三維激光切割在機(jī)械加工機(jī)床中的集成研究＊

孫 曉 蔣 明 陳 聰 高 明 曾曉雁

(華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074)

隨著激光加工技術(shù)與裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，激光切割已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、鈑金加工等重點(diǎn)行業(yè)。三維激光切割技術(shù)代表著激光加工技術(shù)的一個(gè)發(fā)展前沿方向，也逐漸受到廣泛關(guān)注，三維激光切割最大的特點(diǎn)就是柔性高，適合三維鈑金材料的切割［1］，在實(shí)際生產(chǎn)中，三維激光切割能夠明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約原材料。因此，如何能夠在傳統(tǒng)機(jī)械加工機(jī)床中便捷地加入激光加工功能，形成高集成化的機(jī)械與激光復(fù)合加工設(shè)備，這在當(dāng)前加工技術(shù)研究中是非常有意義的。

目前三維激光切割技術(shù)研究在硬件方面，三維激光加工裝備朝高精度、高速度、高柔性、高集成化等方向發(fā)展;在軟件方面，如何縮短編程和示教時(shí)間、建立激光切割工藝數(shù)據(jù)庫等也是必不可少的［2］，同時(shí)由于三維五軸激光切割數(shù)控系統(tǒng)可選范圍小，如何基于數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行面向激光切割工藝API(應(yīng)用程序函數(shù)接口)的二次開發(fā)也是控制軟件設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)［3-4］。

本文將主要介紹在沈陽中捷機(jī)床廠的五軸龍門機(jī)床GMC3580u 上如何實(shí)現(xiàn)三維激光切割功能，主要包括三維激光切割系統(tǒng)硬件集成、激光切割控制軟件設(shè)計(jì)。

1 三維激光切割系統(tǒng)硬件集成

在硬件集成中，我們?cè)O(shè)計(jì)了可拆卸的兩坐標(biāo)激光切割頭機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以在機(jī)床中實(shí)現(xiàn)激光切割頭和機(jī)械加工裝置的快速更換。光纖激光器產(chǎn)生高功率密度的激光直接通過光纖進(jìn)入激光切割頭，不用對(duì)原有的機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改造，具有較高的靈活性。三維激光切割裝備圍繞五軸機(jī)床原有西門子840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)來進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，充分利用840Dsl 提供的各種硬件接口來實(shí)現(xiàn)激光切割的整體控制功能［5］。

如圖1 所示，工控機(jī)PC 上的激光切割控制軟件通過以太網(wǎng)接口與840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)激光切割NC 零件程序傳遞、加工部件控制以及加工狀態(tài)檢測(cè);同時(shí)當(dāng)激光切割控制軟件離線編程得到的激光切割工件程序?qū)隢CU 中以后，在數(shù)控系統(tǒng)的PCU 中也可選擇執(zhí)行激光切割NC 工件程序，并通過工藝數(shù)據(jù)庫選擇、設(shè)置所需的切割工藝參數(shù)，直接實(shí)現(xiàn)整個(gè)激光切割加工過程。840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)與各加工控制部件通過相應(yīng)硬件接口相連接:通過DRIVE -CLiQ 接口連接高功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SINAMIC S120 控制五軸機(jī)床(XYZAC)運(yùn)動(dòng)，通過S7 -300 PLC 進(jìn)行I/O 口擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)激光切割頭整體控制、激光器初始化控制以及激光切割時(shí)冷卻氣和保護(hù)氣開關(guān)控制，同時(shí)利用NCU 中的高速模擬量輸出模塊控制激光器出光功率的快速調(diào)節(jié)，利用NCU 中高速I/O 模塊控制激光出關(guān)光的快速調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)三維激光切割的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)要求。

同時(shí)添加加工輔助設(shè)備(位移傳感器、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等)用于校正誤差、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工過程;提高加工精度，開展多軸激光加工系統(tǒng)誤差及加工速度影響因素研究，建立綜合系統(tǒng)誤差模型及評(píng)估方法，同時(shí)研究設(shè)計(jì)出實(shí)用的加工誤差環(huán)節(jié)診斷技術(shù)方案以及實(shí)際工件尺寸與三維設(shè)計(jì)圖形存在失真條件下激光加工的誤差矯正技術(shù)方案。

2 三維激光切割控制軟件功能

結(jié)合三維激光切割系統(tǒng)集成及項(xiàng)目軟件開發(fā)需求，控制軟件主要有3 大功能模塊組成，如圖2 所示，分別是離線編程模塊、加工控制模塊以及工藝數(shù)據(jù)庫模塊［6］。

