劉廣瑞，王振超，畢競鍇，黃 真

(鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

世界上第一臺激光器是在1960年產(chǎn)生的［1］，目前激光器已經(jīng)應(yīng)用到了各個領(lǐng)域中.1964年發(fā)明了激光切割機(jī)，而且在金屬加工領(lǐng)域里面開始應(yīng)用.由于當(dāng)時的激光輸出的功率很小，只能加工薄板材.1989年進(jìn)而推出了搭載型激光切割機(jī)［2］，這是一種大型切割機(jī)，主要用于碳鋼的中厚板切割.現(xiàn)如今，隨著激光發(fā)生器的改進(jìn)、切割機(jī)本身的進(jìn)步、外圍裝置技術(shù)不斷更新，現(xiàn)在已經(jīng)能切割25 mm的板厚程度.無論是非金屬材料還是金屬材料［3］，板薄還是板厚［4］，切割的應(yīng)用都很廣泛.

如今我國僅有不足1 000套激光切割機(jī)加工系統(tǒng)，大多數(shù)都是品質(zhì)較低的CO2激光切割機(jī).其激光器功率低、切割縫隙寬、加工的工件表面精度與質(zhì)量都比較差，整機(jī)的柔性與穩(wěn)定性也亟待改進(jìn).國產(chǎn)激光切割機(jī)中的控制系統(tǒng)仍舊用的是國外的通用機(jī)床控制器，因此造成的問題就是系統(tǒng)不具有開放性，很難在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)方面的嘗試，很難把圖形編程軟件集成到控制系統(tǒng)里面.

激光切割機(jī)加工出來的工件質(zhì)量和控制系統(tǒng)是密不可分的［5］.本研究即是在我國這種被動的大環(huán)境下所做的針對運(yùn)動控制系統(tǒng)的研究.控制系統(tǒng)使用PLC、觸摸屏、運(yùn)動控制單元等部件組建激光運(yùn)動控制系統(tǒng).作者首先對控制裝置的硬件進(jìn)行了挑選，然后根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，進(jìn)行了觸摸屏界面設(shè)計、PLC程序設(shè)計、運(yùn)動控制程序設(shè)計(G代碼).所實現(xiàn)的功能是手動/自動功能和軌跡控制功能.手動操作使用按鍵、按鈕、數(shù)據(jù)輸入等輸入裝置，用手動的方式來操縱運(yùn)動系統(tǒng)的運(yùn)作;自動模式下，只需要按照按鈕指示，選擇參數(shù)或者輸入?yún)?shù)就可以達(dá)到運(yùn)動控制的實現(xiàn).軌跡控制功能即在所在的軌跡界面上，輸入相關(guān)參數(shù)，按下開始操作按鈕，即可以按照控制系統(tǒng)里面的程序做相關(guān)的運(yùn)動，使刀具切割工件形成一定的軌跡.

用PLC來控制各項的調(diào)控工作，工作可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng);使用觸摸屏作為控制界面，更加人性化，使人機(jī)對話更加方便快捷［6］;使用運(yùn)動控制單元作為運(yùn)動的核心部件，使系統(tǒng)的加工精度和加工質(zhì)量都得到提高.另外，筆者不僅使用了PLC強(qiáng)大的邏輯判斷功能，更使用了PLC強(qiáng)大的計算功能［7］.

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 激光切割機(jī)的工作原理

如圖1所示，激光切割機(jī)是利用從激光發(fā)生器發(fā)射出的激光束，經(jīng)外電路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的激光束照射條件，激光熱量被工件材料吸收，工件溫度急劇上升，到達(dá)沸點(diǎn)后，材料開始?xì)饣⑿纬煽锥?，一旦小孔形成，它將吸收幾乎所有光束能量，隨著光束與工件相對位置的移動，最終使材料形成切縫［8］.其中，切縫時的工藝參數(shù)(切割速度，激光器功率，氣體壓力等)及運(yùn)動軌跡均由運(yùn)動控制系統(tǒng)控制，輔助氣體高速流動把熔化的材料吹走，保持熔壁相對穩(wěn)定.激光功率與切割的厚度、切口的寬度和切割質(zhì)量有很大的關(guān)系.功率大，切割的厚度大，切割速度快，但是切口寬［9］.

圖1 激光切割機(jī)理Fig.1 Laser cutting mechanism

1.2 激光切割機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成

本系統(tǒng)由可編程控制器PLC、運(yùn)動控制單元、觸摸屏、交流伺服系統(tǒng)、檢測裝置等5大部分組成.其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，本系統(tǒng)所用的硬件型號和各硬件功能如表1所示.

圖2 切割機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of motion control system in cutting machine

表1 系統(tǒng)硬件型號和功能表Tab.1 Hardware models and menu

2 拋物線插補(bǔ)設(shè)計

2.1 拋物線插補(bǔ)觸摸屏畫面設(shè)計

所設(shè)計的拋物線插補(bǔ)的觸摸屏人機(jī)界面如圖3所示.

圖3 拋物線畫面設(shè)計Fig.3 Parabolic screen design

在NTST軟件里面，有觸摸開關(guān)、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)字顯示等操作對象.其中數(shù)字輸入是用來把數(shù)據(jù)在觸摸屏上通過寫入工具寫入，并且把內(nèi)容寫到所指定的PLC的地址里面.如表2所示，X0，Y0在數(shù)字表中的地址為D501，D502.即在觸摸屏的畫面上輸入數(shù)字并且放在D501，D502地址中.

