1 前言
激光切割利用聚焦后的高能量密度的激光作用于加工對(duì)象，激光和物體分子相互作用而使加工區(qū)的物體熔化。隨著光速的移動(dòng)，就在物體中產(chǎn)生切縫，從而達(dá)到切割的目的。由于激光焦點(diǎn)和加工對(duì)象的相對(duì)位置決定了作用于加工對(duì)象上激光光斑和功率密度的大小，因此，激光焦點(diǎn)和加工對(duì)象的相對(duì)位置就對(duì)加工質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。怎樣在激光切割加工過(guò)程中保持激光焦點(diǎn)和加工對(duì)象之間的相對(duì)位置為一合理而恒定的值，就成為激光切割加工中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
研究激光切割焦點(diǎn)位置自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以分兩個(gè)方面來(lái)考慮：
(1)怎樣穩(wěn)定、可靠而又方便地檢測(cè)出激光焦點(diǎn)和加工對(duì)象之間的相對(duì)位置
激光加工屬于非接觸加工，無(wú)法直接檢測(cè)焦點(diǎn)位置，而焦點(diǎn)位置由聚焦鏡和加工對(duì)象表面的距離決定。因此，常用的辦法是檢測(cè)聚焦鏡和加工對(duì)象表面的距離，從而間接檢測(cè)激光焦點(diǎn)和加工對(duì)象表面的相對(duì)位置。
常用的檢測(cè)方法分接觸式和非接觸式兩種：
接觸式傳感器采用一機(jī)械傳動(dòng)裝置和一些直線位移傳感器(常用的為電感式傳感器)組成，將聚焦鏡和加工對(duì)象表面的相對(duì)位移轉(zhuǎn)換成電壓量供控制系統(tǒng)使用。
非接觸式傳感器是在光頭上裝一個(gè)電容和電感渦流式傳感器，利用光頭上傳感器的電容或電感的變化來(lái)檢測(cè)聚焦鏡和加工對(duì)象表面的相對(duì)距離。
這兩種檢測(cè)方法是為了不同的使用場(chǎng)合而定的，電容式非接觸式傳感器主要是用于三維激光金屬加工場(chǎng)合，因?yàn)檫@種場(chǎng)合不便于使用接觸式傳感器。其他場(chǎng)合則使用接觸式傳感器比較合適。
但這兩種傳感器都是采用模擬信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理的，而在激光切割過(guò)程中會(huì)在加工區(qū)產(chǎn)生電離作用，形成電磁干擾，對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響；同時(shí)，電感型LVDT傳感器的響應(yīng)頻率低，影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，這些都是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。
(2)在檢測(cè)出激光焦點(diǎn)和加工對(duì)象的位置變化以后，怎樣快速地補(bǔ)償?shù)羝罴次恢秒S動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題通常的分離式焦點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)是利用單片機(jī)的最小系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的。由于單片機(jī)性能比較簡(jiǎn)單，難以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制策略，而普通步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性比較差，很難滿足激光焦點(diǎn)跟蹤的快速要求。
為了克服上述缺點(diǎn)，本文介紹一種基于運(yùn)動(dòng)控制器的激光焦點(diǎn)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，采用光碼盤作為位移傳感器，利用運(yùn)動(dòng)控制器的主從跟蹤(電子齒輪)功能實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)位置誤差的快速補(bǔ)償。
2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)由激光焦點(diǎn)位置傳感器——光碼盤，控制器——PARKER500-FOL運(yùn)動(dòng)控制器和執(zhí)行裝置交流伺服系統(tǒng)組成。
光碼盤是在半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中使用最多的位移傳感器，它與電感式位移傳感器相比，具有穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)特性好、抗干擾能力強(qiáng)、易于和位置控制器相聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。但由于光碼盤是角度式位移傳感器，故必須經(jīng)機(jī)械部件變換才能檢測(cè)激光焦點(diǎn)與加工對(duì)象表面的相對(duì)位移。我們是采用齒條帶動(dòng)和光碼盤相聯(lián)的齒輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的，具體結(jié)構(gòu)在這里不加討論。
