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基于DMCl856的五軸激光切割機(jī)控制系統(tǒng)研究

2017-1-17 來源：大連交通大學(xué) 作者：席宏昌，林盛，王春

摘要：針對大功率、高精度、三維立體激光切割技術(shù)的控制問題，對多軸聯(lián)動激光切割技術(shù)的軌跡插補(bǔ)和速度控制等問題進(jìn)行了研究，提出了一種基于DMCl856運(yùn)動控制器的五軸激光切割控制方案。激光切割主機(jī)采用了龍門倒掛式，其具有驅(qū)動激光頭沿空間運(yùn)動的x、y、z軸，以及激光頭擺動的A、C軸共5個坐標(biāo)軸。控制系統(tǒng)采用了Nc嵌入Pc的雙CPU方式，在Pc的Windows 7操作系統(tǒng)環(huán)境下，以．NET Framework為框架，開發(fā)了控制系統(tǒng)的后臺管理程序、非均勻有理B樣條曲線(NURBS)插補(bǔ)預(yù)處理算法等；Nc部分以GALIL運(yùn)動控制器DMCl856為核心，完成了NURBS插補(bǔ)的實(shí)時部分、位置控制、外圍邏輯控制(PLC)等。在Matlab環(huán)境下對控制系統(tǒng)的NURBS插補(bǔ)算法與速度控制算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)適用于復(fù)雜自由空間曲面的激光切割，滿足現(xiàn)代加工的高速、高精度要求。

關(guān)鍵詞：GALIL運(yùn)動控制器；激光切割；NURBS插補(bǔ)

0.引言

激光切割技術(shù)是激光加工中應(yīng)用最早、使用最多的加工方法。與其他切割方法相比，激光切割具有高速、高精度和高適應(yīng)性的特點(diǎn)。同時激光切割還具有切割無噪聲、切縫垂直度好、割縫細(xì)、熱影響區(qū)小、切割過程容易實(shí)現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點(diǎn)。可切割材料不僅包括合金鋼、碳鋼、鋁等金屬材料，還包括布、橡膠、石英、玻璃及復(fù)合材料等。

目前，意大利PRIMA、瑞士百超BYSTRONIC和德國通快TRUMPF等國際知名公司已經(jīng)開發(fā)出了大功率、大幅面、高速、飛行光路、多維立體、數(shù)控自動化的激光切割機(jī)，所采用的控制系統(tǒng)也各具特色，RAPIDO(意大利PRIMA)五軸激光切割機(jī)所采用的控制系統(tǒng)可以進(jìn)行連續(xù)空間插補(bǔ)和工具中心點(diǎn)控制，Byspeed系列激光切割機(jī)(瑞士BYSTRONIC)上的控制系統(tǒng)可以根據(jù)切割參數(shù)自動調(diào)整焦點(diǎn)位置，使之在整個切割區(qū)域內(nèi)保持最佳，TRUMPF公司的多種產(chǎn)品所使用的控制系統(tǒng)帶有Auto Plus調(diào)控裝置，可以減少人工干預(yù)、提高切割質(zhì)量、縮短準(zhǔn)備時間。日本馬扎克公司生產(chǎn)的激光切割機(jī)所配備的控制系統(tǒng)不但可以切割三維工件還有專門的型材切割軟件，同時還配有刀具，激光切割完成后能進(jìn)行攻絲倒角以及絞孔。

我國自主生產(chǎn)的激光切割設(shè)備大多數(shù)屬于中低端產(chǎn)品，與國外產(chǎn)品相比，切縫寬、表面質(zhì)量、機(jī)械精度、整機(jī)的穩(wěn)定性與柔性都較差，所采用的控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是國外通用機(jī)床控制系統(tǒng)。為擺脫發(fā)達(dá)國家在先進(jìn)的高精度激光切割控制系統(tǒng)方面對我國實(shí)施的技術(shù)封鎖，我國一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)陸續(xù)開展了相關(guān)方面的研究。清華大學(xué)的張永強(qiáng)，天津大學(xué)的李侃均構(gòu)建了基于工業(yè)PC和PMAC運(yùn)動控制卡的激光切割控制系統(tǒng)，為了提高軟件的實(shí)時性，李侃舊剖采用了Windows CE作為開發(fā)平臺；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的呂善進(jìn)等人M1所開發(fā)的控制系統(tǒng)對激光切割過程中的信號進(jìn)行了監(jiān)測和分析，對提高切割質(zhì)量具有深遠(yuǎn)的意義，但以上研究對于復(fù)雜的空間自由曲面切割的軌跡問題都沒有進(jìn)行深入的探討。

