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1三維激光切割系統(tǒng)

硬件集成在硬件集成中，我們?cè)O(shè)計(jì)了可拆卸的兩坐標(biāo)激光切割頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以在機(jī)床中實(shí)現(xiàn)激光切割頭和機(jī)械加工裝置的快速更換。光纖激光器產(chǎn)生高功率密度的激光直接通過(guò)光纖進(jìn)入激光切割頭，不用對(duì)原有的機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改造，具有較高的靈活性。三維激光切割裝備圍繞五軸機(jī)床原有西門(mén)子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，充分利用840Dsl提供的各種硬件接口來(lái)實(shí)現(xiàn)激光切割的整體控制功能。工控機(jī)PC上的激光切割控制軟件通過(guò)以太網(wǎng)接口與840Dsl數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)激光切割NC零件程序傳遞、加工部件控制以及加工狀態(tài)檢測(cè);同時(shí)當(dāng)激光切割控制軟件離線(xiàn)編程得到的激光切割工件程序?qū)隢CU中以后，在數(shù)控系統(tǒng)的PCU中也可選擇執(zhí)行激光切割NC工件程序，并通過(guò)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)選擇、設(shè)置所需的切割工藝參數(shù)，直接實(shí)現(xiàn)整個(gè)激光切割加工過(guò)程。840Dsl數(shù)控系統(tǒng)與各加工控制部件通過(guò)相應(yīng)硬件接口相連接:通過(guò)DRIVE－CLiQ接口連接高功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SINAMICS120控制五軸機(jī)床(XYZAC)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)S7－300PLC進(jìn)行I/O口擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)激光切割頭整體控制、激光器初始化控制以及激光切割時(shí)冷卻氣和保護(hù)氣開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)利用NCU中的高速模擬量輸出模塊控制激光器出光功率的快速調(diào)節(jié)，利用NCU中高速I(mǎi)/O模塊控制激光出關(guān)光的快速調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)三維激光切割的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)要求。同時(shí)添加加工輔助設(shè)備(位移傳感器、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等)用于校正誤差、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程;提高加工精度，開(kāi)展多軸激光加工系統(tǒng)誤差及加工速度影響因素研究，建立綜合系統(tǒng)誤差模型及評(píng)估方法，同時(shí)研究設(shè)計(jì)出實(shí)用的加工誤差環(huán)節(jié)診斷技術(shù)方案以及實(shí)際工件尺寸與三維設(shè)計(jì)圖形存在失真條件下激光加工的誤差矯正技術(shù)方案。

2三維激光切割控制軟件功能結(jié)合

三維激光切割系統(tǒng)集成及項(xiàng)目軟件開(kāi)發(fā)需求，控制軟件主要有3大功能模塊組成，，分別是離線(xiàn)編程模塊、加工控制模塊以及工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。其中由離線(xiàn)編程模塊和加工控制模塊組成的激光切割控制軟件運(yùn)行在工控機(jī)PC上，而工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊以O(shè)EM的形式嵌入PCU的HMI軟件中。在離線(xiàn)編程模塊中，首先實(shí)現(xiàn)三維工件建模，加工工件CAD模型的導(dǎo)入，對(duì)激光切割路徑原始數(shù)據(jù)的處理;然后根據(jù)工件切割路徑特點(diǎn)，優(yōu)化切割路徑，選擇最優(yōu)化的加工方法，實(shí)現(xiàn)可視化路徑編輯;之后模擬仿真激光加工整體流程，來(lái)觀察檢測(cè)加工過(guò)程中是否存在碰撞等情況;最后生成用于加工的數(shù)控代碼。在加工控制模塊中，結(jié)合840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的基于C++的二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了用于本項(xiàng)目加工系統(tǒng)的激光切割工藝API(接下來(lái)將在第三章中詳細(xì)介紹)。該API可用于設(shè)置激光切割工藝參數(shù)(切割速度、激光功率、切割頭至工件表面距離等)，并將離線(xiàn)編程模塊中生成的NC工件程序?qū)霐?shù)控系統(tǒng)NCU中，然后執(zhí)行該NC工件程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)激光切割過(guò)程的控制。同時(shí)該API中也可實(shí)現(xiàn)直接單獨(dú)對(duì)激光切割各加工部件控制，其中包括五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制、激光器出光及功率控制以及激光切割頭控制。該加工控制模塊設(shè)計(jì)結(jié)合較為成熟的基于C++開(kāi)發(fā)的離線(xiàn)編程技術(shù)，有效地縮短了項(xiàng)目軟件開(kāi)發(fā)周期，也方便激光切割系統(tǒng)裝備整體調(diào)試。在工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中，針對(duì)不同的加工材質(zhì)厚度和加工工藝要求，建立激光加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，采用SQLite小型數(shù)據(jù)庫(kù)作為工藝參數(shù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)保存、添加、刪除、修改、查詢(xún)等功能。同時(shí)，工藝數(shù)據(jù)庫(kù)與加工參數(shù)設(shè)置相關(guān)聯(lián)，這樣利用含R參數(shù)的NC工件程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一切割路徑，一個(gè)NC工件程序可用于不同工藝參數(shù)組合的激光切割加工，這為加工裝備整體調(diào)試以及后期三維激光切割工藝研究提供便捷的操作方式。