2.2 拋物線各點(diǎn)的數(shù)據(jù)計算

由于G語言只有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，因此直線和圓弧之外的曲線都要進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，然后再進(jìn)行直線插補(bǔ).以拋物線y=x2為例進(jìn)行了數(shù)據(jù)計算和直線插補(bǔ).

計算步驟：

(1)從觸摸屏上輸入起點(diǎn)坐標(biāo)(X0，Y0)，終點(diǎn)坐標(biāo)(Xe，Ye).

(2)設(shè)定要進(jìn)行直線插補(bǔ)的段數(shù)，把在x軸上的投影分成等分n段.在梯形圖中計算出此段長L=(Xe-X0)/n.

表2 數(shù)字表Tab.2 Digital table

(3)設(shè)各坐標(biāo)點(diǎn)為(X0，Y0)，(X1，Y1)….(Xe，Ye).則 X1=X0+L;X2=X1+L;… Xn-1=Xn-2+L=Xe;.在梯形圖中計算出這些值.

(4)在梯形圖中求出各點(diǎn)的y軸坐標(biāo)值.Y0=F(X0);Y1=F(X1);…Yn-1=F(Xn-1)=F(Xe).

(5)因此(X0，Y0)，(X1，Y1)….(Xe，Ye)，都成為具體的數(shù)值，即是一組儲存在PLC存儲器中的一組數(shù)據(jù).把這些數(shù)據(jù)通過傳送指令傳送到MC的地址存儲區(qū)中.

(6)使用這些MC中的數(shù)據(jù)，一次一次地進(jìn)行插補(bǔ)，直到到達(dá)終點(diǎn).

計算各個數(shù)值如下助記符程序所示.結(jié)果是X的值分別存在D32001～D32006;Y的值存在D33000～D33005中.PLC梯形圖程序如圖4所示.

2.3 拋物線數(shù)據(jù)從PLC到MC的傳送

拋物線數(shù)據(jù)從PLC到MC的傳送如圖5所示.其中，#456、#556指的是MC中的位置數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的地址，A0456，A0556，D32001，D33000 是PLC的CPU中的數(shù)據(jù)存儲區(qū)中字地址.#0015是指要傳送5個字，因為此指令中每個位置數(shù)據(jù)需要3個字來傳送.#456，#556指定了要接收數(shù)據(jù)的MC單元的地址;D32001，D33000指定了PLC中要傳送數(shù)據(jù)塊的首字地址，0015指定單元號和傳送數(shù)據(jù)字的數(shù)量.此傳送過程的條件是兩個軸都伺服鎖定了而且在觸摸屏上的拋物線插補(bǔ)執(zhí)行按鈕按下時，才會執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳送.

2.4 拋物線插補(bǔ)的G代碼程序

拋物線插補(bǔ)的G代碼程序如圖6所示.設(shè)置程序號為5，因此PLC調(diào)用G代碼程序時直接調(diào)用編號就可以了.把上面?zhèn)魉偷紸456，A457里面的數(shù)據(jù)放入指針寄存器E1，E2中.并且應(yīng)用這些數(shù)據(jù)以一定的速度進(jìn)行直線插補(bǔ)，當(dāng)使用了一組軸數(shù)據(jù)時，如果還有數(shù)據(jù)，能夠繼續(xù)循環(huán)，直到完成最后一個點(diǎn).

2.5 PLC梯形圖調(diào)用MC里面的G代碼程序

PLC梯形圖調(diào)用MC里面的G代碼程序如圖7所示.由于設(shè)定單元號為0，因此按照MC手冊所示，2 071.07是 MC中的程序號讀取位.2 071.02是循環(huán)控制位，在脈沖上升時開始執(zhí)行MC程序，若為On就繼續(xù)執(zhí)行，若為Off就停止執(zhí)行.此處把5號G代碼程序的程序號送入2 070字地址中，2 070是專門用來存儲將要在自動模式下被執(zhí)行程序的程序號.通過上面這段程序，就把程序號5放入2 070中，并且當(dāng)拋物線插補(bǔ)按鈕按下，伺服都鎖定，而且在自動模式下，將會傳送并且執(zhí)行拋物線G代碼程序.

3 結(jié)論

基于我國激光切割機(jī)在我國的現(xiàn)狀，筆者選擇了PLC、觸摸屏、運(yùn)動控制單元建立了此運(yùn)動控制系統(tǒng).筆者以拋物線為例，運(yùn)用該系統(tǒng)硬件部件所配備的編程軟件介紹了此系統(tǒng)軟件的設(shè)計步驟并以圖表的形式表現(xiàn)出來.尤其是在利用PLC強(qiáng)大的計算功能尤其是乘法功能方面進(jìn)行了一定的探索和應(yīng)用.相信這種以案例形式呈現(xiàn)出來的設(shè)計過程和設(shè)計步驟對有關(guān)運(yùn)動控制系統(tǒng)的后續(xù)研究者有一定的啟發(fā)作用.針對我國引進(jìn)的國外通用機(jī)床控制器的不開放性和難以繼續(xù)開發(fā)、難以把圖形編程軟件集成到控制系統(tǒng)里面的問題，筆者進(jìn)行了的探索和研究.

本系統(tǒng)的實際作用在于提高了激光切割機(jī)的品質(zhì)，使加工的工件表面精度與質(zhì)量都得到大幅度的提高，整機(jī)的柔性與穩(wěn)定性也得到很大的改進(jìn)，使激光切割機(jī)的故障率降低，自動化水平和工作效率得到提高.

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