基于数字孪生的小型激光雕刻机的研究

赵俊英，温国强，李颖

(天津中德应用技术大学汽车与轨道交通学院，天津 300350)

0 前言

近年来激光技术不断发展，从工业领域到人们的衣食住行，激光技术都发挥着重要的作用。激光雕刻是发展智能制造的一个重要环节，因其加工精度高、工作速度快等特点被誉为“未来制造系统的共同加工手段”。其中小型激光雕刻机体积小、成本低、便于操作，在广告、工艺品加工等行业应用广泛。但是小型激光雕刻机也面临着各种挑战，智能化程度低是现有工业级小型激光雕刻机的不足之一，例如虽能监控加工状态，但不能很好地监控和分析设备运行状态。

为推进智能制造，目前重点研究的一个问题是如何把物理世界与信息世界进行融合，数字孪生便是解决这一问题的重要途经。数字孪生技术是通过构建数字孪生体，实现物理实体在虚拟空间中的全息映射，从而在虚拟环境中分析和研究物理实体的各种特性与状态。通过虚-实信息的映射和链接，可在虚拟数字空间中模拟出物理实体的实时状态和动态特征，能够更好地开展真实世界中难以完成的分析研究。该技术可为工业生产制造、运行状态监测、维护等各个阶段提供信息数据支撑和指导。

本文作者基于数字孪生理念设计了虚实同步的小型激光雕刻机，目的是在实现虚实同步的基础上，对系统运行状态进行全过程监测，从而推进数字孪生技术在激光雕刻领域的实际应用。

1 激光雕刻系统组成

1.1 系统整体设计

依据数字孪生五维模型理论，构建了虚实同步的激光雕刻系统，包括物理对象、虚拟模型、连接、数据和服务系统。系统整体设计思路如图1所示，由设备层、平台层、应用层构成，主要功能分别为实现物理实体运动控制、构建模型数据库、虚拟模型联动。

图1 实验平台设计思路

1.2 机械系统

激光雕刻机整机实物如图1中设备层所示，其机械系统主要由轴导轨、轴导轨、激光发生器、雕刻工作台、人机界面、按钮指示灯模块、固定支架以及基座等组成。固定支架是一铝合金立方体，轴导轨安装于固定支架上，轴导轨连接到轴导轨滑块上，故轴可沿轴直线往复运动；激光发生器连接到轴滑块，故可沿轴直线往复运动。

激光雕刻工作台固定于基座上，包括加工台支架和加工平台两部分。加工平台可绕中心轴回转运动，待加工工件放置于平台上。整个雕刻机的控制部分位于基座下方的控制柜中。

相较于目前激光雕刻机普遍采用的步进电机，伺服电机运行更平稳、控制精度更高。因此、轴及旋转台均选用伺服电机驱动，通过控制三电动机的运动,实现激光发生器在二维空间内与工件的相对运动。在激光发生器运动的过程中，控制激光束的开关状态转换，即可在工件上雕刻出连续或间断的图案痕迹。

1.3 控制系统

激光雕刻机控制系统的主要作用为进行数据处理、实现人机交互、雕刻运动控制和过程控制、实现虚实联动等。控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统结构

系统采取上位机和下位机的控制模式。上位机为计算机，用于完成雕刻图案处理、系统状态监控等任务;下位机为三菱FX5U PLC，用于完成雕刻机运动控制以及加工过程控制等对实时性要求较高且与硬件设备相关联的控制。控制器与虚拟模型之间采用OPC UA通信协议，实现物理实体与虚拟模型的虚实通信。

激光的开关与强度控制是通过PWM模块和PLC信号共同实现的。利用PWM控制模块的一个引脚作为信号控制引脚，用于打开、关闭激光；通过调整PWM模块占空比du的数值，来控制功率，从而控制激光的强度。

其他控制包括回零控制、状态指示、极限位控制等，其中工作平台之间的回零主要用于激光雕刻机的定位控制，如加工前后激光发生器及工件的自动校正。

人机交互界面采用 MCGS 触摸屏，可实现雕刻机的参数设置、点动控制、自动控制等功能，同时可显示雕刻机工作状态、工作进度等。

2 虚拟模型的构建与虚实联动

2.1 虚拟模型的构建

基于数字孪生理念，在SFB-Factory系统中构建了激光雕刻机物理实体的数字映像，如图3所示。首先通过SolidWorks软件创建激光雕刻系统的CAD模型，并将其导入SFB-Factory软件中；然后在SFB-Factory中设置仿真环境参数、模型运动参数以及虚实数据映射关系等。通过OPC UA通信协议使虚拟模型与FX5U PLC进行通信，以此实现虚实数据互传、状态同步和运行结果可视化等功能，为物理实体的状态监控和运动控制等扩展了新的能力。

