三维激光切割在机械加工机床中的集成研究＊

孙 晓 蒋 明 陈 聪 高 明 曾晓雁

(华中科技大学武汉光电国家实验室，湖北 武汉430074)

随着激光加工技术与装备制造业的不断发展，激光切割已经广泛应用于航空航天、汽车制造、钣金加工等重点行业。三维激光切割技术代表着激光加工技术的一个发展前沿方向，也逐渐受到广泛关注，三维激光切割最大的特点就是柔性高，适合三维钣金材料的切割［1］，在实际生产中，三维激光切割能够明显提高产品质量和生产效率，缩短产品开发周期，降低劳动强度，节约原材料。因此，如何能够在传统机械加工机床中便捷地加入激光加工功能，形成高集成化的机械与激光复合加工设备，这在当前加工技术研究中是非常有意义的。

目前三维激光切割技术研究在硬件方面，三维激光加工装备朝高精度、高速度、高柔性、高集成化等方向发展;在软件方面，如何缩短编程和示教时间、建立激光切割工艺数据库等也是必不可少的［2］，同时由于三维五轴激光切割数控系统可选范围小，如何基于数控系统进行面向激光切割工艺API(应用程序函数接口)的二次开发也是控制软件设计中的一个难点［3-4］。

本文将主要介绍在沈阳中捷机床厂的五轴龙门机床GMC3580u 上如何实现三维激光切割功能，主要包括三维激光切割系统硬件集成、激光切割控制软件设计。

1 三维激光切割系统硬件集成

在硬件集成中，我们设计了可拆卸的两坐标激光切割头机械结构，可以在机床中实现激光切割头和机械加工装置的快速更换。光纤激光器产生高功率密度的激光直接通过光纤进入激光切割头，不用对原有的机床结构进行任何改造，具有较高的灵活性。三维激光切割装备围绕五轴机床原有西门子840Dsl 数控系统来进行集成设计，充分利用840Dsl 提供的各种硬件接口来实现激光切割的整体控制功能［5］。

如图1 所示，工控机PC 上的激光切割控制软件通过以太网接口与840Dsl 数控系统进行人机交互，实现激光切割NC 零件程序传递、加工部件控制以及加工状态检测;同时当激光切割控制软件离线编程得到的激光切割工件程序导入NCU 中以后，在数控系统的PCU 中也可选择执行激光切割NC 工件程序，并通过工艺数据库选择、设置所需的切割工艺参数，直接实现整个激光切割加工过程。840Dsl 数控系统与各加工控制部件通过相应硬件接口相连接:通过DRIVE -CLiQ 接口连接高功率驱动系统SINAMIC S120 控制五轴机床(XYZAC)运动，通过S7 -300 PLC 进行I/O 口扩展来实现激光切割头整体控制、激光器初始化控制以及激光切割时冷却气和保护气开关控制，同时利用NCU 中的高速模拟量输出模块控制激光器出光功率的快速调节，利用NCU 中高速I/O 模块控制激光出关光的快速调节，从而实现三维激光切割的工艺参数调节要求。

同时添加加工辅助设备(位移传感器、数字摄像机等)用于校正误差、实时监测加工过程;提高加工精度，开展多轴激光加工系统误差及加工速度影响因素研究，建立综合系统误差模型及评估方法，同时研究设计出实用的加工误差环节诊断技术方案以及实际工件尺寸与三维设计图形存在失真条件下激光加工的误差矫正技术方案。

2 三维激光切割控制软件功能

结合三维激光切割系统集成及项目软件开发需求，控制软件主要有3 大功能模块组成，如图2 所示，分别是离线编程模块、加工控制模块以及工艺数据库模块［6］。

.其中由离线编程模块和加工控制模块组成的激光切割控制软件运行在工控机PC 上，而工艺数据库模块以OEM 的形式嵌入PCU 的HMI 软件中。

在离线编程模块中，首先实现三维工件建模，加工工件CAD 模型的导入，对激光切割路径原始数据的处理;然后根据工件切割路径特点，优化切割路径，选择最优化的加工方法，实现可视化路径编辑;之后模拟仿真激光加工整体流程，来观察检测加工过程中是否存在碰撞等情况;最后生成用于加工的数控代码。

