文/周琦

1 引言

激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性，對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)。因?qū)I(yè)涉獵較廣，按傳統(tǒng)教學(xué)方式培養(yǎng)一名合格技術(shù)人才周期很長(zhǎng)。而激光設(shè)備相對(duì)體積比較龐大，造價(jià)較高，加工過程設(shè)備的控制比較復(fù)雜，作為高校專業(yè)教學(xué)有必要開發(fā)專用的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)運(yùn)用到專業(yè)教學(xué)中，能使枯燥難懂的原理變得簡(jiǎn)單直觀，使老師容易教學(xué)、學(xué)生容易理解；其次每個(gè)學(xué)生都擁有跟設(shè)備互動(dòng)的機(jī)會(huì)，可以在確保電氣安全的范圍內(nèi)操作，快速掌握知識(shí)點(diǎn)，大大縮短培養(yǎng)時(shí)間，降低教學(xué)成本，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力。

本文主要介紹了一種激光設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)主要用于模擬激光設(shè)備控制系統(tǒng)，立體直觀的展現(xiàn)其結(jié)構(gòu)及原理，利用該教學(xué)平臺(tái)可以完成各類激光設(shè)備控制系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。

2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件組成

激光設(shè)備一般由光、機(jī)、電三部分構(gòu)成，主要有激光器、主機(jī)（光路以及驅(qū)動(dòng)、支撐光路的機(jī)械結(jié)構(gòu)）、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、激光電源、控制系統(tǒng)等部分組成，其中控制系統(tǒng)是激光設(shè)備的重要組成之一，其硬件框架如圖1所示，主要用于協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)、控制激光加工。

圖1：激光設(shè)備控制系統(tǒng)的硬件框架圖

圖2：硬件原理框圖

激光設(shè)備控制系統(tǒng)的核心是主控制器，控制對(duì)象是運(yùn)動(dòng)控制和激光控制，主控制器通過人機(jī)交互和通訊接口，與操作者和其他設(shè)備進(jìn)行交互，激光設(shè)備控制系統(tǒng)的主控制器有三種，一種是采用PLC 作為控制器，第二種是專用的數(shù)控系統(tǒng)作為控制器，第三種是采用基于ARM 和DSP 的嵌入式系統(tǒng)作為控制器。本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用PLC 作為控制平臺(tái)，使用三菱FX2N 系列的PLC 為運(yùn)動(dòng)控制核心驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、繼電器等，臺(tái)達(dá)PLC 和臺(tái)達(dá)觸摸屏完成人機(jī)界面交互控制等。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件原理圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。

3 基本功能

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)采用積木式結(jié)構(gòu)，按鈕及繼電器模塊、PLC 模塊、人機(jī)界面交互模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊等在放置架上拆裝靈活。為了滿足實(shí)訓(xùn)要求，采用安全導(dǎo)線將模塊與實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間連接起來，安全性高，該平臺(tái)設(shè)計(jì)了多重保護(hù)環(huán)節(jié)：電源外部控制與指示、短路保護(hù)、接地保護(hù)、操作保護(hù)等保護(hù)環(huán)節(jié)確保師生安全。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的控制過程，真正做到工學(xué)結(jié)合，使學(xué)生身臨其境地學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有：

（1）激光設(shè)備電氣控制系統(tǒng)讀圖識(shí)圖及接線功能，各單一模塊可以單獨(dú)教學(xué)也可以組合教學(xué)；

（2）液晶屏顯示控制模塊，具有人機(jī)界面控制基本功能、基本應(yīng)用編程功能；

（3）PLC 運(yùn)動(dòng)控制模塊，具有PLC 在激光加工流水線中的應(yīng)用功能；

（4）伺服電機(jī)控制模塊，具有交流伺服系統(tǒng)的認(rèn)知、參數(shù)設(shè)置、接線、性能的學(xué)習(xí)功能；

（5）步進(jìn)電機(jī)控制模塊，具有步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)知、參數(shù)設(shè)置、接線、性能的學(xué)習(xí)功能；

（6）X-Y 二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊，具有PLC控制、手動(dòng)控制、限位控制等功能。

4 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

單個(gè)實(shí)訓(xùn)臺(tái)主要包括電源部分、PLC 部分、輸入輸出部分、I/O 轉(zhuǎn)換口、人機(jī)界面、上位機(jī)、三相電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、二維工作平臺(tái)等。上位機(jī)中安裝有相應(yīng)的工控軟件，以便實(shí)現(xiàn)編程、通信以及監(jiān)控等，電 源部分實(shí)行單個(gè)自動(dòng)化單元獨(dú)立開關(guān)和保護(hù)方式。

