（电机与电器专业论文）激光切割机管理与控制系统的研制.pdf

a b s t r a c t w i t ht h et r a n s f e ro ft h ew o r l dp l a n tt oc h i n a 。i th a sb e e na l lu r g e n tt a s kt oa c c e l e r a t et h e d e v e l o p m e n to fd o m e s t i cm a n u f a c t u r i n ga n di m p r o v et h ep r o d u c i n ge q u i l ：l m e n t sa n d t h e p r o c e s st e c h n o l o g y a sa l l a d v a n c e dm e t h o do ff a b r i c a t i o n ，t h el a s e rc u t t i n gp r o c e s sh a s b e e nw i d e l yu s e di nm a n u f a c t u r i n g ，f o rs u c hm e r i t sa sh i g hc u t t i n gs p e e d ，h i g hd e g r e eo f a c c u r a c y , f l e x i b i l i t y a n ds h a p i n gq u i c k l y w i t ht h e d e v e l o p m e n t a n dm a t u r eo ft h e c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 b o t ho ft h e ma ma p p l i e dt om a n u f a c t u r i n gt o i m p l e m e n t t h e p r o c e s sa u t o m a t i o n r e f e r r i n g t ot h eb a s i ci d e ao ff m s ( f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ，as e to fm a n a g e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e db yt h ec o m p u t e r a n dc n ci sd e v e l o p e df o rt h el a s e rc u t t i n gm a c h i n e ，i n c l u d i n gt h ec a d c a m s y s t e m ，t h e c o m p u t e r - a i d e dn e s t i n go p t i m i z a t i o ns o f t w a r ea n d t h es u b - c o n t r o lm o d u l e p 2s e r i e sa cs e r v om o t o r sa n dd r i v e r so fj a p a n e s es a n y oc o a l ea d o p t e da st h e d r i v e re l e m e n t ，a n dh u s t1 - 3c n co f t a l w a n y r n ，c o ，c o n f i g u r e dw i t ht h ei n t e r n a lp l c ， i ss e l e c t e da st h es u b - c o n t r o l l e r t h ec a d c a ms o f t w a r ei nc o m p u t e r , d e v e l o p e di nv i s u a l c + + 6 0b a s e do nw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n g s y s t e m i sm o d u l a r l yp r o g r a m m e dw i t h s t r u c t u r e dd e s i g n m f co d b c t e c h n o l o g yi sa p p l i e d t om - a n a g et h ed a t a b a s eo f p r o d u c t s a n dm a t e r i a l s t h ec o m p u t e r - a i d e d n e s t i n go p t i m i z a t i o ns y s t e m i s d e s i g n e d f o rt h e n e s t i n go ft w o m i m e n s i o n a li r r e g u l a r - s h a p e dp a r t s i n r e c t a n g l e s h e e t sw i t ht h ea i mo f i n i n i m u mw a s t a g e t h ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n gm o d u l ei su s e dt og e n e r a t en cc o d e sf o r t h ec o r r e s p o n d i n g n e s t i n gg r a p h i c s w i t ht h en c c o d e sd o w n l o a d e di n t oc n c a n dt h e h e l p o ft h e m o n i t o r i n g i n t e r f a c eo fc a m ，t h es t o c k s c u t t i n gp r o c e s s c a l lb ep e r f o r m e d a u t o m a t i c a l l y t h ew h o l ec a d c a ms o f t w a r ew o r k ss t e a d i l ya n dc a nb ee x t e n d e db y a d d i n ge x t r a f u n c t i o nm o d u l e s t om e e tt h el a r g e - s c a l ec u t t i n gs t o c kp r o c e s s ，ah e u r i s t i ca p p r o a c hi s p r o p o s e d ，w h i c h r e p r e s e n t st h es h e e ta n dp a r tg e o m e t r i e si nd i s c r e t ef o r mt oa r r a n g et h ep a r t so nt h es h e e t q u i c k l ya n de a s i l y t h em e t h o da v o i d st h ec o m p l e x i t yi nt h eg e o m e t r yo ft h ep a r t sa n d s h e e t sa n da c h i e v e sq u i c k n e s t i n go p t i m i z a t i o n t h ea l g o r i t h mi sa l s op r o g r a m m e d t of o r m t h es t a n d - a l o n en e s t i n gs o f t w a r e ，a n di sp r o v e df i tf o rm a s s i v e c u t t i n gs t o c kp r o c e s s t h es u b - c o n t r o lm o d u l ei s d e s i g n e dt oa u t o m a t et h ec u t t i n gp r o c e s sa n dr e a l i z et h e m a c h i n e so p e r a t i o n ss u c ha s m o v i n gh o m e ，j o gm o v e m e n ta n da u t or i m k e yw o r d s ：l a s e rc u t t i n gm a c h i n e ，n u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n i q u e ，c a d c a m ，2 - d i r r e g u l a r - s h a p e dc u t t i n gs t o c kp r o b l e m ，c i r c u l a ra r ca p p r o x i m a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期：泓纽； 1 1 课题提出的背景及意义 第一章绪论 经济全球化、贸易自由化的趋势使市场竞争日趋激烈，企业对客户严格、多变的需求必须做 出快速响应，这已成为企业赢得市场的必要条件。传统的加工设备和制造方法很难适应当今市场 竞争的要求，因此，以电子信息技术为基础，集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与 现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、通信技术、液压气动技术、机电技术于一体的数 控技术得到迅速发展和广泛应用i l l 2 】【3 l 。现代数控加工技术的普遍应用，使产品的加工周期大幅缩 短，提高了产品的加工质量，加速了产品的更新换代，增强了产品的竞争力。