尹昭輝 葉 暢

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

激光加工技術(shù)一直以來(lái)都是國(guó)家重點(diǎn)支持和推動(dòng)應(yīng)用的一項(xiàng)高新技術(shù)，特別是國(guó)家在“十二五”規(guī)劃中將高端裝備制造業(yè)列為重要的新興產(chǎn)業(yè)，這對(duì)激光加工技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用帶來(lái)了發(fā)展的良好機(jī)遇，也勢(shì)必將對(duì)激光加工機(jī)床的制造和產(chǎn)品升級(jí)帶來(lái)了巨大商機(jī)。而隨著激光技術(shù)的越加成熟，它的應(yīng)用廣泛性也越來(lái)越大，已涉及到很多日常用品的領(lǐng)域，如有機(jī)玻璃、塑料、包裝工業(yè)、廣告標(biāo)牌、證件卡片等。特別是對(duì)于內(nèi)雕、裁剪、鏤空、繡花和切割加工，小功率的激光加工機(jī)床就更顯示出了優(yōu)越性，價(jià)位低、體積小、操作簡(jiǎn)單，更適合國(guó)情。那么在小功率25～100 W級(jí)的激光器主要采用CO2，以二維切割為主。所以這種自動(dòng)控制、非接觸、速度快、智能程度較高、操作方便、性價(jià)比高的小功率CO2激光加工機(jī)床必將具有廣泛的市場(chǎng)前景。本文對(duì)激光切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件組成和控制方法等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究，設(shè)計(jì)出了一款適合非金屬加工的小功率CO2激光切割機(jī)床。

1 激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

本文涉及的激光切割機(jī)二維加工和立式數(shù)控銑床的加工相似，結(jié)合工作幅面、運(yùn)動(dòng)快速性、經(jīng)濟(jì)型和全封閉等方面的要求，采用橫梁式飛行光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠滿足X、Y方向切割運(yùn)動(dòng)，Z方向則可采用手工控制升降臺(tái)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

基礎(chǔ)部分由底座、安裝導(dǎo)軌、工作臺(tái)面和橫梁組成。底座設(shè)計(jì)成為一箱體框架結(jié)構(gòu)，剛性好、重量輕，底部安裝移動(dòng)滾輪;安裝平臺(tái)則主要是安裝導(dǎo)軌，左右雙導(dǎo)軌，形成機(jī)床的Y軸;在雙導(dǎo)軌上安裝滑塊，滑塊用于安裝橫梁，橫梁上導(dǎo)軌形成機(jī)床的X軸;工作臺(tái)臺(tái)面安裝在底座箱底框架內(nèi)，由平臺(tái)和支撐部分組成，可以完成升降功能;激光發(fā)生裝置安裝在機(jī)床后側(cè)，激光頭安裝在橫梁滑塊上;另配備排煙裝置。

2 激光切割機(jī)控制部分設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)運(yùn)動(dòng)控制部分的要求

激光加工機(jī)床作為一種非接觸切削的特種加工設(shè)備，加工面積小、累計(jì)運(yùn)動(dòng)線路長(zhǎng)、啟停頻繁，沒(méi)有切削力，所以對(duì)運(yùn)動(dòng)的定位精度要求不是很高，但要求切割速度要快，而且要求快加速，以提高激光切割加工的平均運(yùn)動(dòng)速度，提高加工效率，這樣將對(duì)系統(tǒng)的位置控制算法提出了高的要求，還要有良好的功率和速度匹配;還要求運(yùn)動(dòng)控制具備很好的通用性，可實(shí)現(xiàn)多軸步進(jìn)細(xì)分控制;具備多路激光數(shù)字和模擬控制輸出;還應(yīng)具備足夠的功能擴(kuò)展I/O口;另外在反向間隙補(bǔ)償功能、Z軸聯(lián)動(dòng)功能、硬限位、斷電續(xù)雕功能和多定位點(diǎn)邏輯等方面都應(yīng)有具體的要求。

2.2 激光切割機(jī)控制卡的選取

我們?cè)趯?duì)市場(chǎng)上激光切割機(jī)控制卡進(jìn)行了綜合的考量，在滿足本切割機(jī)使用要求的前提下，結(jié)合功能、價(jià)格、可靠性和技術(shù)服務(wù)等因素，決定選用睿達(dá)科技的RDLC320－A運(yùn)動(dòng)控制卡。該板卡具有更好的抗高壓、抗靜電干擾的能力;多路通用大電流I/O，可方便功能擴(kuò)展;兩路獨(dú)立數(shù)字/模擬功率接口，軟件可分別調(diào)節(jié)，方便雙激光頭控制;支持客戶加工工時(shí)預(yù)覽（預(yù)覽準(zhǔn)確率100%，預(yù)覽時(shí)間和實(shí)際加工時(shí)間精確到毫秒級(jí)）;支持機(jī)器的反向間隙補(bǔ)償功能;具備Z軸聯(lián)動(dòng)功能;支持硬限位;具備斷電續(xù)雕功能;支持系統(tǒng)開(kāi)機(jī)復(fù)位可選（即可以開(kāi)機(jī)復(fù)位或不復(fù)位）;支持多定位點(diǎn)邏輯（即可設(shè)置多個(gè)定位點(diǎn)，從不同定位點(diǎn)啟動(dòng)工作）;軟件支持內(nèi)縮、外擴(kuò)功能互補(bǔ);可導(dǎo)出為兩種圖形格式（AI、PLT）等功能，可以滿足使用要求。

