基于數(shù)字孿生的小型激光雕刻機(jī)的研究

趙俊英，溫國(guó)強(qiáng)，李穎

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)汽車與軌道交通學(xué)院，天津 300350)

0 前言

近年來激光技術(shù)不斷發(fā)展，從工業(yè)領(lǐng)域到人們的衣食住行，激光技術(shù)都發(fā)揮著重要的作用。激光雕刻是發(fā)展智能制造的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因其加工精度高、工作速度快等特點(diǎn)被譽(yù)為“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”。其中小型激光雕刻機(jī)體積小、成本低、便于操作，在廣告、工藝品加工等行業(yè)應(yīng)用廣泛。但是小型激光雕刻機(jī)也面臨著各種挑戰(zhàn)，智能化程度低是現(xiàn)有工業(yè)級(jí)小型激光雕刻機(jī)的不足之一，例如雖能監(jiān)控加工狀態(tài)，但不能很好地監(jiān)控和分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

為推進(jìn)智能制造，目前重點(diǎn)研究的一個(gè)問題是如何把物理世界與信息世界進(jìn)行融合，數(shù)字孿生便是解決這一問題的重要途經(jīng)。數(shù)字孿生技術(shù)是通過構(gòu)建數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體在虛擬空間中的全息映射，從而在虛擬環(huán)境中分析和研究物理實(shí)體的各種特性與狀態(tài)。通過虛-實(shí)信息的映射和鏈接，可在虛擬數(shù)字空間中模擬出物理實(shí)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)和動(dòng)態(tài)特征，能夠更好地開展真實(shí)世界中難以完成的分析研究。該技術(shù)可為工業(yè)生產(chǎn)制造、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、維護(hù)等各個(gè)階段提供信息數(shù)據(jù)支撐和指導(dǎo)。

本文作者基于數(shù)字孿生理念設(shè)計(jì)了虛實(shí)同步的小型激光雕刻機(jī)，目的是在實(shí)現(xiàn)虛實(shí)同步的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)，從而推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在激光雕刻領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

1 激光雕刻系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

依據(jù)數(shù)字孿生五維模型理論，構(gòu)建了虛實(shí)同步的激光雕刻系統(tǒng)，包括物理對(duì)象、虛擬模型、連接、數(shù)據(jù)和服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，由設(shè)備層、平臺(tái)層、應(yīng)用層構(gòu)成，主要功能分別為實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體運(yùn)動(dòng)控制、構(gòu)建模型數(shù)據(jù)庫、虛擬模型聯(lián)動(dòng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

1.2 機(jī)械系統(tǒng)

激光雕刻機(jī)整機(jī)實(shí)物如圖1中設(shè)備層所示，其機(jī)械系統(tǒng)主要由軸導(dǎo)軌、軸導(dǎo)軌、激光發(fā)生器、雕刻工作臺(tái)、人機(jī)界面、按鈕指示燈模塊、固定支架以及基座等組成。固定支架是一鋁合金立方體，軸導(dǎo)軌安裝于固定支架上，軸導(dǎo)軌連接到軸導(dǎo)軌滑塊上，故軸可沿軸直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；激光發(fā)生器連接到軸滑塊，故可沿軸直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

激光雕刻工作臺(tái)固定于基座上，包括加工臺(tái)支架和加工平臺(tái)兩部分。加工平臺(tái)可繞中心軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，待加工工件放置于平臺(tái)上。整個(gè)雕刻機(jī)的控制部分位于基座下方的控制柜中。

相較于目前激光雕刻機(jī)普遍采用的步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)、控制精度更高。因此、軸及旋轉(zhuǎn)臺(tái)均選用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制三電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)激光發(fā)生器在二維空間內(nèi)與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在激光發(fā)生器運(yùn)動(dòng)的過程中，控制激光束的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即可在工件上雕刻出連續(xù)或間斷的圖案痕跡。

1.3 控制系統(tǒng)

激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的主要作用為進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、雕刻運(yùn)動(dòng)控制和過程控制、實(shí)現(xiàn)虛實(shí)聯(lián)動(dòng)等。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采取上位機(jī)和下位機(jī)的控制模式。上位機(jī)為計(jì)算機(jī)，用于完成雕刻圖案處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù);下位機(jī)為三菱FX5U PLC，用于完成雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制以及加工過程控制等對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高且與硬件設(shè)備相關(guān)聯(lián)的控制?？刂破髋c虛擬模型之間采用OPC UA通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬模型的虛實(shí)通信。