当前，数控技术已 经成为体现一个国家机械制造工业水平的重要标志之一，更是衡量一个制造企业技术水平的重要 标准。基于上述趋势，许多制造行业都已经采用数控加工的方式来提高产品的竞争力。 激光切割是板材下料过程中的重要加工方式：与传统切割方法( 火焰切割、线切割) 相比， 激光切割具有高速、高精度和高适应性的特点，同时还具有割缝细、热影响区小、切剖面质量好、 切割时无噪声、切割过程容易实现自动化、加工成本低等优点。因而在工程上得到广泛应用1 4 1 ”。 数控激光切割机正是将计算机与数控技术应用于板材深加工行业的产物。为了适应现代化生 产的要求：多品种、小批量、个性化设计，保证板材切割的质量，提高切割速度，节省劳动力， 降低成本、缩短生产周期，研制自主知识产权的经济型数控激光切割设备意义重大。通过计算机 数字控制。切割机可阻精确、连续地切割各种复杂的图案，并具有加工范围广、切割速度高、加 工可靠性高、加工柔性好并且可实现众多复杂零件的切割等优点；另外，切割机针对大规模产品 下料。具有优化捧样的功能，从而最大程度地节省了原材与成本消耗。特别是切割某些价格昂贵 的板材时，能带来明显的经济效益。 由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与发达国家 相比有较大差距。据统计，日本自1 9 9 5 年以来，年生产c 0 2 激光加工机已超过5 0 0 台左右，而 我国至2 0 0 2 年止总共只有6 0 0 多台，套激光切割机在使用中。随着我国国民经济的飞速发展，许 多传统产业需要改造，许多钣金加工领域有待开发，许多工业城市也需要建立激光加工中心。所 以，估计在“十五”期间，至少需要5 0 0 多台躅 数控激光切割机，其中除了通用的o 。2 激光切割 机之外，特别需要高速、高精度的数控激光切割机、切割厚板的大型数控激光切割机、三维立体 数控激光切割机以及激光切割机器人等各种切割机和切割自动化装置嘲嘲。所以研制国产数控激 光切割机具有广阔的市场前景。 数控激光切割机控制系统研制成功后，还可以通过更换各种切割头：火焰喷头、高压水射流、 等离子束等，从而生产出各种类型的板材切割设备，并可应用于众多型材的下料加工，如普通玻 璃、术材、服装等。 第一章绪论 1 2 激光切割机控制系统相关技术的发展和研究现状 切割机控制系统由计算机、数控器( c n c ) 、伺服驱动系统、p l c 可编程逻辑控制器件以及 其它相关功能模板组成，可以说一台数控切割机床集合了控制技术的最新成就。 1 2 1 数控技术与自动化加工 随着计算机的诞生，在1 9 5 2 年产生了世界上第一台3 坐标立式数控铣床，标志着数控技术 的开始。数控技术的发展，可分为以下几个阶段”】。 第一阶段，1 9 5 2 年至1 9 7 0 年，这一阶段的数控系统采用由硬件电路组成的专用计算机装置， 这种数控系统经历了三个时代，即电子管、晶体管和小规模集成电路时代。其各种控制功能如 输入装置、插补运算、控制器等，都是由硬件逻辑电路来实现。这一阶段的数控系统控制功能简 单，灵活性差。 第二阶段，1 9 7 0 年至1 9 7 4 年，由于计算机的迅速发展，小型计算机代替了数控系统中的专 用计算装置。这种计算机数控系统( c n c ) 用软件实现了许多数控功能，使数控系统具有更大的 适应性、柔性好。 第三阶段，1 9 7 4 年开始，随着采用超大规模集成电路的微处理器迅速发展，数控系统开始采 用微型计算机。由于微处理器的集成度不断提高，数控系统运算速度越来越快，功能越来越丰富。 2 0 世纪8 0 年代初开始提出研制基于p c 的开放式数控系统，并在9 0 年代初得以实现。这种 数控系统结合了p c 的分析运算能力、大容量存储功能、图文显示优势及组网的灵活性，使得数 控系统具有开放的模式。现在，基于d s p 的运动控制器为核心融合p l c 的功能，与标准p c 机 集成的新一代开放式数控系统成为发展的主导”。 随着生产技术的发展，对产品的性能要求越来越高，产品改型频繁，采用多品种小批量生产 方式的企业越来越多，要求数控技术满足这些要求，数控技术正向以下方面发展。 1 高速化和高精度化 目前数控机床正向着高速化和高精度化方向发展，主轴转速可达1 0 0 0 0 4 0 0 0 0r m i n ，进给 速度可达3 0m m i n ，快速移动可达1 0 0m m i n ，加速度可达1g ，换刀时间可达1 5s ，加工中心的 定位精度约为5 9 m ，有的可达到i i n 。 2 数控系统智能化、信息化 由于微电子技术、超大规模集成电路等各种技术的发展，使数控系统实现智能化变为可能。 智能化的数控系统可以解决数控机床的故障诊断和提出排除的方法，也可以更广泛、更深入的解 决加工中的技术问题。 i t ( 信息技术) 已经成为2 1 世纪的重要发展潮流，数控机床将会广泛的应用r r 技术实现控 制、监控、诊断、补偿、调整等功能，提高机床无人化、智能化、集成化之水平，利用i t 网络将 机床与工段、车间、工厂、外界数据库等进行联系，进一步实现制造、管理、经营、销售、服务 等各方面之间的网络化，也就是向c i m s ( 计算机集成制造系统) 方向发展。 