.其中由離線編程模塊和加工控制模塊組成的激光切割控制軟件運(yùn)行在工控機(jī)PC 上，而工藝數(shù)據(jù)庫模塊以O(shè)EM 的形式嵌入PCU 的HMI 軟件中。

在離線編程模塊中，首先實(shí)現(xiàn)三維工件建模，加工工件CAD 模型的導(dǎo)入，對(duì)激光切割路徑原始數(shù)據(jù)的處理;然后根據(jù)工件切割路徑特點(diǎn)，優(yōu)化切割路徑，選擇最優(yōu)化的加工方法，實(shí)現(xiàn)可視化路徑編輯;之后模擬仿真激光加工整體流程，來觀察檢測(cè)加工過程中是否存在碰撞等情況;最后生成用于加工的數(shù)控代碼。

在加工控制模塊中，結(jié)合840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)的基于C+ +的二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了用于本項(xiàng)目加工系統(tǒng)的激光切割工藝API(接下來將在第三章中詳細(xì)介紹)。該API 可用于設(shè)置激光切割工藝參數(shù)(切割速度、激光功率、切割頭至工件表面距離等)，并將離線編程模塊中生成的NC 工件程序?qū)霐?shù)控系統(tǒng)NCU 中，然后執(zhí)行該NC 工件程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)激光切割過程的控制。同時(shí)該API 中也可實(shí)現(xiàn)直接單獨(dú)對(duì)激光切割各加工部件控制，其中包括五軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制、激光器出光及功率控制以及激光切割頭控制。該加工控制模塊設(shè)計(jì)結(jié)合較為成熟的基于C + +開發(fā)的離線編程技術(shù)，有效地縮短了項(xiàng)目軟件開發(fā)周期，也方便激光切割系統(tǒng)裝備整體調(diào)試。

在工藝數(shù)據(jù)庫模塊中，針對(duì)不同的加工材質(zhì)厚度和加工工藝要求，建立激光加工工藝數(shù)據(jù)庫，采用SQLite 小型數(shù)據(jù)庫作為工藝參數(shù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)保存、添加、刪除、修改、查詢等功能。同時(shí)，工藝數(shù)據(jù)庫與加工參數(shù)設(shè)置相關(guān)聯(lián)，這樣利用含R 參數(shù)的NC 工件程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一切割路徑，一個(gè)NC工件程序可用于不同工藝參數(shù)組合的激光切割加工，這為加工裝備整體調(diào)試以及后期三維激光切割工藝研究提供便捷的操作方式。

3 三維激光切割控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3 所示;該部分主要介紹與數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)的三維激光切割控制模塊以及激光切割工藝數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。

3.1 三維激光切割控制模塊設(shè)計(jì)

在本次控制軟件設(shè)計(jì)中，由于西門子840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)沒有提供可直接應(yīng)用于激光加工工藝的C+ + API接口，因此需要對(duì)840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)適用于本項(xiàng)目選用加工部件的激光切割工藝API。

西門子數(shù)控系統(tǒng)提供了多種人機(jī)界面二次開發(fā)的方法［7］，可由用戶根據(jù)項(xiàng)目開發(fā)需要進(jìn)行選擇。在本次設(shè)計(jì)中選用了Operator Programming Package 開發(fā)方式對(duì)840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)。該開發(fā)方式中，840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)提供了基于C+ +開發(fā)的底層通訊接口類［8-9］，可直接訪問數(shù)控系統(tǒng)底層硬件，其中包含讀寫NC 系統(tǒng)變量(如R 參數(shù)，PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)塊等)、直接訪問NC、PLC 中數(shù)字量和模擬量輸入輸出以及執(zhí)行NC 加工程序;同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫訪問，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，用于加工過程中實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，該方法完全滿足項(xiàng)目激光切割工藝API 的設(shè)計(jì)需求。

利用Operator Programming Package 提供的底層通訊接口類，設(shè)計(jì)開發(fā)三維激光切割工藝API 接口。該API 接口直接應(yīng)用于三維激光切割控制軟件的加工部件控制模塊中，利用S7 -300 PLC 中I/O 來進(jìn)行激光器、激光切割頭、輔助氣、冷卻氣等激光切割控制部件初始化控制，利用NC 系統(tǒng)變量R 參數(shù)設(shè)置并存儲(chǔ)激光切割工藝參數(shù)(如激光功率、切割速度、噴嘴與工件表面距離等)，然后啟動(dòng)NC 工件程序，并在加工過程中對(duì)激光切割控制部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè);在切割過程中，NCU 通過執(zhí)行NC 工件程序來控制五軸機(jī)床末端激光切割頭運(yùn)動(dòng)、激光器開關(guān)光及出光功率，PCU與工控平臺(tái)PC 進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)(如機(jī)床實(shí)時(shí)位置、激光功率、切割頭碰撞檢測(cè)等)，實(shí)現(xiàn)整體激光切割加工流程。

