FAGOR数控系统高级语言功能在激光切割机上的应用

严 妍

(上海机床厂有限公司 上海 200093)

自从第一台激光器于1960年问世以来，激光技术已被广泛应用到了各行各业。当第一台数控激光切割机(1975年)在德国展示时引起了人们的惊叹，如今激光切割占据了激光工业应用的主导地位。切割的对象为金属、石英、硅锭、塑料、陶瓷甚至木材和纸张，其中冷热轧板为大宗切割。与机械切割、等离子体切割和电弧切割相比，激光切割具有很大的优势。上海机床厂有限公司根据近年来钣金工业的特点和需要，开发研制并生产了JGJ-3015激光切割机，并对该激光切割机配置的FAGOR 8055i数控系统进行了二次开发。

1 FAGOR 8055i数控系统在激光切割机上的应用

JGJ-3015激光切割机选用西班牙FAGOR公司生产的通用型CNC 8055i系列数控系统以及配套的伺服驱动系统作为硬件设备[1]。CNC 8055i系列数控系统以及配套的伺服驱动系统是FAGOR公司专门为高速加工应用场合设计和生产的一种高性价比的通用型高档数控系统和伺服驱动系统。该数控系统可实现7轴联动控制，具有很强的通用性和开放性，可以执行用户嵌入的控制软件，适用于对多种数控机床的控制[2]。另外，控制机床中的横梁和切割头运动的电动机均采用了FAGOR的FXM系列同步伺服电动机，可以实现理想的进给和位置轴的控制，具有平稳的扭矩输出特性，维护调试简单。该伺服驱动系统采用模块化结构设计，使用SERCOS连接，所有数据和命令都以数字格式通过光缆传送，提高了系统的抗电噪音能力，从而使系统更加可靠。内置的辅助调试工具可以为调试维修提供帮助并缩短了装配维修的时间使安装调试极为容易，提高了工作效率。

但在用数控激光切割机的控制时，由于该系列的数控系统没有专门用于激光切割机控制方面的软件，仅提供了专用的高级语言，用户可以自己编制固定循环等程序功能。如果按照日常的编程方式，编制出切割加工的程序会很长，而且激光切割机加工程序涉及的加工工艺参数繁多，为机床调试及工件首件试制都带来极大的不便，因此对该数控系统进行了二次开发。

2 激光切割工艺程序的设计

激光切割过程是一个极其复杂的热加工过程，涉及到材料、激光束和切割气体三者之间复杂的相互作用。整个切割过程受到众多因素的影响，参数之间的组合非常复杂，导致工艺参数数据量非常大，并且工艺参数的取舍非常困难，切割试验繁重，这样实际切割成本较大。激光切割是一个高度的非线性过程，涉及的参数多，要精确地预测或选取工艺参数是相当困难的。因此只有先在试验的基础上获得大量的切割工艺参数数据，建立激光切割工艺参数数据库，并在数控系统或者自动编程软件中进行预先编制，可以大大降低机床最终使用者的加工成本，并且可以解决在激光加工中“入门难”的问题。但是自动编程软件需要在PC机上操作，生成后置程序后再导入数控系统。如果各种参数在编程软件中进行直接编制，会产生加工程序长、可读性差、修改不方便等问题。所以在JGJ-3015的数控系统中预先设置了参数化编程的子程序，这样可以大大地减少程序段，操作者可以在数控系统中直接方便地通过修改变量值来改变切割工艺参数，无需在PC机上进行操作。

2.1 加工过程中的工艺参数的设计控制

对不同板厚的金属板材来说，切割的工艺参数是不一样的。工艺参数主要包括:激光工作模式、激光功率、切割速度和辅助气体压力。激光功率随着板厚的增加而加大，切割速度随着板厚的增加而减小，辅助气体压力随着板厚的增加而减小。

2.1.1 激光工作模式的选择

激光应采用一定频率和占空比的脉冲波对板料进行打孔和切割。在切口没有形成之前，必须在开始切割的部位上加工一个通孔，以引导辅助气体把熔融金属从工件的下部排出去，这个过程称作打孔点，即指激光束在轮廓切割之前应在板上击穿一个很小的孔，此小孔被称为引弧孔或切割起始孔。

在实际加工中的打孔一般存在以下几种情况:

(1)对于一般精度较高的产品都将打孔点设置在板材废料区以保证加工质量，同时要插入必要的切割引入、引出线；

(2)直接在加工路线上打孔；

(3)对厚板需要穿孔。

在加工过程中，不同工件的工艺要求和编程路线对孔的要求也是不同的。在工件加工时，需要根据不同的情况选择不同的打孔模式。在加工薄板时，激光的能量很容易熔化板材实现穿孔，而且随着板材厚度的增加，穿孔越来越不稳定。同理，在打孔后板料切割过程中，根据板料的不同材质、不同厚度以及不同的形状大小，需要选择不同的激光工作模式。