图3 整机虚拟模型

2.2 数据的采集与交互

实现激光雕刻机的虚实联动，需要以数字孪生体与物理实体之间高质量的数据交互作为基础。经分析，实体雕刻机系统需要对实时数据信息进行采集和传递，虚拟雕刻机需要对物理实体的状态进行实时读取和监控。这就需要建立双向性的实时数据和信息的交互，因此建立了如图4所示的数据传输方案。数据系统以PLC为核心，同时与伺服驱动器、传感器等周边设备、触摸屏以及虚拟激光雕刻机4部分进行数据信息交互。下面以轴电机转动30°为例，进行说明。首先PLC根据要求发出电机1转动30°的控制命令，伺服驱动器、虚拟激光雕刻机和触摸屏将同时收到此信息。伺服驱动器将控制电机马达转动30°，虚拟模型中的虚拟电机将依据运动算法同步转动30°，触摸屏中轴位置这一参数也将实时更新显示。若在这一过程中，虚拟雕刻机中状态分析结果提示异常，如当前运动将超越极限位、电机运行状态不良或重复操作等情况，PLC将实时获取这一状态信息，并将相应控制指令发送给实体伺服驱动器、周边设备和触摸屏，进行异常处理。

图4 数据的采集与交互

在此方案下，一方面物理实体雕刻机的激光束开关、伺服电机运动、平台转动等动态，以可视化的形式反映在虚拟模型上，可对其状态进行监控；另一方面，在虚拟空间中对得到的数据、状态等进行分析，可以反向影响、控制物理实体，对其进行纠偏、校正。

2.3 图像数据的坐标变换

在进行雕刻之前，需要进行图像中位置数据的提取与处理。特定情况下，为使数字映射与实体运动匹配，需要进行适当的坐标变换，将软件虚拟空间中世界坐标系下的数据转换为虚拟雕刻机坐标系下。

文中设定，虚拟空间中虚拟世界坐标系为系()，虚拟雕刻机坐标系为系()，如图5所示。

图5 虚拟空间中的坐标系

假设世界坐标系中有一点=[，，]，将它变换到雕刻机坐标系中的点′ =[′，′，′]。向′变换的齐次变换矩阵为

(1)

其中：(,,)表示旋转坐标变换算子，、、分别为绕着轴、轴、轴旋转的角度;(Δ,Δ,Δ)表示平移坐标变换算子，Δ、Δ、Δ分别表示沿着轴、轴、轴移动的距离。

将旋转算子展开，有

(,,)=(,)(,)(,)=

(2)

(3)

图6所示为某一待雕刻的图案，以其中某点为例，进行推导。(64,49,0)为世界坐标系下的坐标，′(′,′,′)为雕刻机坐标系下坐标，测量得、、分别为0°、0°、30°，代入式(2)可得

图6 雕刻图案示例

(4)

Δ、Δ、Δ分别为20、35、0，代入式(3)

可得

(5)

将式(4)和式(5)代入式(1)，可得

可得到点′坐标为(50.924,109.434,0)。

2.4 虚实联动运行过程

将图1所示系统应用于雕刻图6所示图案。

在开始雕刻之前，利用专用软件对图案进行处理并转换为用于雕刻的数据。一方面，用二值图中的像素值0或 1作为激光器的控制信号，控制激光的开闭；另一方面，通过像素位置规划伺服电机的运动，从而控制激光发生器的运动轨迹。

首先对图像数据进行去噪处理然后进行拟合，生成光滑的雕刻曲线。通过对比多项式拟合、样条拟合等几种拟合方法，发现样条拟合方法效果最好。图7所示为图案中牛尾的拟合仿真效果。

图7 牛尾仿真轨迹

观察图6可知，待加工的图案不是简单的直线或圆弧等规则曲线，而是轮廓比较复杂的多次非线性曲线，这时激光头很难完全通过图案的每一个点。文中将图形看作无数点的密集分布，通过给定某些点的尺寸数据，结合插补算法，使得实际运行轨迹无限接近目标图案。对于圆弧曲线和复杂曲线，把它近似认为是无数的直线切割而成，将此段曲线分解成若干小线段来处理。另外某些简单圆弧也可借助伺服电机的圆弧插补指令完成轨迹运动。