激光的開關(guān)與強(qiáng)度控制是通過PWM模塊和PLC信號(hào)共同實(shí)現(xiàn)的。利用PWM控制模塊的一個(gè)引腳作為信號(hào)控制引腳，用于打開、關(guān)閉激光；通過調(diào)整PWM模塊占空比du的數(shù)值，來控制功率，從而控制激光的強(qiáng)度。

其他控制包括回零控制、狀態(tài)指示、極限位控制等，其中工作平臺(tái)之間的回零主要用于激光雕刻機(jī)的定位控制，如加工前后激光發(fā)生器及工件的自動(dòng)校正。

人機(jī)交互界面采用 MCGS 觸摸屏，可實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的參數(shù)設(shè)置、點(diǎn)動(dòng)控制、自動(dòng)控制等功能，同時(shí)可顯示雕刻機(jī)工作狀態(tài)、工作進(jìn)度等。

2 虛擬模型的構(gòu)建與虛實(shí)聯(lián)動(dòng)

2.1 虛擬模型的構(gòu)建

基于數(shù)字孿生理念，在SFB-Factory系統(tǒng)中構(gòu)建了激光雕刻機(jī)物理實(shí)體的數(shù)字映像，如圖3所示。首先通過SolidWorks軟件創(chuàng)建激光雕刻系統(tǒng)的CAD模型，并將其導(dǎo)入SFB-Factory軟件中；然后在SFB-Factory中設(shè)置仿真環(huán)境參數(shù)、模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及虛實(shí)數(shù)據(jù)映射關(guān)系等。通過OPC UA通信協(xié)議使虛擬模型與FX5U PLC進(jìn)行通信，以此實(shí)現(xiàn)虛實(shí)數(shù)據(jù)互傳、狀態(tài)同步和運(yùn)行結(jié)果可視化等功能，為物理實(shí)體的狀態(tài)監(jiān)控和運(yùn)動(dòng)控制等擴(kuò)展了新的能力。

圖3 整機(jī)虛擬模型

2.2 數(shù)據(jù)的采集與交互

實(shí)現(xiàn)激光雕刻機(jī)的虛實(shí)聯(lián)動(dòng)，需要以數(shù)字孿生體與物理實(shí)體之間高質(zhì)量的數(shù)據(jù)交互作為基礎(chǔ)。經(jīng)分析，實(shí)體雕刻機(jī)系統(tǒng)需要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集和傳遞，虛擬雕刻機(jī)需要對(duì)物理實(shí)體的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取和監(jiān)控。這就需要建立雙向性的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息的交互，因此建立了如圖4所示的數(shù)據(jù)傳輸方案。數(shù)據(jù)系統(tǒng)以PLC為核心，同時(shí)與伺服驅(qū)動(dòng)器、傳感器等周邊設(shè)備、觸摸屏以及虛擬激光雕刻機(jī)4部分進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。下面以軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)30°為例，進(jìn)行說明。首先PLC根據(jù)要求發(fā)出電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)30°的控制命令，伺服驅(qū)動(dòng)器、虛擬激光雕刻機(jī)和觸摸屏將同時(shí)收到此信息。伺服驅(qū)動(dòng)器將控制電機(jī)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)30°，虛擬模型中的虛擬電機(jī)將依據(jù)運(yùn)動(dòng)算法同步轉(zhuǎn)動(dòng)30°，觸摸屏中軸位置這一參數(shù)也將實(shí)時(shí)更新顯示。若在這一過程中，虛擬雕刻機(jī)中狀態(tài)分析結(jié)果提示異常，如當(dāng)前運(yùn)動(dòng)將超越極限位、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不良或重復(fù)操作等情況，PLC將實(shí)時(shí)獲取這一狀態(tài)信息，并將相應(yīng)控制指令發(fā)送給實(shí)體伺服驅(qū)動(dòng)器、周邊設(shè)備和觸摸屏，進(jìn)行異常處理。

圖4 數(shù)據(jù)的采集與交互

在此方案下，一方面物理實(shí)體雕刻機(jī)的激光束開關(guān)、伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)、平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)態(tài)，以可視化的形式反映在虛擬模型上，可對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；另一方面，在虛擬空間中對(duì)得到的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等進(jìn)行分析，可以反向影響、控制物理實(shí)體，對(duì)其進(jìn)行糾偏、校正。

2.3 圖像數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換

在進(jìn)行雕刻之前，需要進(jìn)行圖像中位置數(shù)據(jù)的提取與處理。特定情況下，為使數(shù)字映射與實(shí)體運(yùn)動(dòng)匹配，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，將軟件虛擬空間中世界坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為虛擬雕刻機(jī)坐標(biāo)系下。

