激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)研究

摘 要：激光雕刻機(jī)要具有利用AutoCAD圖形文件自動(dòng)編程和精確的運(yùn)動(dòng)控制能力。利用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡、工控機(jī)及交流伺服系統(tǒng)等組成半閉環(huán)的控制系統(tǒng)。利用Pcomm32動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、MFC類庫(kù)及控制卡指令等編寫(xiě)出控制系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩軸的伺服運(yùn)動(dòng)控制和激光發(fā)生器等的控制。具有運(yùn)動(dòng)控制精確，簡(jiǎn)單可靠，便于后期升級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：激光；雕刻；控制系統(tǒng)

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(duì)其進(jìn)行燒熔和氣化，從而實(shí)現(xiàn)切割加工的效果[1]。

激光雕刻機(jī)是利用激光切割原理，是現(xiàn)代光電技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)綜合的先進(jìn)加工技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）非接觸式加工，對(duì)機(jī)架等剛度要求低；（2）加工速度快；（3）加工材料廣泛，對(duì)很多金屬材料和非金屬都可以加工；（4）可以調(diào)整激光功率，產(chǎn)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(jī)是一種精密加工設(shè)備，要求實(shí)現(xiàn)X、Y軸的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，能利用CAD圖形文件自動(dòng)編程轉(zhuǎn)換為加工程序，自動(dòng)加工出多變的圖案或模板。采用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡和工控機(jī)組成開(kāi)放式控制系統(tǒng)，可以用較低成本實(shí)現(xiàn)上述要求 [2]。

2 激光雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

激光雕刻機(jī)主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。傳動(dòng)系統(tǒng)中X、Y兩個(gè)軸都采用同步帶傳動(dòng)，具有傳動(dòng)比精確、維護(hù)簡(jiǎn)便和傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)。加工非金屬材料，常用CO2氣體激光器。二維激光雕刻機(jī)主要是在非金屬材料上進(jìn)行雕刻或切割，因此采用了AL30D 型CO2激光發(fā)生器。該激光器簡(jiǎn)單可靠。而且可以利用0～5V電壓信號(hào)對(duì)功率進(jìn)行連續(xù)調(diào)整。當(dāng)電壓為5V時(shí)，為最大功率。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由上位機(jī)、Turbo Pmac2控制卡、DTC-8B接口卡、X、Y、Z三軸交流伺服驅(qū)動(dòng)器及交流電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、激光器和電源開(kāi)關(guān)等其它數(shù)字量輸入輸出組成。上位機(jī)基于win7操作系統(tǒng)。下位機(jī)為Turbo Pmac2運(yùn)動(dòng)控制卡，具有4路模擬電壓輸出，最多可以控制四軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)；具有32路I/O數(shù)字接口。

在該控制系統(tǒng)中，三路模擬量輸出±10V電壓信號(hào)到X、Y、Z軸，控制軸的伺服運(yùn)動(dòng)。其中X、Y軸可以協(xié)同運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)激光頭按圖形指定軌跡運(yùn)動(dòng)，以切割出需要的形狀。而Z軸驅(qū)動(dòng)激光器上下位移，調(diào)整焦距。X、Y軸具有限位開(kāi)關(guān)，以保證運(yùn)動(dòng)不超限，避免發(fā)生激光頭與機(jī)架等碰撞。X、Y軸采用半閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制方式，交流電機(jī)尾部的編碼器直接反饋正交編碼信號(hào)給接口卡和運(yùn)動(dòng)控制卡，然后再由運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行PID算法控制，從而實(shí)現(xiàn)X、Y軸的精確協(xié)同插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

卡的第四路模擬電壓輸出用于控制激光器功率。通過(guò)設(shè)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(shù)值，實(shí)現(xiàn)通過(guò)改變電壓值來(lái)控制激光器功率的目的。當(dāng)輸出0V時(shí)，激光器關(guān)閉；5V時(shí)，激光器為最大功率。激光器的電源通過(guò)控制卡輸出數(shù)字量信號(hào)控制接觸器來(lái)導(dǎo)通或關(guān)閉。

3 激光雕刻控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)包括監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、AutoCAD文件自動(dòng)編程、激光器設(shè)置、程序編輯下載和回零等操作。上位機(jī)軟件利用VC6.0和Pcomm32動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)主要包括系統(tǒng)初始化PLC程序、回零運(yùn)動(dòng)程序等。

監(jiān)控功能主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各軸運(yùn)動(dòng)位置、速度、限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)等的監(jiān)控；對(duì)激光器功率位置的監(jiān)控等。其實(shí)現(xiàn)方法為在程序中設(shè)置定時(shí)器消息響應(yīng)函數(shù)，定時(shí)反復(fù)通過(guò)PmacGetResponseA（ ）函數(shù)在線讀取控制卡中相關(guān)寄存器數(shù)值，刷新顯示各種狀態(tài)。

AutoCAD文件自動(dòng)編程是激光雕刻機(jī)的重要功能。利用AutoCAD畫(huà)出圖案或者切割路徑，然后保存為DXF文件，由上位機(jī)的自動(dòng)編程軟件讀取處理，自動(dòng)生成PMAC運(yùn)動(dòng)程序。DXF文件是AutoDesk公司開(kāi)發(fā)的AutoCAD與其它軟件交換數(shù)據(jù)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(gòu)成。有七個(gè)段（section），其中實(shí)體Entities段，存儲(chǔ)圖形對(duì)象相關(guān)的信息，是最重要的段。每一個(gè)段又由很多組構(gòu)成，一個(gè)組包括組碼和對(duì)應(yīng)的值。組碼是一個(gè)代碼，指定其后值的類型。 段的開(kāi)始用組碼“0”和值“SECTION”標(biāo)記，結(jié)尾用組碼“0”和值“ENDSEC”結(jié)束。在所有這些段中，實(shí)體段（entities）存儲(chǔ)了圖形實(shí)體相關(guān)的參數(shù)，是自動(dòng)編程需要提取的。在自動(dòng)產(chǎn)生Pmac運(yùn)動(dòng)代碼時(shí)，首先打開(kāi)DXF文件，然后利用循環(huán)體反復(fù)讀取段的組碼和組值，直到找到entities段。在該段中利用循環(huán)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(diǎn)、終點(diǎn)、圓心等信息，然后作為參數(shù)填入Pmac運(yùn)動(dòng)指令中，最終形成Pmac運(yùn)動(dòng)代碼。

4 結(jié)論

采用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡、工控機(jī)和交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成的開(kāi)放式激光雕刻控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了由AutoCAD圖形自動(dòng)形成Pmac運(yùn)動(dòng)控制程序，并對(duì)X、Y軸進(jìn)行精確的伺服運(yùn)動(dòng)控制，也能夠精確調(diào)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(tǒng)工作效率高、穩(wěn)定可靠、開(kāi)發(fā)周期短、成本低，而且后期可以非常方便地對(duì)軟件或硬件進(jìn)行升級(jí)改造。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宗江.新型激光雕刻數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試[J].微計(jì)算機(jī)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(jī)床開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].機(jī)床與液壓，2013，41（19）：88-90，129.

作者簡(jiǎn)介：陳東（1973），山東濟(jì)南人，從事機(jī)電一體化設(shè)備、數(shù)控技術(shù)研究。endprint