為此，本研究以DMCl856運(yùn)動控制器為核心，將NURBS插補(bǔ)算法與速度控制算法融合開發(fā)專用的五軸激光切割控制系統(tǒng)，并在Matlab環(huán)境下對控制系統(tǒng)切割復(fù)雜的自由空間曲面進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1.激光切割系統(tǒng)原理

激光切割的工作原理為激光發(fā)生器發(fā)出的光束經(jīng)過光路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的的激光束，照射在被切割材料的表面，使被切割材料迅速融化、氣化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，利用與激光束同軸的高速輔助氣體吹除熔融物以形成孔洞，隨著被切割材料與激光束的相對運(yùn)動，在切割材料上形成割縫，最終形成給定形狀的切割。激光切割系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、切割主機(jī)、激光器3部分組成。控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的正常工作，其中最核心的任務(wù)是完成軌跡控制、焦點(diǎn)位置控制及機(jī)、光、電一體的協(xié)調(diào)。切割主機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖如圖l所示。

激光切割主機(jī)有5個運(yùn)動軸，包括水平方向的x、y軸，豎直方向的z軸及控制激光器繞z軸旋轉(zhuǎn)的C軸(旋轉(zhuǎn)角度為3600)及繞x軸擺動的A軸(擺動角度為4-90。)。切割機(jī)在完成復(fù)雜自由曲面三維工件的的

圖1切割主機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖

切割過程中激光頭必須時刻處于被切割材料的法向方向，因此與平面切割不同，系統(tǒng)不僅需要控制X、y、z 3個平動軸的運(yùn)動，還需要控制A、C兩個轉(zhuǎn)動軸的運(yùn)動，協(xié)調(diào)5個運(yùn)動軸的運(yùn)動走出一條較為復(fù)雜的空間自由曲線切割路徑。

2.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

激光切割機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成部分如圖2所示。

圖2控制系統(tǒng)硬件連接示意圖

工業(yè)PC機(jī)作為上位機(jī)，主要完成系統(tǒng)調(diào)度、人機(jī)交互、激光切割程序的輸入和解釋、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示，通過PCI總線向下位機(jī)發(fā)送控制指令及根據(jù)反饋信息的進(jìn)行相關(guān)操作等非實(shí)時性任務(wù)；下位機(jī)的核心是DMCl856運(yùn)動控制器，其通過PICM3900．S互聯(lián)模塊與切割機(jī)的伺服電機(jī)驅(qū)動器、編碼器、限位開關(guān)、零點(diǎn)開關(guān)等部件相連接，DMCl856根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的激光頭運(yùn)動的軌跡坐標(biāo)信息使用多線程技術(shù)控制x、y、z、A、C軸的運(yùn)動，同時反饋運(yùn)動控制狀態(tài)等實(shí)時性信息。每塊PICM3900一S僅提供與4個坐標(biāo)軸信號的接口，本研究采用DMCl856控制器，控制有x、l，、Z、A、C五軸，所以需要采用兩塊PICM3900一S互聯(lián)模塊。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件由管理模塊和控制模塊兩部分組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次示意圖如圖3所示。

圖3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次示意圖

管理模塊主要包括輸入輸出、參數(shù)設(shè)置、顯示診斷等程序；控制模塊包括譯碼、插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等部分組成。插補(bǔ)運(yùn)算是控制模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的核心部分，它根據(jù)激光加工的NC程序給出的軌跡數(shù)據(jù)，通過實(shí)時計(jì)算密化力n-r_軌跡，輸出各軸的進(jìn)給分量，控制切割機(jī)根據(jù)速度控制算法優(yōu)化出的速度沿既定軌跡運(yùn)動。