激光切割机选用了南京东方CO2激光器，在加工过程中无法通过激光发生器直接修改激光工作模式，需要在采用参数调用方式后，才可以在加工中自动地切换所需的加工模式。在机床设计时，通过调用全局参数P104来控制打孔模式，通过参数P105来控制切割模式。

2.1.2 激光功率的控制

机床使用了 FAGOR 8055i主轴控制模拟输出量，由内部 PLC进行处理来改变加工过程中的功率大小。在程序编制时，可以直接使用代码 S(单位为 W)编写的激光功率，同时也可以通过 CNC操作面板上的 SPINDLE 键 “+” 和 “－” 来改变激光功率。

2.1.3 CNC对辅助气体的控制

就辅助气体而言，在切割不同材料时所使用的气体种类是不一样的。在切割普通碳板时需要使用氧气，在切割不锈钢钢板时需要使用氮气，切割非金属材料时需要使用压缩空气。在确定使用辅助气体时，气体压力大小是一个极为重要的因素。在高速切割薄型材料时，需要较高气体压力以防止切口背面粘渣；当材料厚度增加或切割速度较慢时，则气体压力可以适当降低。JGJ-3015P配置了电气比例阀，设计中采用了数控系统全局参数的变量，通过内置PLC对其进行调用，来控制电气比例阀。使用了全局参数P100控制氧气的穿孔压力，P101控制氧气的切割压力，P102控制氮气的穿孔压力，P103控制氮气的切割压力 。通过分开控制可以对加工程序一次赋值，并在加工过程中多次调用，避免了在多次赋值后会延长加工时间 。

内置PLC相关程序如下:

2.2 板料的寻边和校直

在实际应用中，操作者不可能把钢板放置得非常直，每次放置的位置也不可能相同。FAGOR 8055i同样也没有这个功能，为此编写了一个子程序，在每次操作时只需调用该程序就能解决这个问题。具体方法如下。

程序如下:

操作方法是把需要切割的钢板放在工作台上，利用在工作台上的机械靠山进行校直。用点动方式将激光切割头对准钢板的右下角。使用M154指令(调用9154子程序)建立G54所对应的机床坐标系，并将轴清零。如果工件切割的板超过2 m或者切割头离板的边缘非常近时，就需要被切割的板尽可能的垂直，可以再将切割头移到板的右上角，调用M150指令(调用9996子程序)，编程时在程序中加入G73 QP112，启动程序后，坐标会按照需要发生旋转。

2.3 激光切割头调光

在激光切割板料时，激光与切割头的垂直度是影响板料切割质量的重要因素。为此设计时，编制了激光头调光程序，并用M20代码进行调用，方便了使用者。

3 切割工艺子程序

3.1 子程序示例

3.2 子程序表(见表1)

表1 子程序代码功能

在钣金切割程序编制时，操作者只用根据不同的板料材质、厚度和所需辅助气体，按照表1所示调用不同的子程序。其中标注(参数2)的子程序一般用于需要慢速切割的工艺(如:小圆孔、尖角等)。用户在以后的操作使用中，如有需要也可以按照实际情况进行修改或重新编制子程序。

3.3 程序中使用的变量

A: 氧气穿孔压力(用%表示，分辨率为0.001 s)；

B: 氧气切割压力(用%表示，分辨率为0.001 s)；

C: 氮气穿孔压力(用%表示，分辨率为0.001 s)；

D: 氮气切割压力(用%表示，分辨率为0.001 s)；

H: 穿孔模式(序号与发生器的参数序号相对应)；

M: 切割模式(序号与发生器的参数序号相对应)；

T: 穿孔延时时间(分辨率为1% s)；

4 结语

将预先设定的激光切割工艺参数输入数控系统，在切割不同的钢板板厚时，只要在编程过程中输入相应的代码，实现了对各种材料的切割工艺参数进行数控调节，使机床操作更加简单和安全，同时降低了对操作者的专业知识要求。目前，机床已通过了用户的最终验收并正式投入使用，所有指标都达到或超过客户的要求。机床运行以来性能稳定、可靠，所切割的零件均达到了设计的要求，对机床数控系统的二次开发在实际应用中得到了客户的好评，极大地提高了生产效率。

[1]北京发格自动化设备有限公司.CNC 8055/ CNC 8055i安装手册[Z].北京发格自动化设备有限公司,1999.

[2]北京发格自动化设备有限公司.CNC 8040M/8055M/CNC 8055i-M 编程手册[Z].1999.