激光切割机控制系统软件的研究与开发

欧阳晓亮

（武汉法利莱切焊系统工程有限公司，湖北 武汉 430000）

在激光加工中，最早且经常使用的加工方法为激光切割技术。相较于其他切割技术，激光切割技术的高适应性、高精度及高速特点十分显著。与此同时，激光切割技术还具有许多其他的优点，如无噪声、热影响小、割缝细、切缝垂直度佳及方便自动化控制等。可切割多种材料，如铝、碳钢、合金钢以及复合材料、布、橡胶、石英和玻璃等。现如今，一些国际知名企业已研发了具有大功率、高速、数控自动化及多维立体等特点的激光切割机，所用的控制系统也不尽相同。而中国自主研发制造的激光切割机多为中低端产品，在切缝、表面、精度、稳定性及柔性方面与国外产品相比，存在较大差距，其控制系统大多也直接采用国外的机床控制系统。为此，下文从激光切割控制系统的软件方面，展开了论述。

1 概述运动控制技术

现阶段，运动控制技术在国际上十分流行，它的原型为电力拖动技术，该技术基于复杂条件，将控制规划、指令及方案转化为机械运动。运动控制技术也可以说是基于可控制力，使机电系统实现运动。这种机电系统可以采用电气、液压及气动等驱动形式。在运动控制系统中，不仅能够准确控制机械设备运动的区域、速度、加速度以及转矩或作用力，而且还能够综合控制这些被控量。现阶段，运动控制技术已成为基于自动控制与现代控制理论的涉及多个学科的技术，如电机、电力电子、微电子、传感器和微计算机等。目前，微计算机、集成电路和CAM 技术等正在快速进步，运动控制技术随之也在不断革新和完善，现已十分广泛地应用在军事、工业生产和生活等各个领域。

2 介绍激光切割机控制系统软件的组成

在一个系统中，所用的软件十分关键，实现了对

硬件的工作流程、用户输入以及系统运行监控等的管理。结合激光切割机控制系统的功能要求，将控制系统的软件划分为以下几个部分：

2.1 解析、提取Gerber中存储的数据

控制系统的该部分软件主要用于对Gerber文件实施解析，并将实体与层信息提取出来。而实体一般包括文字、多边形、直线、多线和圆弧等，其相关信息还包括线宽、类型、颜色和坐标点等。在规定的数据结构中，放置所提取的信息，方便以后显示与加工图形化指令的生成。

2.2 动态显示

动态显示软件具有如下功能：①处理Gerber中的数据，并以图形化的形式进行显示。②通过分层显示法，实现对Gerber中不同实体层的显示，并利用各种颜色分别标识这些层。③完成的Gerber文件信息的图形化后，用户利用鼠标来选取加工层与该层的交互轨迹。同时用户还可以提取出外、内轮廓或中心线。④利用图形可以将加工流程动态显示出来，且显示的颜色与待加工轨迹的颜色不同。⑤定位外边框。在输出切割前，通过该定位功能，利用两维线性马达，根据图形中最外边点形成的矩形，以一定的激光功率，快速扫描边界，以便保证工件位于加工范围。若不在加工范围，则必须采取人工调整的方式，而且该激光功率不会切割或损害加工工件。

2.3 运动控制软件

根据提取的加工信息，设置加工参数后，便可以通过运动控制软件来实施切割。其功能如下：实现多种运动，比如手动、直线、机床的回零、步进以及圆弧的插补、单段与连续轨迹等。通过运动控制软件，还可以完成下列工作：①振镜和工作台进行协调运动，在本系统中，通过振镜和工作台运动的结合，可以进行高效率、大范围的加工，但需要控制好振镜和工作台之间的协调性。②协调控制激光、振镜及工作台，通过一定的运动或延时激光开关，才能确保不会出现欠切或过切工件的现象。③在加工中，需要显示系统的运动状态，如开关状态及轴运动等。④该激光切割系统切割精度的提高问题，也是本软件部分需要进行解决的问题。