3三維激光切割控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件設(shè)計(jì)架構(gòu);該部分主要介紹與數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)的三維激光切割控制模塊以及激光切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

3．1三維激光切割控制模塊設(shè)計(jì)在本次控制軟件設(shè)計(jì)中，由于西門(mén)子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有提供可直接應(yīng)用于激光加工工藝的C++API接口，因此需要對(duì)840Dsl數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)適用于本項(xiàng)目選用加工部件的激光切割工藝API。西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)提供了多種人機(jī)界面二次開(kāi)發(fā)的方法，可由用戶(hù)根據(jù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)需要進(jìn)行選擇。在本次設(shè)計(jì)中選用了OperatorProgrammingPackage開(kāi)發(fā)方式對(duì)840Dsl數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。該開(kāi)發(fā)方式中，840Dsl數(shù)控系統(tǒng)提供了基于C++開(kāi)發(fā)的底層通訊接口類(lèi)，可直接訪(fǎng)問(wèn)數(shù)控系統(tǒng)底層硬件，其中包含讀寫(xiě)NC系統(tǒng)變量(如R參數(shù)，PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)塊等)、直接訪(fǎng)問(wèn)NC、PLC中數(shù)字量和模擬量輸入輸出以及執(zhí)行NC加工程序;同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，用于加工過(guò)程中實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，該方法完全滿(mǎn)足項(xiàng)目激光切割工藝API的設(shè)計(jì)需求。利用OperatorProgrammingPackage提供的底層通訊接口類(lèi)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)三維激光切割工藝API接口。該API接口直接應(yīng)用于三維激光切割控制軟件的加工部件控制模塊中，利用S7－300PLC中I/O來(lái)進(jìn)行激光器、激光切割頭、輔助氣、冷卻氣等激光切割控制部件初始化控制，利用NC系統(tǒng)變量R參數(shù)設(shè)置并存儲(chǔ)激光切割工藝參數(shù)(如激光功率、切割速度、噴嘴與工件表面距離等)，然后啟動(dòng)NC工件程序，并在加工過(guò)程中對(duì)激光切割控制部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè);在切割過(guò)程中，NCU通過(guò)執(zhí)行NC工件程序來(lái)控制五軸機(jī)床末端激光切割頭運(yùn)動(dòng)、激光器開(kāi)關(guān)光及出光功率，PCU與工控平臺(tái)PC進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)(如機(jī)床實(shí)時(shí)位置、激光功率、切割頭碰撞檢測(cè)等)，實(shí)現(xiàn)整體激光切割加工流程。以下介紹基于840Dsl底層通訊接口類(lèi)開(kāi)發(fā)的激光切割工藝API接口。先介紹下面用到的幾個(gè)840Dsl底層通訊接口類(lèi):

3．1．1SlDataSvc類(lèi)數(shù)控系統(tǒng)中NC和PLC里面的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)都是通過(guò)SlDataSvc對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂圃O(shè)計(jì)用到的系統(tǒng)變量主要包括R參數(shù)、NCU中高速模擬量及數(shù)字量輸出、PLC數(shù)字量輸入輸出。

3．1．2SlPiSvc類(lèi)在控制軟件與NCU通訊時(shí)，可用PiService類(lèi)對(duì)象來(lái)啟動(dòng)執(zhí)行NC工件程序。

