激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)研究

1、    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圖形文件自動編程和精確的運動控制能力。利用pmac運動控制卡、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動態(tài)鏈接庫、mfc類庫及控制卡指令等編寫出控制系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了對兩軸的伺服運動控制和激光發(fā)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(yōu)點。關(guān)鍵詞：激光；雕刻；控制系統(tǒng)doi：10.16640/ki.37-1222/t.2017.20.2601 引言激光切割是把激光束的能量聚焦在材料上，對其進(jìn)行燒熔和氣化，從而實現(xiàn)切割加工的效果1。激光雕刻機(jī)

2、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：（1）非接觸式加工，對機(jī)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(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，要求實現(xiàn)x、y軸的協(xié)同運動，能利用cad圖形文件自動編程轉(zhuǎn)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(jī)組成開放式控制系統(tǒng)，可以用較低成本實現(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、傳動系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。傳動系統(tǒng)

3、中x、y兩個軸都采用同步帶傳動，具有傳動比精確、維護(hù)簡便和傳動效率高的優(yōu)點。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。該激光器簡單可靠。而且可以利用05v電壓信號對功率進(jìn)行連續(xù)調(diào)整。當(dāng)電壓為5v時，為最大功率?？刂葡到y(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)動器及交流電機(jī)、限位開關(guān)、激光器和電源開關(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運動控制卡，具有4路模擬電壓輸出，最多可以控制四軸協(xié)同運動；具有32

4、路i/o數(shù)字接口。在該控制系統(tǒng)中，三路模擬量輸出±10v電壓信號到x、y、z軸，控制軸的伺服運動。其中x、y軸可以協(xié)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(qū)動激光器上下位移，調(diào)整焦距。x、y軸具有限位開關(guān)，以保證運動不超限，避免發(fā)生激光頭與機(jī)架等碰撞。x、y軸采用半閉環(huán)運動控制方式，交流電機(jī)尾部的編碼器直接反饋正交編碼信號給接口卡和運動控制卡，然后再由運動控制卡進(jìn)行pid算法控制，從而實現(xiàn)x、y軸的精確協(xié)同插補(bǔ)運動?？ǖ牡谒穆纺M電壓輸出用于控制激光器功率。通過設(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，實現(xiàn)通過改變電壓值來控制激光器功率的目

5、的。當(dāng)輸出0v時，激光器關(guān)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(shù)字量信號控制接觸器來導(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動態(tài)鏈接庫函數(shù)編程實現(xiàn)。下位機(jī)主要包括系統(tǒng)初始化plc程序、回零運動程序等。監(jiān)控功能主要實現(xiàn)對系統(tǒng)各軸運動位置、速度、限位開關(guān)狀態(tài)等的監(jiān)控；對激光器功率位置的監(jiān)控等。其實現(xiàn)方法為在程序中設(shè)置定時器消息響應(yīng)函數(shù)，定時反復(fù)通過pmacgetresponsea（ ）函數(shù)在線讀取控制卡中相關(guān)寄存

6、器數(shù)值，刷新顯示各種狀態(tài)。autocad文件自動編程是激光雕刻機(jī)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(jī)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(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。有七個段（section），其中實體entities段，存儲圖形對象相關(guān)的信息，是最重要的段。每一個段又由很多組構(gòu)成，一個組包括組碼和對應(yīng)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(biāo)記，結(jié)尾用組碼“

7、0”和值“endsec”結(jié)束。在所有這些段中，實體段（entities）存儲了圖形實體相關(guān)的參數(shù)，是自動編程需要提取的。在自動產(chǎn)生pmac運動代碼時，首先打開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?。╝rc）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(shù)填入pmac運動指令中，最終形成pmac運動代碼。4 結(jié)論采用pmac運動控制卡、工控機(jī)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)等構(gòu)成的開放式激光雕刻控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了由autocad圖形自動形成pmac運動控制程序，并對x、y軸進(jìn)行精確的伺服運動控制，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、開發(fā)周期短、成本低，而且后期可以非常方便地對軟件或硬件進(jìn)行升級改造。參考文獻(xiàn)：1王宗江.新型激光雕刻