在加工控制模块中，结合840Dsl 数控系统的基于C+ +的二次开发，设计了用于本项目加工系统的激光切割工艺API(接下来将在第三章中详细介绍)。该API 可用于设置激光切割工艺参数(切割速度、激光功率、切割头至工件表面距离等)，并将离线编程模块中生成的NC 工件程序导入数控系统NCU 中，然后执行该NC 工件程序实现整个激光切割过程的控制。同时该API 中也可实现直接单独对激光切割各加工部件控制，其中包括五轴机床运动控制、激光器出光及功率控制以及激光切割头控制。该加工控制模块设计结合较为成熟的基于C + +开发的离线编程技术，有效地缩短了项目软件开发周期，也方便激光切割系统装备整体调试。

在工艺数据库模块中，针对不同的加工材质厚度和加工工艺要求，建立激光加工工艺数据库，采用SQLite 小型数据库作为工艺参数存储数据源，实现工艺数据保存、添加、删除、修改、查询等功能。同时，工艺数据库与加工参数设置相关联，这样利用含R 参数的NC 工件程序，可以实现对同一切割路径，一个NC工件程序可用于不同工艺参数组合的激光切割加工，这为加工装备整体调试以及后期三维激光切割工艺研究提供便捷的操作方式。

3 三维激光切割控制软件设计

控制软件设计架构如图3 所示;该部分主要介绍与数控系统相关的三维激光切割控制模块以及激光切割工艺数据库设计。

3.1 三维激光切割控制模块设计

在本次控制软件设计中，由于西门子840Dsl 数控系统没有提供可直接应用于激光加工工艺的C+ + API接口，因此需要对840Dsl 数控系统进行二次开发，设计适用于本项目选用加工部件的激光切割工艺API。

西门子数控系统提供了多种人机界面二次开发的方法［7］，可由用户根据项目开发需要进行选择。在本次设计中选用了Operator Programming Package 开发方式对840Dsl 数控系统进行二次开发。该开发方式中，840Dsl 数控系统提供了基于C+ +开发的底层通讯接口类［8-9］，可直接访问数控系统底层硬件，其中包含读写NC 系统变量(如R 参数，PLC 内部数据块等)、直接访问NC、PLC 中数字量和模拟量输入输出以及执行NC 加工程序;同时支持数据库访问，便于进行数据交互，用于加工过程中实时的状态监测，该方法完全满足项目激光切割工艺API 的设计需求。

利用Operator Programming Package 提供的底层通讯接口类，设计开发三维激光切割工艺API 接口。该API 接口直接应用于三维激光切割控制软件的加工部件控制模块中，利用S7 -300 PLC 中I/O 来进行激光器、激光切割头、辅助气、冷却气等激光切割控制部件初始化控制，利用NC 系统变量R 参数设置并存储激光切割工艺参数(如激光功率、切割速度、喷嘴与工件表面距离等)，然后启动NC 工件程序，并在加工过程中对激光切割控制部件运行状态进行检测;在切割过程中，NCU 通过执行NC 工件程序来控制五轴机床末端激光切割头运动、激光器开关光及出光功率，PCU与工控平台PC 进行实时的状态监测(如机床实时位置、激光功率、切割头碰撞检测等)，实现整体激光切割加工流程。

以下介绍基于840Dsl 底层通讯接口类开发的激光切割工艺API 接口。先介绍下面用到的几个840Dsl底层通讯接口类:

3.1.1 SlDataSvc 类

数控系统中NC 和PLC 里面的数据访问都是通过SlDataSvc 对象来实现的。控制设计用到的系统变量主要包括R 参数、NCU 中高速模拟量及数字量输出、PLC 数字量输入输出。

3.1.2 SlPiSvc 类

在控制软件与NCU 通讯时，可用PiService 类对象来启动执行NC 工件程序。

3.1.3 SlFileSvc 类

利用SlFileSvc 对象可实现对文件和目录的操作。本次设计中主要利用其选择要执行的工件程序并导入NCU 中。

基于上述840Dsl 二次开发中提供的底层通讯接口类，设计了激光切割工艺API 接口，分别包含以下几个类函数:

(1)840Dsl 数控系统控制函数类CSinumerik840Dsl

该类直接调用底层通讯接口类对象，用于提供840Dsl 数控系统中R 参数、轴位置反馈、NC 高速模拟量及数字量接口、PLC I/O 读写操作，NC 工件程序导入NCU 中以及NC 工件程序启动执行等用于实现三维激光切割加工的基础控制功能。

class CSinumerik840Dsl

{

public:

CSinumerik840Dsl(void);

long WriteR(char* item，double r);//对NC 中R 参数变量item 写入数据r

long ReadR(char* item，double＆ value);//读取R 参数

long WriteToPLC(char* item，int status);