3．1．3SlFileSvc類(lèi)利用SlFileSvc對(duì)象可實(shí)現(xiàn)對(duì)文件和目錄的操作。本次設(shè)計(jì)中主要利用其選擇要執(zhí)行的工件程序并導(dǎo)入NCU中?；谏鲜?40Dsl二次開(kāi)發(fā)中提供的底層通訊接口類(lèi)，設(shè)計(jì)了激光切割工藝API接口，分別包含以下幾個(gè)類(lèi)函數(shù):(1)840Dsl數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)類(lèi)CSinumer-ik840Dsl該類(lèi)直接調(diào)用底層通訊接口類(lèi)對(duì)象，用于提供840Dsl數(shù)控系統(tǒng)中R參數(shù)、軸位置反饋、NC高速模擬量及數(shù)字量接口、PLCI/O讀寫(xiě)操作，NC工件程序?qū)隢CU中以及NC工件程序啟動(dòng)執(zhí)行等用于實(shí)現(xiàn)三維激光切割加工的基礎(chǔ)控制功能。(2)激光器控制函數(shù)類(lèi)CIPGLaser激光器控制類(lèi)是在840Dsl數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)類(lèi)CSinumerik840Dsl的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，用于實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中IPG10kW激光器的控制。其中利用PLCI/O實(shí)現(xiàn)激光器控制初始化以及激光引導(dǎo)光開(kāi)關(guān)，利用NCU中高速模擬量輸出(0～10V)控制激光輸出功率，高速數(shù)字量輸出用于控制激光出關(guān)光。同時(shí)在激光切割過(guò)程中，對(duì)激光器工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在緊急情況下急停激光器。3)激光切割頭控制函數(shù)類(lèi)CPrecitecHead激光切割頭控制函數(shù)類(lèi)也是在840Dsl數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)類(lèi)CSinumerik840Dsl的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中PRICITEC激光切割頭系統(tǒng)控制。其中利用PLCI/O實(shí)現(xiàn)Z浮隨動(dòng)調(diào)節(jié)模式開(kāi)關(guān)，利用NCU中高速模擬量輸出(0～10V)控制切割頭噴嘴至工件表面距離。

3．2激光切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)根據(jù)項(xiàng)目需求，本次開(kāi)發(fā)的激光切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)包含2mm、4mm、8mm3個(gè)規(guī)格的鋁合金材料激光切割的切割工藝參數(shù)以及切割質(zhì)量參數(shù)，其中切割工藝參數(shù)包括激光功率、切割速度、氣體壓力、氣體類(lèi)型、切割頭噴嘴開(kāi)口直徑及噴嘴至工件表面距離等，切割質(zhì)量參數(shù)包括粗糙度、切口寬度、切口垂直度、掛渣量、重熔區(qū)和熱影響區(qū)寬度等)。軟件設(shè)計(jì)中，基于Qt開(kāi)發(fā)框架利用VS2008進(jìn)行軟件編譯，利用QtDesigner進(jìn)行圖形界面設(shè)計(jì)，編譯完成后以O(shè)EM形式嵌入到數(shù)控系統(tǒng)PCU的HMI操作軟件中，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLite3輕型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該數(shù)據(jù)庫(kù)支持跨平臺(tái)，操作簡(jiǎn)單，可以使用多種語(yǔ)言直接創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，不需要后臺(tái)應(yīng)用軟件支持，支持SQL語(yǔ)句指令實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)庫(kù)操作功能，并且源碼完全開(kāi)放，可以用于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的深度開(kāi)發(fā)。該激光切割工藝數(shù)據(jù)庫(kù)具備不同厚度板材加工數(shù)據(jù)庫(kù)選擇查詢(xún)、修改、添加以及刪除數(shù)據(jù)等操作功能，同時(shí)結(jié)合激光切割加工應(yīng)用，可直接選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中某一組工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，利用含R參數(shù)的NC工件程序，實(shí)現(xiàn)在同一切割路徑時(shí)，一個(gè)工件程序可用于不同工藝參數(shù)組合的激光切割加工，方便NC工件程序中工藝參數(shù)設(shè)置，可直接用于下一次激光切割。

4結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)在沈陽(yáng)中捷的五軸龍門(mén)機(jī)床測(cè)試結(jié)果證明，三維激光切割控制軟件設(shè)計(jì)很好的實(shí)現(xiàn)了在三維激光切割過(guò)程中各加工部件控制，激光功率、切割速度、切割頭與工件表面距離等激光切割工藝參數(shù)實(shí)時(shí)可調(diào)，滿(mǎn)足三維激光切割技術(shù)要求。(2)項(xiàng)目還在繼續(xù)研究，目前處于設(shè)備整體調(diào)試階段，設(shè)備裝配調(diào)試正常，但該復(fù)合加工設(shè)備尚未加工實(shí)體工件，激光切割工藝以及加工精度、誤差分析等研究將是下一步工作重點(diǎn)。(3)該項(xiàng)目研究中選用的數(shù)控系統(tǒng)具有一定普遍性，研究?jī)?nèi)容也可用于現(xiàn)有的機(jī)床改造工作中，將原有的機(jī)械加工機(jī)床改進(jìn)為機(jī)械與激光復(fù)合加工設(shè)備。

作者：孫曉蔣明陳聰高明曾曉雁單位：華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室