3 分析运动控制系统的具体功能

某企业开发、制造的一种激光振镜控制器，可以实现多轴协调运动控制等。它的核心组成部分是数字信号处理器以及现场可编程门阵列，能够完成精确度高的控制计算。

这种激光振镜控制器的主机部分是IBM-PC和其兼容机，并提供外部设备标准的互连总线产品。而且这种运动控制器中还有Windows动态链接库，具有十分复杂的控制功能。用户可以集成函数和控制系统所需数据的处理、接口以及显示等模块，并建立能满足特定要求的优质控制系统，以便与应用领域的各种要求相符。

在这种系统中，运动控制器具有的功能如下：①通过两轴联动，两个轴可以采用振镜轴或工作台电机控制，还可将其中一轴采用工作台电机控制、剩下一轴采用振镜控制。具体功能有单段轨迹运动以及多段轨迹连续运动，能进行速度预处理。②使用高速的输入/输出激光控制，并可进行改变激光状态的延时处理，有机结合激光控制和运动控制。激光能量的输出方式有频率、脉宽调制和模拟电压。控制激光能量的模式有跟随能量、输出时序逻辑以及相关位置的控制。③实现对控制器运动状态的监控，并获得控制对象的状态，比如激光、振镜以及工作台等。

4 开发设计运动控制系统的各种软件结构

4.1 运动控制

运动控制器具有控制双振镜运动或两轴工作台的功能，在工作台与振镜的运动控制中，完成输出轴的转换。该软件系统的运动功能如下：X、Y轴的单独或同时回零，即为工作台的回零；运动在各种坐标系间实施转换；在相对及绝对坐标中，工作台实现圆弧以及单段直线轨迹的运动形式；适当调整振镜，实现坐标值运动方式；振镜与工作台实现多轨迹的连续性运动等。

4.2 显示

显示状态包括：激光光点和机床坐标位置；所用激光功率；振镜进行偏转的角度；具体的工作轴运动状态，比如有没有进行伺服报警、有没有捕获到回零信号、有没有触发正负限位以及有没有完成轴运动等。

4.3 激光控制

激光的开/关以及延时控制便为激光控制。应选择合理的激光能量的控制模式以及输出方式，还应设置好有关参数。

4.4 定位及加工校正模块

在本控制系统中，利用CCD摄像机，实施自动定位和自动校正变形的指令。

利用图像处理模块，有效处理所获工件标记孔的各种图像信息，同时将所有标记孔的位置数据信息全部提取出来，不仅可以用作自动定位，而且还可以用于测量柔性印刷电路板的变形情况，所以在处理前，必须标定好摄像机的参数。

在不改变工作台到摄像机像平面距离的基础上，不改变图像坐标系中所用的分辨率，仅需完成对相机分辨率参数的标定，在进行分辨率参数的标定时，可采用标准的圆孔器件。

4.5 失真补偿

在激光振镜切割系统中，通过控制振镜切割，如果双振镜系统出现扫描畸变，则会降低切割精度，因此必须对该扫描系统产生的扫描图形进行失真补偿。

总之，在运动控制系统中，首先，将CCD摄像机放到工件标记孔的上面，拍摄图像，并通过USB口，将图像传给计算机，再由图像处理模块，处理该图像，并得出相关孔圆心点的坐标值。接着将该坐标变换为机床所用坐标系下的坐标，接着通过射影变换模块，求出在工件和机床这两种坐标中，点坐标的具体映射关系，接着对计算机发出的运动指令，实施这种射影变换，以便实现自动定位工件以及校正加工指令。这种振镜运动指令，在实施射影变换前，还必须通过振镜扫描来完成模块的补偿。

5 结语

综上所述，激光切割机控制系统是集光、机、电于一体的系统，涉及多个知识领域：光学、图像处理、机械以及自动化等。目前，先进的自动化技术正在快速发展，推进了机床控制的自动化发展，而激光切割机也会朝着数控化的方向发展，而且其应用范围也会越来越广泛。文中研究与开发的激光切割机所使用的控制系统软件，基于激光运动控制器，实现了激光扫描的高速切割，值得推广应用。