2 东南大学硕士学位论文 3 数控系统开放化 以往的数控系统是由生产厂商独自开发，自成一体，通用性很差。用户不能根据生产的实际 需要添加或改变系统功能，更不能适应信息技术发展的需要。开放式数控系统以p c 为核心，系 统的所有元件对用户完全开放，用户可以灵活自主地构建自己的系统。同时，从简单的串行1 2 通 信到复杂的网络，不同的信息都能得到很好的应用。开放式数控系统已经成为数控系统发展的一 种趋势。 2 0 世纪8 0 年代自动化加工行业兴起了柔性制造系统( f i v i s ：r e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ， 它是一种着重解决多品种、中小批量零( 部) 件生产，实现短周期、高质量、低成本和高柔性的 自动化制造系统。 随着计算机应用技术的发展和成熟，又逐步形成设计、制造和管理的信息流计算机化、生产 过程及其物流控制柔性自动化的整个制造工厂全部生产、经营活动的计算机集成制造系统( c i m s ： c o m p u t e r i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) ，为自动化加工生产系统勾画了一个较为完美的构想嘲。 图1 - 1 是计算机集成制造发展过程。 图1 - 1 计算机集成制造发展过程图 1 2 2 伺服控制系统的发展及现状 伺服控制系统( s e r v oc o n t r o ls y s t e m ) 又称传动系统，它是数控切割机控制系统的重要组成 部分。根据传动电动机的类型，伺服控制系统可分为直流伺服系统和交流伺服系统。由于直流电 动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点，因此被广泛应用于要求进行平 滑、稳定、大范围的调速或需要灵活控制起动、制动的生产机械。特别是对调速要求较高的工作 装置( 特别是大功率的工作装置) 仍然采用直流电动机来驱动。但由于直流电动机电刷和换向器 的使用，增大了摩擦转矩，降低了系统可靠性，并带来无线电干扰；同时直流电动机构造复杂、 3 兰二童堑望 价格昂贵、维修维护比较困难，因此在很多高新技术领域无法满足要求随着电机制造技术、现 代控制理论、电力电子技术和微电子技术的迅速发展，交流伺服系统以其扭转刚度和平衡质量高、 惯性转矩小、过载能力高、外形尺寸小等特点逐渐取代直流伺服系统的主导地位f l a 由于计算机技术和数据通讯技术的发展，使电气传动实现了由模拟控制向数字控制的过渡。 数字控制系统可以采用最少量的硬件标准单元，不同的软件满足各种控制要求，使电气传动系统 的整体性能显著提高。 目前，电气传动控制发展成为运动控制技术。这种技术能将预定的控制方案、规化指令转变 成期望的机械运动。运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、 转矩或力的控制。以及这些被控机械量的综合控制。 1 2 3 可编程序控制器件( p l c ) 在可编程序控制器出现以前，继电器控制得到了广泛地应用。由于它结构简单、价格低廉、 易于掌握，在工业控制领域中占主导地位，但它体积大、动作慢、功能少、可靠性低、接线复杂， 对不同的对象或不同的生产工艺缺乏通用性与灵活性。 可编程序控制器( p l c ) 是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子系统。 它与以继电器为主要元件的顺序控制器相比有诸多优点，因此在数控切割机上得到了广泛的应 用。近年来，随着大规模集成电路的发展，以微处理器为核心组成的可编程序控制器( p t c ) 得 到了迅速发展，并广泛应用于各种领域中，以满足现代化大生产中的高效、高可靠性、高难度的 自动化要求，如产品的计数、温度、压力、流量的设定与控制、生产工艺的闭环过程控制、通信 与远程控制等。 目前世界上各先进工业国都竞相开发、生产各类p l c 产品，著名大公司有德国西门子，美国 的a b 公司，日本欧姆龙公司等。我国在引进国外产品的同时，也已开始引进该项技术，并组织 p l c 产品的开发和生产，初步形成自己的p l c 产业。 1 2 4 激光切割技术的发展现状 1 激光切割技术的分类 激光切割技术，从本质上来看，目前主要分为三类9 】【1 0 1 ： ( 1 ) 汽化切割这种切割使用的激光功率密度很高( 1 0 s w c r n 2 ) ，照到工件表面，除一部分 被反射外，其余被吸收变为热能，使表面迅速达到沸腾温度，在表面形成匙孔，再加上表面氧化 等原因，吸收率急剧增大，喷出的蒸汽带走大量的熔融材料( 可达6 0 ) ，使材料汽化而成切口。 这种切割主要用于脉冲激光，切割不熔化的材料及木料、塑料和陶瓷片等。 ( 2 ) 熔化切割熔化型激光切割的激光功率也须大到足以在材料表面产生匙孔，但其熔化 物不是靠汽化过程清除，而是另外由辅助气体吹除。气体喷嘴常与激光束同心。这种切割不存在 蒸汽对激光束的反射和吸收问题，激光束在切e l 间隙内移动时只与前侧的材料相作用。由于该激 光束透射到受光材料斜面射角很大，吸收的激光能量不足以维持连续的熔化，熔化过程只能一步 一步地进展，因此切割呈现波浪形花纹。