文中設(shè)定，虛擬空間中虛擬世界坐標(biāo)系為系()，虛擬雕刻機(jī)坐標(biāo)系為系()，如圖5所示。

圖5 虛擬空間中的坐標(biāo)系

假設(shè)世界坐標(biāo)系中有一點(diǎn)=[，，]，將它變換到雕刻機(jī)坐標(biāo)系中的點(diǎn)′ =[′，′，′]。向′變換的齊次變換矩陣為

(1)

其中：(,,)表示旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換算子，、、分別為繞著軸、軸、軸旋轉(zhuǎn)的角度;(Δ,Δ,Δ)表示平移坐標(biāo)變換算子，Δ、Δ、Δ分別表示沿著軸、軸、軸移動(dòng)的距離。

將旋轉(zhuǎn)算子展開，有

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

(2)

(3)

圖6所示為某一待雕刻的圖案，以其中某點(diǎn)為例，進(jìn)行推導(dǎo)。(64,49,0)為世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，′(′,′,′)為雕刻機(jī)坐標(biāo)系下坐標(biāo)，測(cè)量得、、分別為0°、0°、30°，代入式(2)可得

圖6 雕刻圖案示例

(4)

Δ、Δ、Δ分別為20、35、0，代入式(3)

可得

(5)

將式(4)和式(5)代入式(1)，可得

可得到點(diǎn)′坐標(biāo)為(50.924,109.434,0)。

2.4 虛實(shí)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行過程

將圖1所示系統(tǒng)應(yīng)用于雕刻圖6所示圖案。

在開始雕刻之前，利用專用軟件對(duì)圖案進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為用于雕刻的數(shù)據(jù)。一方面，用二值圖中的像素值0或 1作為激光器的控制信號(hào)，控制激光的開閉；另一方面，通過像素位置規(guī)劃伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而控制激光發(fā)生器的運(yùn)動(dòng)軌跡。

首先對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理然后進(jìn)行擬合，生成光滑的雕刻曲線。通過對(duì)比多項(xiàng)式擬合、樣條擬合等幾種擬合方法，發(fā)現(xiàn)樣條擬合方法效果最好。圖7所示為圖案中牛尾的擬合仿真效果。

圖7 牛尾仿真軌跡

觀察圖6可知，待加工的圖案不是簡(jiǎn)單的直線或圓弧等規(guī)則曲線，而是輪廓比較復(fù)雜的多次非線性曲線，這時(shí)激光頭很難完全通過圖案的每一個(gè)點(diǎn)。文中將圖形看作無數(shù)點(diǎn)的密集分布，通過給定某些點(diǎn)的尺寸數(shù)據(jù)，結(jié)合插補(bǔ)算法，使得實(shí)際運(yùn)行軌跡無限接近目標(biāo)圖案。對(duì)于圓弧曲線和復(fù)雜曲線，把它近似認(rèn)為是無數(shù)的直線切割而成，將此段曲線分解成若干小線段來處理。另外某些簡(jiǎn)單圓弧也可借助伺服電機(jī)的圓弧插補(bǔ)指令完成軌跡運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，虛實(shí)聯(lián)動(dòng)工作流程如圖8所示。通電開啟后，首先使整個(gè)系統(tǒng)初始化，接著控制器讀取當(dāng)前待雕刻對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，完成后點(diǎn)擊“開始雕刻”按鈕，物理實(shí)體和虛擬模型實(shí)時(shí)同步工作。按如圖4所示數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)啟動(dòng)后，控制器將控制信息同步傳送給雕刻機(jī)物理實(shí)體和虛擬模型，并實(shí)時(shí)接收物理實(shí)體和虛擬模型的反饋信息。實(shí)體雕刻機(jī)激光束開關(guān)、伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度、位置等狀態(tài)，經(jīng)由控制器實(shí)時(shí)傳遞給虛擬模型，在虛擬模型界面和觸摸屏以可視化的形式呈現(xiàn)，對(duì)物理實(shí)體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；另一方面，虛擬模型中狀態(tài)分析的信息，經(jīng)由控制器反向影響物理實(shí)體，對(duì)其進(jìn)行糾正。

圖8 虛實(shí)聯(lián)動(dòng)雕刻工作流程

3 激光雕刻實(shí)驗(yàn)

3.1 虛實(shí)同步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的虛實(shí)同步小型激光雕刻機(jī)的性能，以圖6所示圖案為雕刻對(duì)象，在200 mm×200 mm的木板上開展了雕刻實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到虛實(shí)運(yùn)動(dòng)同步性較好，實(shí)體和虛擬激光雕刻機(jī)同步完成雕刻，如圖9所示。

