三维激光切割机械加工论文
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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。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SINAMICS120控制五轴机床(XYZAC)运动，通过S7－300PLC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，，分别是离线编程模块、加工控制模块以及工艺数据库模块。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;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，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OperatorProgrammingPackage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，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OperatorProgrammingPackage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S7－300PLC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:
3．1．1SlDataSvc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。
3．1．2SlPiSvc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。
3．1．3SlFileSvc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CSinumer-ik840Dsl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、PLCI/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。(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IPG10kW激光器的控制。其中利用PLCI/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(0～10V)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。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PLCI/O实现Z浮随动调节模式开关，利用NCU中高速模拟量输出(0～10V)控制切割头喷嘴至工件表面距离。
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2mm、4mm、8mm3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QtDesigner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，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。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。
作者：孙晓蒋明陈聪高明曾晓雁单位：华中科技大学武汉光电国家实验室
