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基於DMCl856的五軸激光切割機控製係統（tǒng）研究

2017-1-17 來源：大連交通大學作者：席宏昌，林盛，王春

摘要：針對大功率、高精度、三維立體激（jī）光切割技術的控製問（wèn）題，對多軸聯動（dòng）激光切割技術的軌跡插補和速度（dù）控製等問題進行了研究，提出了一（yī）種基於DMCl856運（yùn）動控製器的五軸激光切割控製方案。激光切割主機采用了龍門倒掛式，其具有驅動（dòng）激光頭沿空間運動的x、y、z軸，以及激光（guāng）頭擺動的A、C軸（zhóu）共5個坐標軸。控製係統采用了Nc嵌（qiàn）入（rù）Pc的雙CPU方式，在Pc的Windows 7操作（zuò）係統環境（jìng）下，以．NET Framework為框架，開發了控製係統的後台管理程序、非均（jun1）勻有理B樣條曲線(NURBS)插補預處理算法等（děng）；Nc部分以GALIL運（yùn）動控（kòng）製器（qì）DMCl856為核心，完成了NURBS插補（bǔ）的實時部分、位置控製、外圍邏輯控製(PLC)等。在Matlab環（huán）境下對（duì）控製係統的NURBS插（chā）補算法與速度控製算法進行了仿真實驗。研究結果表明，該控製（zhì）係（xì）統適用（yòng）於複雜自由空（kōng）間曲（qǔ）麵的激光切（qiē）割，滿足現代加（jiā）工的（de）高速、高精度要（yào）求。

關（guān）鍵詞：GALIL運動控製器；激光切割；NURBS插補

0.引言

激（jī）光切割技術是激光加工中（zhōng）應用最早、使用最多的加工方法。與其他切割方法相比，激光切割具有（yǒu）高速、高精度和高（gāo）適應性的特點。同時激光切割還具有切割無噪聲、切縫垂（chuí）直度（dù）好、割（gē）縫細、熱影響區小（xiǎo）、切（qiē）割過（guò）程容易實現自（zì）動（dòng）化控製等優（yōu）點。可切割材料不僅包括合金鋼、碳鋼（gāng）、鋁等（děng）金屬材料，還包括布（bù）、橡膠、石英、玻璃及複合材料等。

目前，意大利PRIMA、瑞士百超BYSTRONIC和德國通快TRUMPF等國際知（zhī）名公司已經開發出（chū）了大功率（lǜ）、大幅麵、高速、飛行光路、多維立（lì）體、數控自動化的激光切割機，所采用的控製係統也各（gè）具特色（sè），RAPIDO(意大利PRIMA)五軸激光切割機所采用的（de）控製係統可以進行連續空間插補和工具中心點控製，Byspeed係列激光切割機(瑞士BYSTRONIC)上的控製係（xì）統可以根據切割參數自動調整焦（jiāo）點位置，使之在整個切割區域內保持最佳（jiā），TRUMPF公司（sī）的多種產（chǎn）品所使用的控製係統帶有Auto Plus調控裝置（zhì），可以（yǐ）減（jiǎn）少人工幹（gàn）預、提（tí）高切割質量、縮（suō）短準備時間。日（rì）本馬紮克公司生產的激光切割機所配備的控製（zhì）係統不但（dàn）可以切割三維工件還有專門的型（xíng）材切割軟件，同時還配有刀具，激光切割完成後能進行攻絲倒角（jiǎo）以及絞孔。

我國自主（zhǔ）生產的激光切割設備大多數屬於中低（dī）端產品，與國外產品相比，切（qiē）縫寬（kuān）、表麵質量、機（jī）械（xiè）精度、整機的穩定性與柔性都較差，所采用的控製係統（tǒng）絕大多數是國外通用機床（chuáng）控製係統。為擺脫發達國家在先（xiān）進的高精度激光切割控製係統方麵對（duì）我國實（shí）施的技術封鎖，我國一些高等院校和科研機構（gòu）陸續開展（zhǎn）了（le）相關方麵的研（yán）究。清華大學的張永強，天津大學的李侃（kǎn）均構建了基於工業（yè）PC和（hé）PMAC運動控製卡的激光切割控製係統，為了提高軟件的實時性，李侃舊剖采用了（le）windows ces作為（wéi）開發平台；哈（hā）爾濱工業大學的呂善進等（děng）人M1所開發（fā）的控製係統（tǒng）對激光切割過程（chéng）中的信號進行了監測和分析（xī），對提高切割質（zhì）量具有深遠的意義，但以（yǐ）上研究對於複雜的空間自由曲麵切割（gē）的軌跡問題都沒有（yǒu）進行深入的探討（tǎo）。