系统启动后，虚实联动工作流程如图8所示。通电开启后，首先使整个系统初始化，接着控制器读取当前待雕刻对象的数据信息，完成后点击“开始雕刻”按钮，物理实体和虚拟模型实时同步工作。按如图4所示数据传输方式，系统启动后，控制器将控制信息同步传送给雕刻机物理实体和虚拟模型，并实时接收物理实体和虚拟模型的反馈信息。实体雕刻机激光束开关、伺服电机运动速度、位置等状态，经由控制器实时传递给虚拟模型，在虚拟模型界面和触摸屏以可视化的形式呈现，对物理实体状态进行监控；另一方面，虚拟模型中状态分析的信息，经由控制器反向影响物理实体，对其进行纠正。

图8 虚实联动雕刻工作流程

3 激光雕刻实验

3.1 虚实同步验证实验

为了验证设计的虚实同步小型激光雕刻机的性能，以图6所示图案为雕刻对象，在200 mm×200 mm的木板上开展了雕刻实验，实验中观测到虚实运动同步性较好，实体和虚拟激光雕刻机同步完成雕刻，如图9所示。

图9 激光雕刻完成图

除了运动同步，还必须考虑虚拟模型与实体雕刻机运动的位置精度，因此进行了位置精度实验。在4组脉冲指令下，分别采集虚拟模型与实体雕刻机的位置信息，并计算两者的误差绝对值(用表示)，分析其位置精度，实验数据见表1。

表1 虚实同步位置精度实验数据 单位:mm

根据表1所示的结果，虚实激光雕刻机同步运动位置误差在0～0.652 4 mm之间，平均误差为0.374 3 mm。产生误差的原因包括实体雕刻机自身存在运动误差、机械安装误差以及虚拟模型建模、装配精度等。实验结果表明此系统在一定精度范围内实现了虚实运动位置的重合，且位置误差在允许范围内。

3.2 激光雕刻远程监控

可通过人机界面和虚拟软件对激光雕刻机的状态进行远程监控，通过触摸屏界面可进行虚、实雕刻机的手动调试和自动运行控制，同时可显示激光头当前位置、速度等信息。图10所示为计算机中虚拟软件监控界面，虚拟雕刻机读取数据库信息，基于运动算法驱动运动，使虚、实雕刻机的运动实时保持一致。在软件监控界面，既可以监控图案打印的进度，又可以监控设备运行的状态，如重复打印、运行时间、故障分析等。

图10 激光雕刻远程监控

3.3 du值对激光雕刻质量的影响

文中激光雕刻机的激光强度控制是通过调整PWM模块du的数值实现的。固定激光头与木板的距离，不同du值下在木板上进行雕刻的实验结果如图11所示。

图11 不同占空比下的雕刻效果

试验结果表明：当du值过小时，刻痕浅甚至无刻痕；当du值过大时，木板刻痕焦黑，甚至雕刻点周围出现烧焦现象。在该距离下du值为70时雕刻效果最好。另外在同一du值下，随着电机运行速度减小，激光雕刻质量得到提升，但是当速度过小时，会出现刻痕发黑甚至木板烧焦的现象。

4 结束语

针对现有工业级小型激光雕刻机智能化程度低、不能很好地监控和分析设备运行状态的问题，基于数字孪生理念，设计了虚实同步的小型激光雕刻机。利用该系统进行了激光雕刻测试，主要结论如下：

(1)该激光雕刻机满足工作要求，能够实现虚实联动。虚实同步性较好，且虚实同步运动位置误差在允许范围内，即在一定精度范围内实现了虚实运动位置的重合，对推进数字孪生技术向实际应用转化有一定的现实意义。

(2)虚实同步激光雕刻系统能通过触摸屏和虚拟软件对系统运行状态进行全过程监测，包括加工状态和设备状态，实现了更全面的检测与监控，对推进小型激光雕刻机的智能化有一定的实际价值。

(3)文中激光雕刻机的激光强度控制是通过调整PWM模块占空比du值实现的。du值对雕刻质量影响很大，du值过小则刻痕浅甚至无刻痕，du值过大则木板刻痕焦黑，甚至雕刻点及周围烧焦。在同一du值下，随着速度降低，雕刻质量提升，而速度过慢则会出现刻痕焦黑。

下一步研究将进一步融合数字孪生技术，致力于减小虚实同步运动位置误差，同时加大对虚拟模型数据的分析和利用，增加人机对抗等异常情况的检测和预警。