以下介紹基于840Dsl 底層通訊接口類開發(fā)的激光切割工藝API 接口。先介紹下面用到的幾個(gè)840Dsl底層通訊接口類:

3.1.1 SlDataSvc 類

數(shù)控系統(tǒng)中NC 和PLC 里面的數(shù)據(jù)訪問都是通過SlDataSvc 對(duì)象來實(shí)現(xiàn)的?？刂圃O(shè)計(jì)用到的系統(tǒng)變量主要包括R 參數(shù)、NCU 中高速模擬量及數(shù)字量輸出、PLC 數(shù)字量輸入輸出。

3.1.2 SlPiSvc 類

在控制軟件與NCU 通訊時(shí)，可用PiService 類對(duì)象來啟動(dòng)執(zhí)行NC 工件程序。

3.1.3 SlFileSvc 類

利用SlFileSvc 對(duì)象可實(shí)現(xiàn)對(duì)文件和目錄的操作。本次設(shè)計(jì)中主要利用其選擇要執(zhí)行的工件程序并導(dǎo)入NCU 中。

基于上述840Dsl 二次開發(fā)中提供的底層通訊接口類，設(shè)計(jì)了激光切割工藝API 接口，分別包含以下幾個(gè)類函數(shù):

(1)840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)類CSinumerik840Dsl

該類直接調(diào)用底層通訊接口類對(duì)象，用于提供840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)中R 參數(shù)、軸位置反饋、NC 高速模擬量及數(shù)字量接口、PLC I/O 讀寫操作，NC 工件程序?qū)隢CU 中以及NC 工件程序啟動(dòng)執(zhí)行等用于實(shí)現(xiàn)三維激光切割加工的基礎(chǔ)控制功能。

class CSinumerik840Dsl

{

public:

CSinumerik840Dsl(void);

long WriteR(char* item，double r);//對(duì)NC 中R 參數(shù)變量item 寫入數(shù)據(jù)r

long ReadR(char* item，double＆ value);//讀取R 參數(shù)

long WriteToPLC(char* item，int status);

//向PLC I/O 寫數(shù)據(jù)，控制加工設(shè)備

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

//從PLC I/O 讀取數(shù)據(jù)用于監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況

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

//啟動(dòng)PI 服務(wù)，用于執(zhí)行NC 代碼

public:

SlPiSvc piSvc ;//定義NC 代碼操作類對(duì)象piSvc

SlDataSvc writer;// 定義變量讀寫類對(duì)象writer

SlDataSvc reader;// 定義變量讀寫類對(duì)象reader

SlFileSvc fs;//定義NC 代碼復(fù)制類對(duì)象fs

};

(2)激光器控制函數(shù)類CIPGLaser

激光器控制類是在840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)類CSinumerik840Dsl 的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，用于實(shí)現(xiàn)加工過程中IPG10 kW 激光器的控制。其中利用PLC I/O 實(shí)現(xiàn)激光器控制初始化以及激光引導(dǎo)光開關(guān)，利用NCU 中高速模擬量輸出(0 ～10 V)控制激光輸出功率，高速數(shù)字量輸出用于控制激光出關(guān)光。同時(shí)在激光切割過程中，對(duì)激光器工作狀態(tài)、實(shí)時(shí)功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在緊急情況下急停激光器。

class CIPGLaser

{

public:

CIPGLaser(void);

long LaserOn(void);// 激光開

long LaserOff(void);// 激光關(guān)

long LaserOnInit(int value);//激光器初始化

long GuideLightOn(void);//指示光開

long GuideLightOff(void);//指示光關(guān)

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

public:

CSinumerik840Dsl IPGTo840Dsl;

};

(3)激光切割頭控制函數(shù)類CPrecitecHead

激光切割頭控制函數(shù)類也是在840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)控制函數(shù)類CSinumerik840Dsl 的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。實(shí)現(xiàn)加工過程中PRICITEC 激光切割頭系統(tǒng)控制。其中利用PLC I/O 實(shí)現(xiàn)Z 浮隨動(dòng)調(diào)節(jié)模式開關(guān)，利用NCU 中高速模擬量輸出(0 ～10 V)控制切割頭噴嘴至工件表面距離。

class CPrecitecHead

{

public:

CPrecitecHead(void);

long ZStandoffAutoOn(void);//開啟Z 浮隨動(dòng)調(diào)節(jié)模式

long ZStandoffAutoOff(void);//關(guān)閉Z 浮隨動(dòng)調(diào)節(jié)模式

long SetZStandoff(double z);//設(shè)置Z 浮距離

public:

CSinumerik840Dsl PrecitecTo840Dsl;