為此，本研究以DMCl856運動（dòng）控製器為核心，將NURBS插補算法與速度控製算法融合開發專用的五軸激光切（qiē）割控製係統，並在Matlab環境下對控製係統切割複雜的自由空間曲麵進行仿真驗證。

1.激光切割係統原理

激光切割的工作原理為激（jī）光（guāng）發生器發出的光束經過光路係統，聚焦成高功率密度的的激光束，照射在被切割材料的（de）表麵，使被切割材料迅速（sù）融化、氣化（huà）、燒蝕或達到燃（rán）點，利（lì）用與激光束同軸的高（gāo）速輔助氣體吹除（chú）熔融物以形成孔洞，隨著被切割材料與激光束的相對運動，在切割材料上形成割縫，最（zuì）終形（xíng）成給定形狀的切割。激光切割係統主要由控（kòng）製係統、切割（gē）主機、激光器3部分組成。控製係統是整個（gè）係統的核心，負責協調整個係統的正常工作，其中最核心（xīn）的任務是（shì）完成軌跡（jì）控製、焦點位置控（kòng）製及機、光、電一體的協（xié）調。切割主機機構示意圖如圖l所（suǒ）示。

激光切割主機有5個運動（dòng）軸，包（bāo）括水平方向的x、y軸，豎直方向的z軸及（jí）控製激光器繞z軸旋（xuán）轉（zhuǎn）的C軸(旋轉（zhuǎn）角度為3600)及繞x軸擺動的A軸（zhóu）(擺動角度為4-90。)。切割（gē）機在完成複雜自由曲麵三維工件的的

圖1切割（gē）主機機構示意圖（tú）

切割過（guò）程中激光頭必須時刻處於被切割材料的法向方向，因此與（yǔ）平麵切割不同，係統不僅（jǐn）需要控製X、y、z 3個平動軸的運（yùn）動，還需要控（kòng）製A、C兩（liǎng）個轉動軸的運動，協調5個運動軸的運動走出一條較為（wéi）複雜的空間自由曲線切割路徑。

2.控製係統的硬件設計

激光（guāng）切割機控製係統的硬件組（zǔ）成部分如圖（tú）2所（suǒ）示。

圖2控製係統硬件連（lián）接示意圖

工業PC機作為上位機，主要完成係統調度、人機交互、激光切割程序的輸入和解釋、參數設置、狀態顯示，通過PCI總線向下位機發送（sòng）控製指令及根據（jù）反饋信息的進行相關操作（zuò）等非實時性任務；下位機的核心是DMCl856運動控製器，其通過PICM3900．S互聯模塊與切割機的伺服電機驅動器、編碼器、限位開關、零點（diǎn）開關等部件相（xiàng）連接，DMCl856根據上位機發送（sòng）的激光頭運動的軌跡坐標信息使用多（duō）線程（chéng）技術控製x、y、z、A、C軸（zhóu）的運動，同時反饋運動控製狀態等實時（shí）性信（xìn）息（xī）。每塊PICM3900一S僅提供與4個坐標軸信號（hào）的（de）接（jiē）口，本研究采用DMCl856控製器，控製有x、l，、Z、A、C五軸，所以需要采用兩塊PICM3900一S互聯模塊。

3.係（xì）統軟件設（shè）計

3．1軟件結構

係統軟件由管理模塊和控製模塊（kuài）兩部分組成，控製係統結構層（céng）次示意圖如圖3所示。

圖3控（kòng）製係統結構層次示意（yì）圖

管理模塊（kuài）主要包（bāo）括（kuò）輸入輸出、參數設置、顯示診斷等（děng）程序；控製模塊包括譯碼、插補運算、位置控製等部分組成。插補運算是控製模塊實現運動控製的核心部分，它根據激光加工的NC程序給出的軌跡數據，通過實時計算密化力n-r_軌跡，輸出各軸的進（jìn）給分量，控（kòng）製切割機根據速（sù）度控製算法優化出的速度沿（yán）既定軌跡運動（dòng）。

