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1三維激光切割系統(tǒng)

硬件集成在硬件集成中，我們設(shè)計了可拆卸的兩坐標激光切割頭機械結(jié)構(gòu)，可以在機床中實現(xiàn)激光切割頭和機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光纖進入激光切割頭，不用對原有的機床結(jié)構(gòu)進行任何改造，具有較高的靈活性。三維激光切割裝備圍繞五軸機床原有西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)來進行集成設(shè)計，充分利用840Dsl提供的各種硬件接口來實現(xiàn)激光切割的整體控制功能。工控機PC上的激光切割控制軟件通過以太網(wǎng)接口與840Dsl數(shù)控系統(tǒng)進行人機交互，實現(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;同時當激光切割控制軟件離線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，并通過工藝數(shù)據(jù)庫選擇、設(shè)置所需的切割工藝參數(shù)，直接實現(xiàn)整個激光切割加工過程。840Dsl數(shù)控系統(tǒng)與各加工控制部件通過相應(yīng)硬件接口相連接:通過DRIVE－CLiQ接口連接高功率驅(qū)動系統(tǒng)SINAMICS120控制五軸機床(XYZAC)運動，通過S7－300PLC進行I/O口擴展來實現(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冷卻氣和保護氣開關(guān)控制，同時利用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/O模塊控制激光出關(guān)光的快速調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)三維激光切割的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)要求。同時添加加工輔助設(shè)備(位移傳感器、數(shù)字攝像機等)用于校正誤差、實時監(jiān)測加工過程;提高加工精度，開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)誤差模型及評估方法，同時研究設(shè)計出實用的加工誤差環(huán)節(jié)診斷技術(shù)方案以及實際工件尺寸與三維設(shè)計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)集成及項目軟件開發(fā)需求，控制軟件主要有3大功能模塊組成，，分別是離線編程模塊、加工控制模塊以及工藝數(shù)據(jù)庫模塊。其中由離線編程模塊和加工控制模塊組成的激光切割控制軟件運行在工控機PC上，而工藝數(shù)據(jù)庫模塊以O(shè)EM的形式嵌入PCU的HMI軟件中。在離線編程模塊中，首先實現(xiàn)三維工件建模，加工工件CAD模型的導入，對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，優(yōu)化切割路徑，選擇最優(yōu)化的加工方法，實現(xiàn)可視化路徑編輯;之后模擬仿真激光加工整體流程，來觀察檢測加工過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++的二次開發(fā)，設(shè)計了用于本項目加工系統(tǒng)的激光切割工藝API(接下來將在第三章中詳細介紹)。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)整個激光切割過程的控制。同時該API中也可實現(xiàn)直接單獨對激光切割各加工部件控制，其中包括五軸機床運動控制、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)計結(jié)合較為成熟的基于C++開發(fā)的離線編程技術(shù)，有效地縮短了項目軟件開發(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)庫模塊中，針對不同的加工材質(zhì)厚度和加工工藝要求，建立激光加工工藝數(shù)據(jù)庫，采用SQLite小型數(shù)據(jù)庫作為工藝參數(shù)存儲數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)保存、添加、刪除、修改、查詢等功能。同時，工藝數(shù)據(jù)庫與加工參數(shù)設(shè)置相關(guān)聯(lián)，這樣利用含R參數(shù)的NC工件程序，可以實現(xiàn)對同一切割路徑，一個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

控制軟件設(shè)計架構(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)庫設(shè)計。

3．1三維激光切割控制模塊設(shè)計在本次控制軟件設(shè)計中，由于西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)沒有提供可直接應(yīng)用于激光加工工藝的C++API接口，因此需要對840Dsl數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā)，設(shè)計適用于本項目選用加工部件的激光切割工藝API。西門子數(shù)控系統(tǒng)提供了多種人機界面二次開發(fā)的方法，可由用戶根據(jù)項目開發(fā)需要進行選擇。在本次設(shè)計中選用了OperatorProgrammingPackage開發(fā)方式對840Dsl數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā)。該開發(fā)方式中，840Dsl數(shù)控系統(tǒng)提供了基于C++開發(fā)的底層通訊接口類，可直接訪問數(shù)控系統(tǒng)底層硬件，其中包含讀寫NC系統(tǒng)變量(如R參數(shù)，PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)塊等)、直接訪問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;同時支持數(shù)據(jù)庫訪問，便于進行數(shù)據(jù)交互，用于加工過程中實時的狀態(tài)監(jiān)測，該方法完全滿足項目激光切割工藝API的設(shè)計需求。利用OperatorProgrammingPackage提供的底層通訊接口類，設(shè)計開發(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來進行激光器、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NC工件程序，并在加工過程中對激光切割控制部件運行狀態(tài)進行檢測;在切割過程中，NCU通過執(zhí)行NC工件程序來控制五軸機床末端激光切割頭運動、激光器開關(guān)光及出光功率，PCU與工控平臺PC進行實時的狀態(tài)監(jiān)測(如機床實時位置、激光功率、切割頭碰撞檢測等)，實現(xiàn)整體激光切割加工流程。以下介紹基于840Dsl底層通訊接口類開發(fā)的激光切割工藝API接口。先介紹下面用到的幾個840Dsl底層通訊接口類:

3．1．1SlDataSvc類數(shù)控系統(tǒng)中NC和PLC里面的數(shù)據(jù)訪問都是通過SlDataSvc對象來實現(xiàn)的?？刂圃O(shè)計用到的系統(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類在控制軟件與NCU通訊時，可用PiService類對象來啟動執(zhí)行NC工件程序。

3．1．3SlFileSvc類利用SlFileSvc對象可實現(xiàn)對文件和目錄的操作。本次設(shè)計中主要利用其選擇要執(zhí)行的工件程序并導入NCU中?；谏鲜?40Dsl二次開發(fā)中提供的底層通訊接口類，設(shè)計了激光切割工藝API接口，分別包含以下幾個類函數(shù):(1)840Dsl數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)類CSinumer-ik840Dsl該類直接調(diào)用底層通訊接口類對象，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讀寫操作，NC工件程序?qū)隢CU中以及NC工件程序啟動執(zhí)行等用于實現(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CIPGLaser激光器控制類是在840Dsl數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)類CSinumerik840Dsl的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的，用于實現(xiàn)加工過程中IPG10kW激光器的控制。其中利用PLCI/O實現(xiàn)激光器控制初始化以及激光引導光開關(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。同時在激光切割過程中，對激光器工作狀態(tài)、實時功率進行監(jiān)測，并在緊急情況下急停激光器。3)激光切割頭控制函數(shù)類CPrecitecHead激光切割頭控制函數(shù)類也是在840Dsl數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)類CSinumerik840Dsl的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的。實現(xiàn)加工過程中PRICITEC激光切割頭系統(tǒng)控制。其中利用PLCI/O實現(xiàn)Z浮隨動調(diào)節(jié)模式開關(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)庫設(shè)計根據(jù)項目需求，本次開發(fā)的激光切割工藝數(shù)據(jù)庫包含2mm、4mm、8mm3個規(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、氣體類型、切割頭噴嘴開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)計中，基于Qt開發(fā)框架利用VS2008進行軟件編譯，利用QtDesigner進行圖形界面設(shè)計，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，后臺數(shù)據(jù)庫采用SQLite3輕型數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲。該數(shù)據(jù)庫支持跨平臺，操作簡單，可以使用多種語言直接創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，不需要后臺應(yīng)用軟件支持，支持SQL語句指令實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)庫操作功能，并且源碼完全開放，可以用于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的深度開發(fā)。該激光切割工藝數(shù)據(jù)庫具備不同厚度板材加工數(shù)據(jù)庫選擇查詢、修改、添加以及刪除數(shù)據(jù)等操作功能，同時結(jié)合激光切割加工應(yīng)用，可直接選擇數(shù)據(jù)庫中某一組工藝參數(shù)進行設(shè)置，利用含R參數(shù)的NC工件程序，實現(xiàn)在同一切割路徑時，一個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

(1)通過在沈陽中捷的五軸龍門機床測試結(jié)果證明，三維激光切割控制軟件設(shè)計很好的實現(xiàn)了在三維激光切割過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)實時可調(diào)，滿足三維激光切割技術(shù)要求。(2)項目還在繼續(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。(3)該項目研究中選用的數(shù)控系統(tǒng)具有一定普遍性，研究內(nèi)容也可用于現(xiàn)有的機床改造工作中，將原有的機械加工機床改進為機械與激光復(fù)合加工設(shè)備。

作者：孫曉蔣明陳聰高明曾曉雁單位：華中科技大學武漢光電國家實驗室