圖3：實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)物圖

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制部分主要分為兩種，一是基本電氣控制系統(tǒng)，二是PLC 控制系統(tǒng)?；倦姎饪刂葡到y(tǒng)主要是利用按鈕類主令器件、繼電器等來實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，模擬激光設(shè)備順序啟動(dòng)控制電路，從而完成激光標(biāo)刻機(jī)電氣控制電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。PLC 控制系統(tǒng)主要是利用PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，模擬激光設(shè)備X-Y 二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)往返運(yùn)動(dòng)控制、手動(dòng)控制、限位控制等，實(shí)現(xiàn)激光焊接機(jī)電氣控制電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。

4.1 人機(jī)交互模塊

人機(jī)界面(Human Machine Interface，HMI)是技術(shù)人員與工業(yè)控制系統(tǒng)交互的設(shè)備，過程可視化、操作員對(duì)過程的控制、顯示報(bào)警、輸出過程值和報(bào)警記錄均是由HMI 完成，HMI 可以為DVP PLC 提供過程控制和監(jiān)視，可同時(shí)支持多個(gè)通訊口連接多臺(tái)不同或是相同的控制器，最多可同時(shí)連接支持3 種不同通訊協(xié)議的設(shè)備。HMI 主要有顯示器、操作員面板、觸摸屏功能，本平臺(tái)中的HMI 主要是觸摸屏，觸摸屏是人機(jī)界面的發(fā)展方向，選用型號(hào)為DOP-B05S111，支持位圖、圖標(biāo)和背景畫面。支持U 盤，不需電腦即可通過U 盤來更新軟件、下載畫面程序以及備份數(shù)據(jù)等。支持 USB Host 功能，可連接U 盤、鼠標(biāo)及支持 USB 界面的打印機(jī)等周邊設(shè)備，大大加強(qiáng)了人機(jī)的功能。

圖4：X-Y 二維工作臺(tái)PLC 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 上位機(jī)配置及軟件配置

基于適應(yīng)工控軟件對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件的要求，上位機(jī)選用較新型的聯(lián)想商用PC 機(jī)，操作系統(tǒng)選用 Win7。PLC 可通過USB 口與上位機(jī)通訊，PLC 可通過HMI 的COM2 口與人機(jī)連接電纜通訊，HMI 可通過通訊電纜和上位機(jī)通訊。上位機(jī)安裝軟件有FX-PCS-VPS/WIN-E、WPLSoft 2.41、DOPSoft V2.00.07可對(duì)三菱FX2N-20GM、臺(tái)達(dá)DVP-24ES 及DOP-B05S111 進(jìn)行人機(jī)界面編程、設(shè)計(jì)、PLC聯(lián)機(jī)調(diào)試。HMI 與PLC 梯形圖程序建立對(duì)應(yīng)的邏輯關(guān)系，學(xué)生可以根據(jù)項(xiàng)目需要編寫相應(yīng)的界面，通過觸摸屏來控制激光設(shè)備運(yùn)作，完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)。HMI 軟件DOPSoft V2.00.07提供了方便的模擬功能，用戶可于人機(jī)程序的設(shè)計(jì)過程中，先行于電腦端進(jìn)行程序模擬動(dòng)作與除錯(cuò)。而在人機(jī)軟件里提供兩種模擬功能，分別為離線模擬與在線模擬。當(dāng)使用者編輯與編譯完人機(jī)程序后，可直接使用電腦（不連接PLC）離線進(jìn)行模擬人機(jī)畫面動(dòng)作是否正確，也可使用在線模擬功能，即人機(jī)程序編輯與編譯完成后，使用電腦連接PLC，先行模擬人機(jī)動(dòng)作是否正確。

4.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制由步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，交流伺服系統(tǒng)構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制由PLC 控制器的RP、FP 引腳輸出控制脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受PLC 指令，進(jìn)行處理形成步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將電脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移，每當(dāng)輸入一個(gè)電脈沖時(shí)，它便轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。交流伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)單元、伺服電機(jī)及激光設(shè)備X-Y 二維工作臺(tái)構(gòu)成。由PLC 控制器的RP、FP 引腳輸出控制脈沖信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器接受PLC 指令，進(jìn)行處理形成伺服電機(jī)需要的電流輸出，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)，或帶動(dòng)激光設(shè)備X-Y 二維工作臺(tái)形成平面上的二維運(yùn)動(dòng)，X-Y 二維工作臺(tái)PLC 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

5 結(jié)論

從本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)試制樣品的使用來看，電氣控制和運(yùn)動(dòng)控制線路可以由教師和學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)，可對(duì)控制效果進(jìn)行直接觀察。實(shí)踐證明，此實(shí)訓(xùn)平臺(tái)運(yùn)行正常，呈現(xiàn)出了較強(qiáng)的安全性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果生動(dòng)形象有助于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和記憶，通過階梯式的工程訓(xùn)練教學(xué)模式，學(xué)生解決工程實(shí)際問題以及動(dòng)手實(shí)踐能力不斷得到強(qiáng)化和提高，為其將來從事相關(guān)激光行業(yè)工作奠定了基礎(chǔ)。