3．2五軸等距雙NURBS插補(bǔ)算法研究

傳統(tǒng)的CNC數(shù)控系統(tǒng)只具備直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)算功能，當(dāng)需要走出一條自由的空間曲線切割路徑時，系統(tǒng)根據(jù)加工誤差的允許值將走刀路徑離散成大量的直線和圓弧，之后數(shù)控系統(tǒng)利用直線和圓弧插補(bǔ)算法完成加工軌跡的密化。因此傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)在切割空間曲線時會大大地降低切割軌跡曲線的連續(xù)性，使加速度與進(jìn)給速度的不連續(xù)，進(jìn)而造成進(jìn)給不均勻、不平滑，同時由于頻繁的加減速對機(jī)床的動態(tài)性能要求較高。為滿足高速、高精度的切割要求，該控制系統(tǒng)開發(fā)了NURBS插補(bǔ)算法。

NURBS曲線插補(bǔ)算法分為預(yù)處理和實(shí)時處理兩部分，NURBS插補(bǔ)系統(tǒng)框圖如圖4所示。插補(bǔ)預(yù)處理根據(jù)NC程序給出的輪廓軌跡點(diǎn)及雙NURBS模型擬合出兩條NURBS曲線，并求出雙NURBS曲線之間參變量之間的關(guān)系。實(shí)時處理分兩步來完成：①插補(bǔ)點(diǎn)參數(shù)密化，根據(jù)速度控制算法優(yōu)化下一插補(bǔ)周期內(nèi)的進(jìn)給速度，計(jì)算進(jìn)給步長，求出與其相對應(yīng)的參數(shù)值；②插補(bǔ)點(diǎn)軌跡計(jì)算，根據(jù)參數(shù)值，計(jì)算下一插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)值、各軸的運(yùn)動增量m。7 J。本研究采用的五軸NURBS插補(bǔ)指令格式如下所示(其中：G06．3一NuRBs插補(bǔ)開始標(biāo)志；P一曲線冪

圖4 NURBS插補(bǔ)系統(tǒng)框圖

激光頭沿著輪廓曲線進(jìn)行切割時，受工件的物理特性、加工工藝、加工軌跡及切割機(jī)自身動態(tài)特性的影響，需要及時調(diào)整每個插補(bǔ)周期內(nèi)的位移進(jìn)給量ALi=V／T，以滿足高速、高精度加工要求。由于插補(bǔ)周期T固定不變，需要及時調(diào)整每個插補(bǔ)周期內(nèi)的進(jìn)給速度。融合基于曲率的速度控制算劃131與自適應(yīng)速度控制算法‘14]，本研究每個插補(bǔ)周期內(nèi)的進(jìn)給速度取值為：

4.仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

待切割工件如圖5所示。

圖5待切割工件

本研究要求激光切割機(jī)沿圖中所示黑色線條逆時針方向進(jìn)行切割，則切割軌跡中由A至曰為一空間自由曲線，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)使用大量的微小直線段對A至B的自由曲線進(jìn)行擬合不同，該控制系統(tǒng)采用的NURBS曲線插補(bǔ)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后置處理模塊進(jìn)行二次開發(fā)，生成具有本研究所提出的雙NURBS插補(bǔ)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(jì)思想與傳統(tǒng)的解釋程序相同：建立一個和NURBS代碼程序相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)‘171。通過解釋程序識別NURBS代碼段，將代碼逐行讀人，經(jīng)過轉(zhuǎn)換將信息存儲進(jìn)不同的控制數(shù)組，等待NURBS算法利用數(shù)組的信息進(jìn)行計(jì)算以得到完整的NURBS曲線。

DMC運(yùn)動控制器擁有自身的雙字符指令系統(tǒng)，NC代碼經(jīng)過上述處理之后，需要將加工程序翻譯成使用運(yùn)動控制器的雙字符指令表示的程序，而后使用接口函數(shù)將加工程序下載進(jìn)運(yùn)動控制器。本研究采用的方法是在上位機(jī)(PC)中建立功能代碼替換表數(shù)據(jù)庫，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。以下是翻譯模塊的部分程序：