这种切割所用功率只有汽化切割的i 1 0 ，主要用于能与 氧气发生热反应的材料，如铝等。同时使用惰性气体或不活泼气体吹除。 4 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 反应熔化切割利用激光束将材料加热到燃点，然后通过以工业纯氧与材料发生放热 反应放出大量的热量，切口处材料氧化燃烧生成熔融氧化物后被吹除形成切口的同时，所放出的 热量还供给相邻材料，从而使相邻材料达到燃点。使切割连续进行。这种方法所需的激光能量只 有汽化切割的1 1 2 0 ，主要用于钢与钛的切割。 2 激光切割技术的发展 总的来讲，激光切割技术的发展可分为4 个阶段，见表1 1 。 衰1 1 激光切割技术的发展 阶段激光形态偏振切口精糙度可切板厚精加工加工 ( s o o w 基模)效果方向性 i连续线，椭圆 2 0 “m 3 2 m m不良 有 脉冲线，椭圆l o 2 0 血m4 5 m m不良有时有 i i i脉冲圆 5 1 0 “m 4 5 m m良无 脉冲、大脉冲圆 5 1 0 1 1 1 6 m m良无 现代激光切割的精度水平可达到o o l m m ，可以与线切割的质量媲美，而切割速度则为线切 割的1 0 1 0 0 倍。 聚焦光斑直径：进行高精度的切割，需要把激光聚焦到很小区域。现代妒1 5 m m 的激光束， 利用，为5 0 7 0 m m 的z n s e 透镜，可以使聚焦光斑直径小到8 0 弘m ，使用凹凸面的弯月形透镜 可以消球差，使光斑直径比平凸透镜聚得更小。 进行尖角的精密切割时，采用连续激光切割往往因尖角处过热而发生熔化，现在已将连续激 光该成脉冲激光，可以控制熟量而有效地切割尖角。 1 3 数控激光切割机组成概况 数控激光切割机主要由机床床体、c 0 2 激光器、水冷机、外光路系统和控制系统等组成，如 图1 - 2 所示，是典型的机、光、电一体化设备。机床床体又分为以下几个部分：机床底座、工作 台、横梁、z 轴随动机构、切割头、行走机构( 进给机构) 等，如图1 - 3 所示。 图1 - 2 数控激光切割机组成 5 第一章绪论 善耥一艇 而砩快氅 昱jn 机床底座x 轴行走机构 图1 - 3 切割机床床体组成 控制系统是整个系统的控制中枢，负责协调控制整个加工系统的正常工作。其进给机构为二 轴联动系统，由x 方向电机驱动的横梁和由y 方向电机驱动的支架确定切割头在平面内的位置， 这两台电机联动可使切割头实现加工平面内任意曲线的轨迹运动，完成加工任务。 1 4 论文的内容安排 本文是围绕着数控激光切割机控制系统的研究与开发而展开的，其中不仅对控制系统的 c a d c a m 各功能模块与数控加工的过程控制进行了深入详细的研究，而且为了满足生产中的大 规模下料的需要，提出了针对异形件排样的启发式算法与遗传算法。 本论文具体内容安排如下： 第一章为绪论，首先介绍了课题提出的背景与意义，然后综述了与数控激光切割系统相关技 术的发展与研究现状，最后简单介绍了数控激光切割机的组成概况。 第二章介绍了工业现场以及实时控制对控制系统的要求，分析了激光切割加工的特点，在此 基础上提出了一套激光切割机的管理与控制系统，包括硬件配置与选型，以及软件各功能模块的 构成。 第三章详细介绍了上位机c a d c a m 软件的设计思路与方法，各主要功能模块的实现。 第四章总结了当前国内外关于排样问题的研究现状，并给出异形件优化排样的数学模型。针 对优化模型分别提出启发式算法与遗传算法进行求解，并且给出了启发式算法的应用实例。 第五章介绍了数控切割机下位机控制模块的实现，本章主要就数控器在h o l v l e 模式、j o g 模式、 a u t o 模式下分别实现切割机的回原点操作、手动操作与自动运行展开论述。 第六章对本文内容作简要的总结。 6 东南丈学硕士学位论文 第二章控制系统整体设计 控制系统的设计应充分考虑系统的通用性与其应用场合的特殊性。本章首先介绍了工业现场 以及实时控制对控制系统的要求，然后结合激光切割加工的特点与生产自动化的需要提出一套经 济型控制系统的设计方案，包括控制系统的硬件配置与一套面向激光切割的c a d c a m 软件 2 1 控制系统设计的要求 2 1 1 工业现场对控制系统的要求 控制系统的控制对象是工业现场的各种设备，其主要任务是接受、处理来自现场设备的各类 信号，经过分析比较后发出各类控制命令，让设备有序地正常运行。由于工业现场的操作环境相 差较大，条件相对恶劣，除了对硬件设备提出了很高的要求外，对控制系统本身更有一系列的综 合要求【“。归纳起来有咀下几点： ( 1 ) 可靠性高 这是对控制系统的最基本的要求。无论是最简单的单回路控制电路，还是拥有强大功能的大 系统，系统的可靠性一直是首要的衡量指标，这是由被控对象的连续操作运行的特性和工业现场 环境的恶劣性所决定的。在工业现场一旦系统出现故障将会引起严重后果。随着微电子技术的 进步，目前在硬件方面的可靠性较以往已有了大幅度的提高，使得系统的电气性能及整体可靠性 大为改观。但是仅仅有硬件方面的进展是远远不够的，还必须在软件设计、系统配套方面做出综 合考虑，并在控制方式、控制算法方面进行优化，使整个系统的综合指标得以全面提高，才能满 足控制现场的实际需求。 ( 2 ) 采用通用部件，可扩展性好 计算机控制系统可以控制多台不同的设备处理不同的过程参数。各种被控设备及被控参数 的要求各异，设备型号可能会更新替换，这就要求控制系统能适应这些变化，而系统本身仅作局 部调整即可要做到这一点，就必须要求系统部件是标准化、模块化设计的。当系统要求有所变 动时，只要根据不同的需求选用相应功能的系列组件进行适当的组合，使系统具备良好的可扩展 性和灵活性。 ( 3 ) 系统操作简单 系统操作简单不仅指操作人员实际使用简单、易学，更有方便维护之含意。大多数系统的操 作人员，不可能具备控制方面的专业知识，对系统内部的复杂结构，操作人员不需要了解，也没 有关心的必要。因此系统操作的简单性，可以降低对操作人员的专业知识的要求，同时减少了对 操作人员的培训时间与费用。维护简单是指故障发生时易于很快排除。从软件角度而严，一般要 求配置自诊断程序及差错指示程序。当发生系统故障时能及时报警，并能查找故障发生的部位： 从硬件角度而言重要部件应设置不同的状态指示元件，帮助现场人员发现异常的故障部件，迅 速予以更换。另外，零部件的设计应该是标准化的，应具有一定的通用性，这样备品备件管理也 7 第二章控制系统整停设计 会相对简单。 ( 4 ) 环境适应性强 工业现场的环境里，最常遇到的问题是粉尘、辐射、高温以及各种强烈电磁干扰。对于一些 特殊的场台，系统还须有防震、防晃动、防潮、抗冲击等要求。要使工业控制系统产品能在恶劣 环境中长期稳定运行，硬件质量是基础，软件设计同样重要。 ( 5 ) 性能好雨价格相对较低 限于我国目前的经济水平，特别对为数众多的中小型企业而言，资金普遍紧张，但技术改造 的任务又十分繁重。这就要求控制系统在满足精度、速度和环境要求的同时，尽可能地降低系统 成本，使一般的中小企业乐于接受。 2 1 2 实时控制对控制系统的要求 由于工业现场的生产过程一般都是连续进行的，因此工业过程控制系统必定是具备实时控制 功能的高可靠性系统。 从硬件角度看，首先应该选用运行速度快、稳定性高的控制主机，其次是选用功能齐全、性 能可靠的功能模板。过程控制最重要组成部分就是过程通道又称i o 通道。所以控制系统的输 入输出通道必须做到转换速度快、转换精度高，从而使数据的采集与发送都能快速准确实现。达 到实对控制的要求。另外，由于工业瑶场存在电网波动和各种干扰源，所以对控制系统的各电气 设备要求带独立的工业级电源。 从软件角度看，要使整个系统高效运行，其关键在于控制软件的合理结构，要求过程控制软 件实时性强，可靠性高，功能丰富，要使得系统内各种功能完善协调运行，如进行实时采集和控 制输出的同时，又能同时显示监控界面等信息。并且控制软件也应有良好的人机接口和系统可扩 展性。 2 1 3 激光切割加工的特点及对控制系统的要求 激光切割是剃用聚焦后的高能量密度的激光使加工对象发生物理或化学变化而进行切割的 新型加工方法。它是集机、光、电于一体的高技术含量的切割加工方法，与普通的机械加工方法 相比，激光切割主要有以下特点【1 3 】【1 4 1 ： ( 1 ) 激光切割是利用聚焦后的激光照射物体表面进行加工的，因而为菲接触加工，光头和 工件之间没有机械应力。 ( 2 ) 激光切割的对象十分广泛，既有各种金属、非金属的不同性质的材料之分，而且对同 种材料也有不同厚度之分。它们对激光器的功率要求、加工速度、切割头与工件表面的垂直距离 以及撤光焦点的位置要求也各不相同。 ( 3 ) 激光切割的加工要求非常复杂，既有各种复杂多变的几何图案，也有各种文字，有时 需要内切，有时需要外切。 ( 4 ) 激光切割是一种热加工，必然存在热效应，因此在拓工尖角对不进行处理就有可能烧 坏工件。 8 东南大学硕士学位论文 ( 5 ) 激光切割是光、机、电共同作用的结果，需要有复杂的光路、气路、水路的配合才能 顺利进行，任何一方出了问题都要及时处理，否则不但影响加工，而且有可能损坏设备甚至造成 人身危害。 激光切割的特点与生产中加工自动化的需要对控制系统提出了以下的特殊要求： ( 1 ) 为满足生产中批量加工，同时又节省板材的要求，系统必须提供优化排样功能。 ( 2 ) 控制系统必需具备c a d 图形设计功链，以方便用户编辑零件的加工轮廓与图形输入， 同时还需提供加工程序自动编程与模拟仿真功能，以实现自动化加工。 ( 3 ) 控制系统必需有完备的各种曲线的插补功能( 包括直线、圆弧、椭圆弧、样条曲线等) 。 以保证切割机能够加工各种复杂轮廓的零( 部) 件。 ( 4 ) 控制系统必需有较高的插补速度，以充分发挥非接触加工的优点，使得在加工不同的 材料时都能最大程度地发挥激光器的效率，提高切割机的加工效益。 ( 5 ) 控制系统必需具有加工工艺规划功能例如在切割起始点及尖角处必须添加辅助路径， 自动识别零件内外轮廓，先切内轮廓，后切外轮廓，以保证零件加工的质量。 ( 6 ) 控制系统必需提供方便的人机交互界面，以方便用户的生产操作。 2 2 控制系统整体设计 根据上述要求，本系统采用双机控制系统：上位机负责管理与监测，下位机负责数据采集与 控制。