//向PLC I/O 写数据，控制加工设备

long ReadFromPLC(char* item，int＆ value);

//从PLC I/O 读取数据用于监测设备运行情况

long StartNCProgram(char* item1，char* item2，char* item3，char* item4);

//启动PI 服务，用于执行NC 代码

public:

SlPiSvc piSvc ;//定义NC 代码操作类对象piSvc

SlDataSvc writer;// 定义变量读写类对象writer

SlDataSvc reader;// 定义变量读写类对象reader

SlFileSvc fs;//定义NC 代码复制类对象fs

};

(2)激光器控制函数类CIPGLaser

激光器控制类是在840Dsl 数控系统控制函数类CSinumerik840Dsl 的基础上进行设计的，用于实现加工过程中IPG10 kW 激光器的控制。其中利用PLC I/O 实现激光器控制初始化以及激光引导光开关，利用NCU 中高速模拟量输出(0 ～10 V)控制激光输出功率，高速数字量输出用于控制激光出关光。同时在激光切割过程中，对激光器工作状态、实时功率进行监测，并在紧急情况下急停激光器。

class CIPGLaser

{

public:

CIPGLaser(void);

long LaserOn(void);// 激光开

long LaserOff(void);// 激光关

long LaserOnInit(int value);//激光器初始化

long GuideLightOn(void);//指示光开

long GuideLightOff(void);//指示光关

long SetLaserPower(double power);//设置激光功率

public:

CSinumerik840Dsl IPGTo840Dsl;

};

(3)激光切割头控制函数类CPrecitecHead

激光切割头控制函数类也是在840Dsl 数控系统控制函数类CSinumerik840Dsl 的基础上进行设计的。实现加工过程中PRICITEC 激光切割头系统控制。其中利用PLC I/O 实现Z 浮随动调节模式开关，利用NCU 中高速模拟量输出(0 ～10 V)控制切割头喷嘴至工件表面距离。

class CPrecitecHead

{

public:

CPrecitecHead(void);

long ZStandoffAutoOn(void);//开启Z 浮随动调节模式

long ZStandoffAutoOff(void);//关闭Z 浮随动调节模式

long SetZStandoff(double z);//设置Z 浮距离

public:

CSinumerik840Dsl PrecitecTo840Dsl;

};

3.2 激光切割工艺数据库设计

根据项目需求，本次开发的激光切割工艺数据库包含2 mm、4 mm、8 mm 3 个规格的铝合金材料激光切割的切割工艺参数以及切割质量参数，其中切割工艺参数包括激光功率、切割速度、气体压力、气体类型、切割头喷嘴开口直径及喷嘴至工件表面距离等，切割质量参数包括粗糙度、切口宽度、切口垂直度、挂渣量、重熔区和热影响区宽度等)。

软件设计中，基于Qt 开发框架利用VS2008 进行软件编译，利用Qt Designer 进行图形界面设计，编译完成后以OEM 形式嵌入到数控系统PCU 的HMI 操作软件中［9-10］，软件界面如图4 所示，后台数据库采用SQLite3 轻型数据库进行数据存储。该数据库支持跨平台，操作简单，可以使用多种语言直接创建数据库，不需要后台应用软件支持，支持SQL 语句指令实现各种数据库操作功能，并且源码完全开放，可以用于数据库系统的深度开发［11］。

该激光切割工艺数据库具备不同厚度板材加工数据库选择查询、修改、添加以及删除数据等操作功能，同时结合激光切割加工应用，可直接选择数据库中某一组工艺参数进行设置，利用含R 参数的NC 工件程序，实现在同一切割路径时，一个工件程序可用于不同工艺参数组合的激光切割加工，方便NC 工件程序中工艺参数设置，可直接用于下一次激光切割。

4 结语

(1)通过在沈阳中捷的五轴龙门机床测试结果证明，三维激光切割控制软件设计很好的实现了在三维激光切割过程中各加工部件控制，激光功率、切割速度、切割头与工件表面距离等激光切割工艺参数实时可调，满足三维激光切割技术要求。

(2)项目还在继续研究，目前处于设备整体调试阶段，设备装配调试正常，但该复合加工设备尚未加工实体工件，激光切割工艺以及加工精度、误差分析等研究将是下一步工作重点。

(3)该项目研究中选用的数控系统具有一定普遍性，研究内容也可用于现有的机床改造工作中，将原有的机械加工机床改进为机械与激光复合加工设备。

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