代碼替換表中實(shí)現(xiàn)G06．3NURBS曲線插補(bǔ)命令的DMC雙字符指令是插補(bǔ)聯(lián)動命令LM[18I。在插補(bǔ)聯(lián)動運(yùn)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(guī)定的軌跡聯(lián)動運(yùn)動，運(yùn)動軌跡是根據(jù)各軸的增量距離(LI)來產(chǎn)生。插補(bǔ)聯(lián)動命令LM對運(yùn)動長度沒有限制，可以給出無限增量線段。但是由于緩沖區(qū)存儲容量有限(最多允許存儲511個線段)，故在插補(bǔ)聯(lián)動過程中，需要不斷地向緩沖區(qū)內(nèi)增加線段數(shù)以保證NURBS插補(bǔ)的連續(xù)。筆者運(yùn)用運(yùn)動控制器的多線程技術(shù)，將實(shí)時插補(bǔ)分為4個線程。主線程使用聯(lián)動插補(bǔ)命令LM實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制；子線程1使用一LM命令去查詢緩沖區(qū)中的線段數(shù)，當(dāng)緩沖區(qū)中的線段數(shù)小于一定數(shù)目時(本研究規(guī)定511)，查詢上位機(jī)交互子線程2，如果插補(bǔ)沒有完成則向緩沖區(qū)添加插補(bǔ)線段；線程2與上位機(jī)交互，讀取NURBS曲線特征參數(shù)及判斷NURBS插補(bǔ)是否完成；線程3進(jìn)行速度優(yōu)化與插補(bǔ)線段的生成。用插補(bǔ)聯(lián)動命令LM實(shí)現(xiàn)NURBS實(shí)時插補(bǔ)的部分程序代碼如下：

數(shù)組XPOS[MAX]，YPOS[MAX]，ZPOS[MAX]中存儲的是x，l，，z各軸的坐標(biāo)增量，APOS[MAX]，CPOS[MAX]存儲的是A，C兩個旋轉(zhuǎn)軸的坐標(biāo)增量，SP[MAX]中存儲的是各個增量線段對應(yīng)的矢量速度，VTIME、ACC、DCC用于存儲時間常數(shù)與加、減速度。在Matlab中進(jìn)行仿真試驗(yàn)可得等距雙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(bǔ)算法在Maflab軟件下模擬切割機(jī)控制系統(tǒng)在切割過程中對切割軌跡進(jìn)行NURBS插值計(jì)算后得到的雙NURBS曲線，由圖7可知插值所得的軌跡光順性良好；圖7是相應(yīng)的軸線矢量圖，由圖可知在切割過程中，激光頭的軸線始終位于待切割材料的表面的法線方向，在加入速度控制算法之后，在曲線的曲率變化較大的地方，軸線分布十分密集，即切割的速度會大大的降低以控制切割誤差，進(jìn)而提高切割質(zhì)量，避免切割加工完成以后在軌跡路徑上出現(xiàn)材料未被切開點(diǎn)。

圖6等距雙NURBS軌跡

圖7激光頭軸線矢量位置

5.結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)的激光切割控制系統(tǒng)是基于PC+NC的方式，NC采用GALIL運(yùn)動控制器DMCl856、PICM一3900S互聯(lián)模塊及伺服系統(tǒng)。開發(fā)了NURBS插補(bǔ)算法并利用DMC自身指令系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)，完成對x、y、z、A、C軸的精確運(yùn)動控制進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的空間自由曲線的切割工藝；NURBS插補(bǔ)算法分為預(yù)處理及實(shí)時處理兩個階段，大量的計(jì)算任務(wù)放在非實(shí)時周期的預(yù)處理階段完成，縮短了插補(bǔ)周期進(jìn)而提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時性和激光切割的精度，Matlab仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制系統(tǒng)的插補(bǔ)算法滿足現(xiàn)代高速，高精度的切割要求。

系統(tǒng)的底層采用成熟的運(yùn)動控制器加以實(shí)現(xiàn)，具有良好的開放性，后續(xù)開發(fā)中可以通過添加不同的功能模塊來擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。此外，該系統(tǒng)開發(fā)周期短、人機(jī)界面交互好、自動化程度高、性價比優(yōu)異，有助于我國突破國外的技術(shù)限制，因此具有良好的應(yīng)用前景及使用價值。

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