上位机由一台p c 构成运行一套面向激光切割的c a d c a m 软件，主要任务是向用户提 供丰富、直观的管理监控界面，以及从零件设计到生成数控加工指令的一套完整的c a d c a m 系 统：下位机由一套数控器和一套p 【c 逻辑控制器件共同组成其主要任务是将采集的现场数据传 给上位机，同时接收上位机的控制命令与加工指令并执行，完成加工轨迹的插补运算并生成脉冲 信号来控制伺服电机的轴向运动，从而达到加工零件的目的。上位机与下位机之间以串行通讯模 式进行双向沟通，实现数据信息的传送。采用双机控制，系统的开放性、可靠性与可扩展性都得 到保证，并且还为系统联入网络提供了可行的途径。控制系统的结构框图如图2 - 1 所示。 上位机c a 】) i ：a m 系统 ( 设计、管理、监控) b 毒畦 接 线 端 叠袭 屿 子 板 图2 - 1 控制系统结构框图 9 墨三兰丝型墨堑壁壁堡盐 上图中单向箭头表示信息单方向流动，双向箭头表示信息双向流动。工控机负责人机交互、 a u t o c a d 图形输入、实时通讯以及加工信息的打印输出等功能；数控器通过r s 2 3 2 串口通信接 收到微机传送来的数控加工指令后，将指令转化成交流伺服驱动器位置控制方式的脉冲信号并下 传至交流伺服驱动器，伺服电机的光电编码器将实际的位置信号反馈给驱动器，驱动器经过将目 标位置与实际微机进行比较，决定下一步动作，从而实现半闭环伺服控制；同时数控器内的p l c 输出系统所需的u o 面板开关量。一旦到达机械本体上的零位或极限位，零位感应开关及限位机 械开关发出信号给p l c ，数控器完成相应的控制操作并将状态信号发送至工控机- 2 3 硬件选型 工业控制计算机。根据工业现场对控制系统环境适应性的要求，综合考虑主机运行速度、 稳定性与扩展能力采用c o n t c c h 公司的工控机产品，c p u 为p i h 8 5 0 ，内存空间为2 5 6 m b ；p c 机通过串口r s 2 3 2 与下位机通信，并可通过网卡与工业局域网相连接。该机型的功能芯片皆为插 卡式设计，扩展能力强，灵活性好。 数字控制装置。控制系统采用台湾亿图公司生产的h u s ti - 3 系列数控器，它借助于 m o t o r o l a6 8 0 0 0 数字信号处理器，内含了i i 阿f e r n a lp l c 功能，可同时控制1 6 个轴，最 大反应速度为3 0 l n ，f n i n 。该系列控制器也为插卡式结构，其内部的主要功能芯片，如存储卡、电 机控制卡、r s 2 3 2 c 卡、键盘卡、屏幕显示卡、i o 卡等都被设计成板卡插入主机控制板上对应的 插槽。具体结构如图2 - 2 所示，表格2 - 1 说明每一块插卡的功能。 o = 1n_ 、 一 ，、 o 口 口 _ _ 蔓 口口 口日 o o 、 - 、 一 。 一 、_ 圈2 - 2i i u s ti - 3c n c 主板插卡结构 表互li - l u s t1 - 3c n c 主板插卡说明 插口标识播卡实现功能 m e m存储卡，r o m r a m a s 1位移( 轴向) 控制卡，x 轴及y 轴。m 1 是硼( 手摇轮) 控制线接头 a s 2位移( 轴向) 控制卡，z 轴及a 轴，m 2 是m p g ( 手摇轮) 控制线接头 r $ 2 3 2 cr s 2 3 2 c 串口电脑连线接头及h u s t 按键( k e y ) 卡 s c a n屏幕显示以及i - l u s t 7 一段l e d 卡 p 1 一p 5p l c 的f o 卡 p 6 方式i ：第六片i 0 卡 方式2 ：第三片位移( 轴向) 控制卡 1 0 东南大学硕士学位论文 交流伺服系统。 伺服系统按其驱动方式可分为开环和闭环两种，开环控制方式一般采用功率步进电机作驱动 元件，其转角和转速分别由输入的脉冲数目和脉冲频率决定。它没有位置检测反馈元件，所以线 路简单，调整方便，价格相对偏低，但精度较差，适用于一般耍求的中小型切削机床和位置精度 要求不高的设备。闭环控制方式一般采用采用直流伺服和交流伺服电机作为驱动元件，并带有光 栅、感应同步器、旋转变压器、编码器和磁尺等位置检测反馈元件。根据数控设备各机械坐标运 动的实际位置反馈信息和程序中规定的位置信息相比较，以其差值来控制伺服电机驱动数控设 备。 综合考虑了系统的精度要求、性能与成本等因素，本套数控切割系统的驱动元件采用了交流 镯报电机，其扭转剐度和平衡质量高、惯性转矩小、过载能力商，并且价格挖直流伺服电机低很 多。比较了目前市场上的各种伺服设备，本系统选取了性价比相对较高的日本s a n y o 公司的p 2 系列伺服电机。x 方向伺服电机为2 1 0 v ，额定转速3 0 0 0 转，分，额定力矩6 3 7n m ：y 方向伺 服电机为1 5 k w ，额定转速3 0 0 0 转，分，额定力矩4 7 9n n l 。以上电机的位置编码器为增量编码 器一每转产生2 0 0 0 个码孔。具有速度控制、位置控制和力矩控制三种模式班及力矩保持、震 动抑制、电子转速比等齐全的辅助功能。 其他控制设备。p l c 逻辑控制器件，内嵌于h u s t 控制器中，其i o 端子以板卡方式插 于主机控制板上的插槽；继电器，用于控制系统各个设备电源的通断；行程开关、接近开关，实 现切割头各个进给方向上的机械原点定位及极限保护；定位感应器负责切割时程序原点的定位。 