3．2五軸等距雙NURBS插補算法研究

傳統的CNC數控係統隻（zhī）具備直線和圓弧插補運算功能，當需要走出一（yī）條自由的空間曲線切（qiē）割路徑時（shí），係統根據加工誤差的允許值將走刀（dāo）路徑離散成大量的直線和圓弧，之後數控係統利用直線和圓弧插補算法完成加（jiā）工軌跡的密化。因此傳統的數控係統在切割空間曲線（xiàn）時（shí）會大大地降低切割軌跡曲線的連續性，使加速度與進給速度的不連續，進而造成進給不（bú）均勻、不平滑，同時由於頻繁（fán）的加減速對機床的動態性能要求較高（gāo）。為滿足高速、高精度的切割要求，該控製係統開發了NURBS插補算（suàn）法。

NURBS曲線插補算法分為預處理和實時處理兩部分（fèn），NURBS插補係（xì）統框圖如圖4所示。插補預處（chù）理根據NC程序給出的輪廓軌跡（jì）點及雙NURBS模型擬合出兩條NURBS曲（qǔ）線，並（bìng）求出（chū）雙NURBS曲線之間參變量之間的關係。實時處理（lǐ）分兩步來完成：①插補點參數密化，根據速度控製算法優化下一插（chā）補周期內的進給速度，計算進給步長，求出與其相對應的參數值；②插補點軌跡計算，根據參數值，計算下一插補點的（de）坐標值、各軸的運動增量m。7 J。本研究采用（yòng）的五軸NURBS插補指令格式如下所示(其中：G06．3一NuRBs插補開始標誌（zhì）；P一曲線冪

圖（tú）4 NURBS插補係（xì）統框圖

激光頭（tóu）沿著輪廓曲線進行切（qiē）割時，受工（gōng）件的物理特（tè）性、加工工藝、加工軌跡及切割機自身動態特性的影響，需要（yào）及時調整每個插補周期內的位移進給量ALi=V／T，以滿足高速、高精度加（jiā）工要求。由於插補周期T固定不（bú）變，需要及時調整每個插補周期內的進給速度。融合基於曲（qǔ）率的速度控製算劃131與自（zì）適應速度控製算法‘14]，本研究每個插補周期內（nèi）的進給速度取值為：

4.仿真（zhēn）實驗（yàn）與結果分析

待（dài）切割工件如圖5所（suǒ）示。

圖5待切割工件

本研究要求激光切割機沿圖中所示黑色線條逆時針方向進行切割，則切割軌跡中由A至曰為一空間自由（yóu）曲線，與傳統的控製係統使用大量的微小直線段對A至B的自由曲線進行擬（nǐ）合不同，該控製係統采用的NURBS曲線插補方法將切割軌跡擬合成一條光滑的NURBS樣條曲線。筆者通過對UG後置處理模塊進行二次開發，生成具有本（běn）研究所提出的雙NURBS插補算法的NC代碼L15。16 J。切割加工程序中NURBS代碼段為：

NURBS插補（bǔ）算法解釋程序的設（shè）計思想與傳統的解釋程序相同：建立一個和NURBS代碼程序相對應的結構‘171。通過解釋程序識別NURBS代碼（mǎ）段（duàn），將代（dài）碼逐行讀人，經過轉換將信息存儲進不同的控製數組，等待NURBS算法利用數組的信息進行計算以得到完（wán）整的NURBS曲線。

DMC運動控製器（qì）擁有自身的雙字符指令係統，NC代碼（mǎ）經過上述處理之後，需（xū）要將加工程序翻譯成使用（yòng）運動控製器的雙字符指令表示的程序，而後（hòu）使（shǐ）用接口函數（shù）將加工程序下（xià）載進運動（dòng）控製器。本研究采用的方（fāng）法是在上位機(PC)中建立功能代碼替換表數據庫（kù），在翻譯階段利用代碼替換表將NC代碼翻譯成雙字符指令程序。以下是翻譯模（mó）塊的部分（fèn）程序：

