示激光頭當前位置、速度等信息。圖10所示為計算機中虛擬軟件監控界面，虛擬雕刻機讀取數據庫信息，基于運動算法驅動運動，使虛、實雕刻機的運動實時保持一致。在軟件監控界面，既可以監控圖案打印的進度，又可以監控設備運行的狀態，如重復打印、運行時間、故障分析等。

圖10 激光雕刻遠程監控

3.3 du值對激光雕刻質量的影響

文中激光雕刻機的激光強度控制是通過調整PWM模塊du的數值實現的。固定激光頭與木板的距離，不同du值下在木板上進行雕刻的實驗結果如圖11所示。

圖11 不同占空比下的雕刻效果

試驗結果表明：當du值過小時，刻痕淺甚至無刻痕；當du值過大時，木板刻痕焦黑，甚至雕刻點周圍出現燒焦現象。在該距離下du值為70時雕刻效果最好。另外在同一du值下，隨著電機運行速度減小，激光雕刻質量得到提升，但是當速度過小時，會出現刻痕發黑甚至木板燒焦的現象。

4 結束語

針對現有工業級小型激光雕刻機智能化程度低、不能很好地監控和分析設備運行狀態的問題，基于數字孿生理念，設計了虛實同步的小型激光雕刻機。利用該系統進行了激光雕刻測試，主要結論如下：

(1)該激光雕刻機滿足工作要求，能夠實現虛實聯動。虛實同步性較好，且虛實同步運動位置誤差在允許范圍內，即在一定精度范圍內實現了虛實運動位置的重合，對推進數字孿生技術向實際應用轉化有一定的現實意義。

(2)虛實同步激光雕刻系統能通過觸摸屏和虛擬軟件對系統運行狀態進行全過程監測，包括加工狀態和設備狀態，實現了更全面的檢測與監控，對推進小型激光雕刻機的智能化有一定的實際價值。

(3)文中激光雕刻機的激光強度控制是通過調整PWM模塊占空比du值實現的。du值對雕刻質量影響很大，du值過小則刻痕淺甚至無刻痕，du值過大則木板刻痕焦黑，甚至雕刻點及周圍燒焦。在同一du值下，隨著速度降低，雕刻質量提升，而速度過慢則會出現刻痕焦黑。

下一步研究將進一步融合數字孿生技術，致力于減小虛實同步運動位置誤差，同時加大對虛擬模型數據的分析和利用，增加人機對抗等異常情況的檢測和預警。