};

3.2 激光切割工藝數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目需求，本次開發(fā)的激光切割工藝數(shù)據(jù)庫包含2 mm、4 mm、8 mm 3 個(gè)規(guī)格的鋁合金材料激光切割的切割工藝參數(shù)以及切割質(zhì)量參數(shù)，其中切割工藝參數(shù)包括激光功率、切割速度、氣體壓力、氣體類型、切割頭噴嘴開口直徑及噴嘴至工件表面距離等，切割質(zhì)量參數(shù)包括粗糙度、切口寬度、切口垂直度、掛渣量、重熔區(qū)和熱影響區(qū)寬度等)。

軟件設(shè)計(jì)中，基于Qt 開發(fā)框架利用VS2008 進(jìn)行軟件編譯，利用Qt Designer 進(jìn)行圖形界面設(shè)計(jì)，編譯完成后以O(shè)EM 形式嵌入到數(shù)控系統(tǒng)PCU 的HMI 操作軟件中［9-10］，軟件界面如圖4 所示，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用SQLite3 輕型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該數(shù)據(jù)庫支持跨平臺(tái)，操作簡(jiǎn)單，可以使用多種語言直接創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，不需要后臺(tái)應(yīng)用軟件支持，支持SQL 語句指令實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)庫操作功能，并且源碼完全開放，可以用于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的深度開發(fā)［11］。

該激光切割工藝數(shù)據(jù)庫具備不同厚度板材加工數(shù)據(jù)庫選擇查詢、修改、添加以及刪除數(shù)據(jù)等操作功能，同時(shí)結(jié)合激光切割加工應(yīng)用，可直接選擇數(shù)據(jù)庫中某一組工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，利用含R 參數(shù)的NC 工件程序，實(shí)現(xiàn)在同一切割路徑時(shí)，一個(gè)工件程序可用于不同工藝參數(shù)組合的激光切割加工，方便NC 工件程序中工藝參數(shù)設(shè)置，可直接用于下一次激光切割。

4 結(jié)語

(1)通過在沈陽中捷的五軸龍門機(jī)床測(cè)試結(jié)果證明，三維激光切割控制軟件設(shè)計(jì)很好的實(shí)現(xiàn)了在三維激光切割過程中各加工部件控制，激光功率、切割速度、切割頭與工件表面距離等激光切割工藝參數(shù)實(shí)時(shí)可調(diào)，滿足三維激光切割技術(shù)要求。

(2)項(xiàng)目還在繼續(xù)研究，目前處于設(shè)備整體調(diào)試階段，設(shè)備裝配調(diào)試正常，但該復(fù)合加工設(shè)備尚未加工實(shí)體工件，激光切割工藝以及加工精度、誤差分析等研究將是下一步工作重點(diǎn)。

(3)該項(xiàng)目研究中選用的數(shù)控系統(tǒng)具有一定普遍性，研究?jī)?nèi)容也可用于現(xiàn)有的機(jī)床改造工作中，將原有的機(jī)械加工機(jī)床改進(jìn)為機(jī)械與激光復(fù)合加工設(shè)備。

［1］陳根余，曹茂林，黃豐杰. 三維激光切割的應(yīng)用和研究［J］. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2007，44(3):38 -42.

［2］黃開金，謝長(zhǎng)生. 三維激光切割的發(fā)展現(xiàn)狀［J］. 激光技術(shù)，1998，22(6):352 -356.

［3］葉建斌，戴春祥. 激光切割技術(shù)［M］. 上海:上?？茖W(xué)科技出版社，2012:94 -95.

［4］羅敬文. 三維數(shù)控激光切割機(jī)［J］. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2009(9):29 -31.

［5］徐光. SINUMERIK 840D sl 完美勝任各種應(yīng)用需求［J］. 航空制造技術(shù)，2010 (19):56 -58.

［6］蔣明. 激光飛行標(biāo)刻系統(tǒng)及激光加工機(jī)器人控制與仿真研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［7］邴旭，化春雷，李焱，等. 西門子數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面二次開發(fā)方法研究［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2011(10):163 -167.

［8］SIEMENS. SINUMERIK 840Dsl SINUMERIK Operate CPP API Interface［Z］.2012.

［9］SIEMENS. SINUMERIK 840Dsl SINUMERIK Operate Programming Package［Z］.2012.

［10］王照亮，于會(huì)龍，邢雨. 基于840D sl OEM 開發(fā)組件的數(shù)控系統(tǒng)電氣調(diào)試方法［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2012 (5):161 -165.

［11］潘學(xué)文，文漢云. 基于Qt4 的SQLite 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用編程［J］. 電腦編程技巧與維護(hù)，2011 (4):49 -50.