圖9 激光雕刻完成圖

除了運(yùn)動(dòng)同步，還必須考慮虛擬模型與實(shí)體雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置精度，因此進(jìn)行了位置精度實(shí)驗(yàn)。在4組脈沖指令下，分別采集虛擬模型與實(shí)體雕刻機(jī)的位置信息，并計(jì)算兩者的誤差絕對(duì)值(用表示)，分析其位置精度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 虛實(shí)同步位置精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位:mm

根據(jù)表1所示的結(jié)果，虛實(shí)激光雕刻機(jī)同步運(yùn)動(dòng)位置誤差在0～0.652 4 mm之間，平均誤差為0.374 3 mm。產(chǎn)生誤差的原因包括實(shí)體雕刻機(jī)自身存在運(yùn)動(dòng)誤差、機(jī)械安裝誤差以及虛擬模型建模、裝配精度等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)在一定精度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)運(yùn)動(dòng)位置的重合，且位置誤差在允許范圍內(nèi)。

3.2 激光雕刻遠(yuǎn)程監(jiān)控

可通過人機(jī)界面和虛擬軟件對(duì)激光雕刻機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過觸摸屏界面可進(jìn)行虛、實(shí)雕刻機(jī)的手動(dòng)調(diào)試和自動(dòng)運(yùn)行控制，同時(shí)可顯示激光頭當(dāng)前位置、速度等信息。圖10所示為計(jì)算機(jī)中虛擬軟件監(jiān)控界面，虛擬雕刻機(jī)讀取數(shù)據(jù)庫信息，基于運(yùn)動(dòng)算法驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使虛、實(shí)雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)保持一致。在軟件監(jiān)控界面，既可以監(jiān)控圖案打印的進(jìn)度，又可以監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，如重復(fù)打印、運(yùn)行時(shí)間、故障分析等。

圖10 激光雕刻遠(yuǎn)程監(jiān)控

3.3 du值對(duì)激光雕刻質(zhì)量的影響

文中激光雕刻機(jī)的激光強(qiáng)度控制是通過調(diào)整PWM模塊du的數(shù)值實(shí)現(xiàn)的。固定激光頭與木板的距離，不同du值下在木板上進(jìn)行雕刻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同占空比下的雕刻效果

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)du值過小時(shí)，刻痕淺甚至無刻痕；當(dāng)du值過大時(shí)，木板刻痕焦黑，甚至雕刻點(diǎn)周圍出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象。在該距離下du值為70時(shí)雕刻效果最好。另外在同一du值下，隨著電機(jī)運(yùn)行速度減小，激光雕刻質(zhì)量得到提升，但是當(dāng)速度過小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)刻痕發(fā)黑甚至木板燒焦的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有工業(yè)級(jí)小型激光雕刻機(jī)智能化程度低、不能很好地監(jiān)控和分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的問題，基于數(shù)字孿生理念，設(shè)計(jì)了虛實(shí)同步的小型激光雕刻機(jī)。利用該系統(tǒng)進(jìn)行了激光雕刻測(cè)試，主要結(jié)論如下：

(1)該激光雕刻機(jī)滿足工作要求，能夠?qū)崿F(xiàn)虛實(shí)聯(lián)動(dòng)。虛實(shí)同步性較好，且虛實(shí)同步運(yùn)動(dòng)位置誤差在允許范圍內(nèi)，即在一定精度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)運(yùn)動(dòng)位置的重合，對(duì)推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

(2)虛實(shí)同步激光雕刻系統(tǒng)能通過觸摸屏和虛擬軟件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)，包括加工狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了更全面的檢測(cè)與監(jiān)控，對(duì)推進(jìn)小型激光雕刻機(jī)的智能化有一定的實(shí)際價(jià)值。

(3)文中激光雕刻機(jī)的激光強(qiáng)度控制是通過調(diào)整PWM模塊占空比du值實(shí)現(xiàn)的。du值對(duì)雕刻質(zhì)量影響很大，du值過小則刻痕淺甚至無刻痕，du值過大則木板刻痕焦黑，甚至雕刻點(diǎn)及周圍燒焦。在同一du值下，隨著速度降低，雕刻質(zhì)量提升，而速度過慢則會(huì)出現(xiàn)刻痕焦黑。

下一步研究將進(jìn)一步融合數(shù)字孿生技術(shù)，致力于減小虛實(shí)同步運(yùn)動(dòng)位置誤差，同時(shí)加大對(duì)虛擬模型數(shù)據(jù)的分析和利用，增加人機(jī)對(duì)抗等異常情況的檢測(cè)和預(yù)警。