采用高精度32位浮點(diǎn)DSP+FPGA為核心的高速處理控制器，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)超前預(yù)處理算法。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率高，機(jī)器的運(yùn)行速度理論上只受限于機(jī)器和驅(qū)動(dòng)器本身，而不受限于控制主板的運(yùn)行速度。其主要接口如圖2所示。

2.3 驅(qū)動(dòng)器的選取

為了滿足運(yùn)動(dòng)精度和速度的要求，機(jī)床應(yīng)用的是兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了能夠和該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)匹配并能實(shí)現(xiàn)細(xì)分，我們選擇樂(lè)創(chuàng)DMD605步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件。該驅(qū)動(dòng)器采用純正弦波電流控制技術(shù)，可輸出電壓、電流廣泛，細(xì)分?jǐn)?shù)最高可達(dá)128，適合控制兩相或四相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而且振動(dòng)小、噪聲低、溫升慢，可以使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，其主要接口如圖3所示。

2.4 激光電源的選用

由于此激光切割機(jī)為CO2小功率型，設(shè)計(jì)功率80 W，在激光電源選取上我們采用樂(lè)創(chuàng)激光 CGJ－1200 CO280 W激光電源。它采用先進(jìn)的軟開(kāi)關(guān)PWM半橋逆變技術(shù)，可通過(guò)電腦自動(dòng)控制激光功率，恒流控制電路、多功能觸發(fā)電路以及過(guò)流過(guò)壓保護(hù)等控制電路，使其具有優(yōu)越的恒流特性和觸發(fā)脈寬窄，保護(hù)功能齊全，接口能力強(qiáng)大，它的輸入電壓220 V，工作電壓16 kV，模擬電壓控制，TTL低電平觸發(fā)。其主要接口如圖4所示。

3 硬件的連接

3.1 控制卡和步進(jìn)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器連接

此激光切割機(jī)由3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向組成，X/Y/Z，X/Y運(yùn)動(dòng)由控制卡控制，Z方向?yàn)樯灯脚_(tái)，由手持控制單元控制。其具體連接如圖5所示。

其中:控制卡上的驅(qū)動(dòng)輸出接口PUL+、PUL－、DIR－、DIR+分別和細(xì)分驅(qū)動(dòng)器上的4個(gè)一一對(duì)應(yīng)的位置相連，產(chǎn)生脈沖信號(hào)和控制脈沖信號(hào)的方向。細(xì)分驅(qū)動(dòng)器上A+、A－、B+、B－和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的A/B相相連，用來(lái)控制兩項(xiàng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)和電機(jī)的轉(zhuǎn)向，DC－、DC+接開(kāi)關(guān)電源，電壓范圍為+20～+60 V。X/Y/Z三個(gè)方向的接線均如圖5所示，但在具體的細(xì)分上可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

3.2 激光控制部分連接

激光控制部分主要是由控制卡發(fā)出模擬激光控制信號(hào)，然后控制激光電源產(chǎn)生高壓，來(lái)激發(fā)激光管發(fā)出激光。其硬件連接如圖6所示。其中，由于我們選用的是模擬激光電源，所以在控制卡上的激光控制接口用模擬控制接法。L－AN1輸出模擬控制電壓;LON1用于控制開(kāi)關(guān)激光，低電平有效;LGND為激光電源的5 V輸出接地。以上3個(gè)口和激光電源的模擬信號(hào)輸入口相連，其中還接入1個(gè)水流控制信號(hào)作為開(kāi)關(guān)激光信號(hào)的1個(gè)前置信號(hào)，也就是說(shuō)要開(kāi)激光的前提必須是水在流動(dòng)，用于保護(hù)激光管。激光電源上有一220 V電源輸入接口，有一高壓輸出端接到激光管的正端，激光管另一端有效接地。

3.3 其他硬件部分的連接

此激光切割機(jī)除了以上步進(jìn)驅(qū)動(dòng)和激光控制以外，還設(shè)置有限位、零點(diǎn)、控制卡、PC機(jī)以及手持單元的連接等其他硬件部分，也需要按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行連接，如圖7所示。其中，控制卡上的HMT接口連接一手持單元控制面板，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制功能;24 V電源接口連接開(kāi)關(guān)電源24 V端口;X/Y方向限位接口中+5 V、LMTX－、LMTY－、GND四個(gè)端子分別接切割機(jī)橫梁上2個(gè)方向的接近開(kāi)關(guān)，用于控制機(jī)器在開(kāi)機(jī)后的原點(diǎn)識(shí)別;另一USB接口連接PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)基于USB的計(jì)算機(jī)軟件控制功能。

4 結(jié)語(yǔ)

該機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制部分經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)完成后，再配以相應(yīng)的雕刻切割軟件，能夠完成非金屬激光加工的各項(xiàng)控制功能，操作方便，激光工作正常，各方向運(yùn)行速度穩(wěn)定、啟停平穩(wěn)，在一玻璃工藝品雕刻、亞克力板切割試驗(yàn)后效果良好。

這種基于DSP+FPGA的核心控制器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、模擬激光電源控制的小功率CO2激光切割機(jī)床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，也能為同類(lèi)激光加工機(jī)床的研制和創(chuàng)新提供依據(jù)。

［1］余緯，李尚政，張日升.YAG固體加工機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010，38（24）:83 －85.

［2］鄧樹(shù)森.我國(guó)激光加工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及市場(chǎng)展望［J］.光機(jī)電信息，2007（2）:19－22.

［3］甘家梁，孫紅安，唐海昌.中低功率CO2激光切割機(jī)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011（9）:1 －5.