PARKER500-FOL運(yùn)動(dòng)控制器為一具有位置主從跟蹤功能的單軸運(yùn)動(dòng)控制器，它除了具有一般運(yùn)動(dòng)控制器的功能外，還具有對(duì)一光碼盤信號(hào)的位置自動(dòng)跟蹤功能，利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工時(shí)的激光焦點(diǎn)位置的自動(dòng)跟蹤，也可實(shí)現(xiàn)在點(diǎn)動(dòng)調(diào)整時(shí)的各種操作。
由于500-FOL運(yùn)動(dòng)控制器只能輸出兩路脈沖信號(hào)或脈沖和方向信號(hào)，因此，驅(qū)動(dòng)裝置只能使用帶有脈沖輸入的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。 整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖
從圖中可以看出，該系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)通過(guò)I/O口相聯(lián)，接受CNC的I/O控制指令進(jìn)行動(dòng)作，具有較高的通用性和使用柔性，可以與任何CNC系統(tǒng)相聯(lián)接并協(xié)調(diào)工作。
3 工作流程
由于激光焦點(diǎn)位置跟蹤系統(tǒng)是整個(gè)激光加工控制系統(tǒng)的一部分，它必須受控于CNC主控系統(tǒng)，它為從動(dòng)系統(tǒng)。
(1)系統(tǒng)上電后，500運(yùn)動(dòng)控制器自動(dòng)控制電機(jī)回機(jī)械原位，等待CNC的控制命令。
(2)CNC可以通過(guò)I/O口向500運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)點(diǎn)動(dòng)調(diào)整命令，以調(diào)整好激光焦點(diǎn)的初始位置。
(3)通過(guò)設(shè)定命令設(shè)定焦點(diǎn)的初始位置作為焦點(diǎn)位置跟蹤的參考值。
(4)在自動(dòng)加工時(shí)，CNC可以根據(jù)需要發(fā)布不同的命令，可以讓系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤加工對(duì)象表面的變化，也可以結(jié)束跟蹤。
(5)為了防止光頭與加工對(duì)象碰撞，在跟蹤完成時(shí)要將光頭移上一段距離，在下次跟蹤時(shí)要慢速自動(dòng)找到焦點(diǎn)的位置。
一般情況下，點(diǎn)動(dòng)調(diào)整可由面板開關(guān)配合完成，而自動(dòng)狀態(tài)則由CNC的M代碼經(jīng)過(guò)PLC處理后輸出控制焦點(diǎn)位置跟蹤系統(tǒng)。
4 控制流程
PARKER500-FOL運(yùn)動(dòng)控制器采用的是邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制混合編程方法，上電后根據(jù)控制程序自動(dòng)執(zhí)行。
由于焦點(diǎn)位置自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)通過(guò)I/O口交換信息，它是根據(jù)I/O口的控制命令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。焦點(diǎn)位置自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)要完成圖2所示流程圖規(guī)定的動(dòng)作。
圖2 焦點(diǎn)位置自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)流程圖
點(diǎn)動(dòng)子程序主要用于調(diào)試工作和初始焦點(diǎn)位置對(duì)準(zhǔn)。由于不同厚度的鋼板，激光焦點(diǎn)距加工對(duì)象表面的距離要求不同，所以每次加工一個(gè)新的材料之前，要手動(dòng)調(diào)好焦距，然后通過(guò)設(shè)定功能記下傳感器的位置，作為焦點(diǎn)位置跟蹤的參考點(diǎn)。
在加工過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控程序的不同的M代碼經(jīng)I/O口控制焦點(diǎn)位置控制裝置完成跟蹤、保持和注銷功能。考慮到加工過(guò)程可能要通過(guò)已切掉的部分，此時(shí)要關(guān)掉焦點(diǎn)位置跟蹤功能，以避免激光切割光頭掉進(jìn)切割形成的洞中而損壞。另外，考慮到加工對(duì)象表面的變化，在關(guān)掉跟蹤功能的同時(shí)要抬起光頭一段距離，在打開焦點(diǎn)位置自動(dòng)跟蹤功能時(shí)再自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)。
5 小結(jié)
由于光碼盤為數(shù)字化位移傳感器，故其檢測(cè)的穩(wěn)定性要高于電感式LVDT位移傳感器；PARKER500運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)光碼盤的采樣頻率非常高，所以，采用光碼盤傳感器和PARKER500運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合檢測(cè)，可以大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；PARKER運(yùn)動(dòng)控制器有效的位置控制算法可以保證主從跟蹤誤差在幾個(gè)絲之內(nèi)，完全能滿足激光切割對(duì)焦點(diǎn)位置精度的要求。
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