2 4 上位机c a d c a m 软件的设计方案与操作界面 总体设计的任务是根据工程应用的需要进行功能模头分工，并祷其集成于一个统一的系统 之中。通过数据接口实现信息交换，从而最终实现c a d c a m 体化。 2 4 1 软件的功能模块分工 圈2 - 3c a d c a m 软件功能模块 第二章控制系统整体设计 考虑到在生产中会经常遇到规则形状的异形零件，其轮廓通过简便的参数设定即可确定， 如圆、椭圆等，系统应具备基本异形件c a d 功能，通过向用户提供一个基本异形图库与相应的 参数输入对话框即可；考虑到复杂零件的加工与软件的通用性，系统应具备与a u t o c a d 的软件 接口，使系统能够直接调用a u t o c a d 中的零件图并进行加工：对于工厂大规模下料的需求，从 提高板材利用率并节省成本的角度考虑，优化排样功能是不可或缺的；另外，为了提高加工自动 化程度，对零件进行优化排样后还需要进行辅助工艺设计，自动编程后得到相应的数控加工代码， 程序经过模拟仿真后即可下传至数控器进行加工。 2 4 2 软件的操作界面 该软件有5 个主要操作界面：原料库管理界面、订单管理界面、余料库管理界面、决策管理 界面以及生产管理界面。下面对这些界面的功能做简要介绍： 1 订单管理界面 选择“查看”菜单项中的“订单管理”，或在工具栏按下对应按钮，即可进入该界面。订单管理 界面用以管理客户订单与产品加工进度。该界面上主要有一个表格控件、四个操作按钮以及产品 形状选择列表框，下面分别介绍它们的作用： 订单表格：该表格反映了客户订单情况，包括订单编号、客户名称、订货日期、交货日 期，下料所用材料的种类名称、规格( 长度与宽度) 和板材厚度，下料数量、已加工数量等。其 中定单编号是c a d c a m 软件进行产品批量优化排样的单位。表格中的每一行数据对应后台 a c c e s s 数据库中的一条记录。 操作按钮：界面提供了“更新当前记录”、“添加新记录”、“删除当前记录”、“清除编辑 框”按钮，以方便用户对产品数据库进行操作。 产品形状选择下拉框中包含有可选的各种产品形状，选中某一种规则异形后会弹出相应 的对话框进行产品形状参数设置如选中任意形状”则会弹出d x f 文件读取对话框，通过此对话 框用户可以输入任意外形的产品。 在此界面下的“文件”下拉菜单中还可以进行订单删除、存取以及打印等工作。 2 原料库管理界面 选择“查看”菜单项中的“原料库管理”，或在工具栏按下对应按钮。就进入该界面。原料库管 理界面用于对企业原料库存情况进行管理。 界面上端的表格显示了所有库存板材的信息包括：板材编号、材质、比重、长度、宽度、 厚度、价格以及数量等。当用鼠标选中表格行时，表格下面的“当前记录编辑框”里即出现选中行 对应的原料库记录，此时可以在“当前记录编辑框”里对该记录进行修改操作。在界面的下方提供 了四个按钮，分别是：“更新当前记录”、“添加新记录”、删除当前记录”、“清空编辑框”，以方 便用户对原料数据库进行操作。 3 余料库管理界面 为了最大限度地节约生产成本，厂家可将每次切割完成后的剩余原料存入余料数据库。余料 数据库中的信息分类和操作与原料数据库相似，不过余料的规格繁多而且差异太大，管理难度较 1 2 东南大学硕士学位论文 高，故建立针对余料的专项数据库进行管理。 值得一提的是，产品数据库中的零件已加工数量与板材数据库中的板材数量随着生产的进行 自动进行更新，从而实现物料信息管理与生产流程相统一。 4 决策管理界面 选择“查看”菜单项中的“决策管理”，或在工具栏按下对应按钮，就进入该界面。在该界面下， 用户可以对所有待下料产品以订单编号为单位进行优化排样。具体如下：在下拉框中选中需要决 策的订单号表格即显示该订单所有产品的加工信息；在编辑框中输入原料毛边的数值；点击“决 策”按钮即可对所选订单的产品进行捧样决策，并将决策结果保存为二进制流格式文件。决策完成 以后可以打开此优化结果文件进行预览。预览界面显示了每一种版样的产品分布情况、原料规格、 厚度以及利用率等信息，用户可以将排样图形进行打印从而方便加工过程中信息对照。 5 生产监控管理界面 选择“查看”菜单项中的“生产管理”，或在工具栏按下对应按钮，就进入该界面。该界面的作 用是监控生产过程，具体如下： 进行系统的各种调整与测试操作，如回机械原点、手动运行、空程定位等。 打开待加工定单的优化结果文件，显示版样图形。生成加工代码并进行模拟仿真。 下载当前版样的加工程序到控制器。设置数控系统为“自动”运行模式，按下程序空运行， 按钮，以检测数控器中的加工程序是否得到正确执行，检验无误后即可启动切割机切割板材。 与c n c 实时通讯。监视生产过程，如：实时显示切割头当前坐标如有异常出现则给出 报警提示并执行相应的保护动作。 主要操作按钮：“原点”、“点动”、“自动”按钮设定控制器工作模式；“模拟仿真，按钮， 对加工代码进行模拟仿真；“程序空运行”按钮，让切割机在无激光情况下试切板材；馆动”按钮， 启动切割机进行加工；“暂停”按钮，暂停生产过程；“继续”按钮，继续生产过程。 1 3