代碼替換表中實現G06．3NURBS曲線插補命令的DMC雙字符指令是（shì）插補聯動命令LM[18I。在插補聯動運動方式中，各軸以矢量速度(VS)，矢量加速度(VA)，矢量減速度(VD)沿規定的軌跡聯動運動（dòng），運動軌（guǐ）跡是根據各軸的增量距離(LI)來產生。插補聯動命令LM對（duì）運（yùn）動長度沒有限製，可以給出無限增量線段。但是由於緩衝區存儲容量有限(最多允許存儲（chǔ）511個線段)，故在插補聯動過程（chéng）中，需要不斷地向緩衝區內增加線（xiàn）段數以保證NURBS插補的連續。筆者運用運動控製器的多線（xiàn）程技術，將實時插補分為4個線程（chéng）。主線程使用（yòng）聯動插（chā）補命令（lìng）LM實現運動控製；子線程（chéng）1使用一LM命令去查詢緩衝（chōng）區中的（de）線段數，當緩衝區（qū）中的線段（duàn）數（shù）小於一定（dìng）數目時(本研究規定511)，查詢上位機交互子線程（chéng）2，如果插補沒有完成則向緩衝區添加插補線段；線程2與上位機交互，讀（dú）取NURBS曲（qǔ）線特征參數及判斷NURBS插補是否完成；線程3進行速（sù）度優化與插補（bǔ）線段的生成。用插補聯動命令（lìng）LM實現NURBS實時插補的部分程序代碼如下：

數組XPOS[MAX]，YPOS[MAX]，ZPOS[MAX]中存儲的是x，l，，z各軸的坐標增量，APOS[MAX]，CPOS[MAX]存儲的是A，C兩個旋轉（zhuǎn）軸的坐標增量，SP[MAX]中存儲的是各個增量線段對應的矢量速度，VTIME、ACC、DCC用於存儲時間常數與加、減速度。在Matlab中（zhōng）進行仿真（zhēn）試驗可（kě）得等距雙NURBS軌跡圖如圖6所示與激光頭軸線矢量圖如圖7所示，圖6是利用本研究所提出的插補算法在Maflab軟件下模擬切割（gē）機控製係統在切割過程中對切割軌跡（jì）進行NURBS插值計算後得到的雙NURBS曲（qǔ）線，由圖7可知插值所得的軌跡光順性良好（hǎo）；圖7是相應的軸線矢量圖，由圖可知在切割過（guò）程中，激光頭的軸（zhóu）線始終（zhōng）位於待（dài）切割材料的表麵的法線方（fāng）向，在加入速度控製（zhì）算法之（zhī）後，在曲線的曲率變化較大的地方，軸線（xiàn）分布十分密集，即切割的速度會大大的降低以控製切割（gē）誤差，進而（ér）提高切割質（zhì）量，避免切割加工完成以後在（zài）軌跡路徑上出現材料未（wèi）被切開點。

圖6等距雙NURBS軌跡

圖7激光（guāng）頭軸線矢量位（wèi）置

5.結束語

本研究設（shè）計的激光切割控製係統是基於PC+NC的方式，NC采用（yòng）GALIL運動控製器DMCl856、PICM一（yī）3900S互聯模塊及伺（sì）服係統（tǒng）。開發了NURBS插補（bǔ）算法並（bìng）利用DMC自身指令係統加以實現，完成對x、y、z、A、C軸的精確運動控製進而能（néng）夠實現較為複雜的空（kōng）間自由曲線的切割工藝；NURBS插補算法分為預處理及實時處理兩個階段，大量的計算任務放（fàng）在非實時周期的預處理階段完成，縮短了插補周期進而（ér）提高了控（kòng）製（zhì）係統的實時性和激光切割（gē）的（de）精度，Matlab仿（fǎng）真實（shí）驗結果表明該控製係統的插補（bǔ）算法（fǎ）滿足現代高速，高精度的切割要求。

係統的底層采用成熟的運動控製（zhì）器加以實現，具有良好的開（kāi）放性，後續開（kāi）發中可以通過添加（jiā）不（bú）同的功能模塊來擴充係統的功能。此外，該係統開發周期短、人機界麵交互（hù）好、自動化程（chéng）度高、性價比優異，有助於我國突破國外（wài）的技術限製，因此具有良好（hǎo）的應用前景及使用價值。

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