趙長(zhǎng)勝
(青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 山東 青島 266033)
激光雕刻技術(shù)是一種非接觸性精確加工技術(shù),通過將激光能量束集中在工件被加工位置處進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化來進(jìn)行熔化和汽化,從而實(shí)現(xiàn)工件的預(yù)加工效果。
激光加工技術(shù)是傳統(tǒng)雕刻技術(shù)的延伸,該技術(shù)將現(xiàn)代光電、機(jī)電技術(shù)一體化的綜合性的先進(jìn)加工技術(shù),其具備以下優(yōu)勢(shì):1)非接觸性加工,該加工方式無需使用傳統(tǒng)刀具進(jìn)行切割,對(duì)機(jī)器牢固性要求較低。2)加工速度快,激光能量輸出具備瞬時(shí)性,可對(duì)點(diǎn)進(jìn)行大深度的加工,較傳統(tǒng)刀具切割省時(shí)。3)加工材料廣泛,通過調(diào)整輸出功率非金屬與金屬都可進(jìn)行切割。4)加工工件邊緣平滑完整,無機(jī)械切痕。6)加工精度高,光斑直徑較小,無需考慮加工誤差影響。
激光雕刻機(jī)與傳統(tǒng)雕刻機(jī)相似之處在于同樣需要機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、以及切割模塊,激光雕刻機(jī)的切割模塊是激光系統(tǒng)。
激光發(fā)射器是實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的刀具,發(fā)射聚光束的激光,控制系統(tǒng)控制激光器電源的通斷和輸出功率的 調(diào)節(jié),激光發(fā)射器發(fā)射出來的激光束傳輸?shù)降窨涛恢?,?shí)現(xiàn)雕刻。激光束發(fā)射的精度直接影響雕刻的精 度,激光發(fā)射器是安裝在工作臺(tái)上,工作臺(tái)的移動(dòng)由橫軸的步進(jìn)電機(jī)控制的,所以步進(jìn)電機(jī)的控制直接影 響雕刻的精度。因此,激光發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)須滿足:在激光器輸出最大功率確定的情況下,選用光速度快 的激光管;在激光發(fā)射器調(diào)焦時(shí),盡可能找到最小最亮的聚光點(diǎn);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,雕刻機(jī)工作時(shí),縮短激光 的傳輸距離減少能量的損失[2]。
步進(jìn)進(jìn)給系統(tǒng)由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元、步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)軸、同步帶等組成。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送一定量的脈沖給驅(qū) 動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元將定量的脈沖放大功率后送步進(jìn)電機(jī),電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸、同步帶等控制激光頭在橫軸和 縱軸上的進(jìn)給。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角的大小控制雕刻精度,設(shè)計(jì)時(shí)須考慮幾個(gè)方面:在滿足工藝要求的情況下,選用小步距角的步進(jìn)電機(jī);控制系統(tǒng)直接影響步進(jìn)電機(jī)控制的穩(wěn)定性、可靠性;激光頭安裝在導(dǎo)軌,因此導(dǎo) 軌的直線度、剛度有一定的要求;對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行水平調(diào)節(jié),工作臺(tái)的平面度要滿足設(shè)計(jì)的要求[3]。
控制系統(tǒng)利用軟件將圖像自動(dòng)生成控制程序控制機(jī)械部分、激光發(fā)射系統(tǒng)執(zhí)行雕刻任務(wù),根據(jù)圖形情 況,在電腦上完成處理,通過 USB 接口傳送到控制器中。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)要滿足幾個(gè)原則:對(duì)雕刻的對(duì) 象,須完成圖像的處理,才能保證雕刻任務(wù)的完成;要使效果更佳,要保持穩(wěn)定性和可靠性。
激光雕刻機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)中XY軸都使用的是同步帶步進(jìn)電機(jī),其具備傳動(dòng)精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)。在工件加工中,非金屬工件的加工主要使用CO2氣體式激光器,金屬工件主要使用可燃?xì)怏w作為能量源進(jìn)行光纖切割。
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,控制系統(tǒng)中的單機(jī)結(jié)構(gòu)是直接通過計(jì)算機(jī)的CPU下達(dá)指令控制整個(gè)機(jī)器系統(tǒng),所有的指令和功能都通過個(gè)人計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在圖1-1中,我們使用個(gè)人計(jì)算機(jī)通過分時(shí)處理的方式來負(fù)責(zé)工件加工圖處理、設(shè)定步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給、以及激光電源輸出能量等,通過個(gè)人計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行完成工件加工的工作。
在激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)中通過卡上M變量映射到端口輸出寄存器中,進(jìn)而控制輸出電壓,實(shí)現(xiàn)通過改變輸出電壓進(jìn)而控制激光驅(qū)動(dòng)電源的開關(guān)控制。當(dāng)輸出電壓為0V時(shí),激光控制器驅(qū)動(dòng)電源關(guān)閉,輸出電壓為5V時(shí),激光器驅(qū)動(dòng)電源打開,激光器最大功率輸出,激光器電源通過FPGA主控制器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)控制開關(guān)和關(guān)閉。
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
控制系統(tǒng)軟件部分分為上位機(jī)以及下位機(jī)兩部分。上位機(jī)包含對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、激光器數(shù)值設(shè)置、程序編輯下載以及回零等操作。上位機(jī)軟件利用VC6.0和Pcomm32動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)主要包含系統(tǒng)初始化PLC程序、回零運(yùn)動(dòng)控制。在主從式的結(jié)構(gòu)里,我們將計(jì)算機(jī)放置在上位機(jī)位置,下位機(jī)使用單片機(jī)控制,上位機(jī)為第一控制位置,上機(jī)位主要處理圖形以及相關(guān)加工數(shù)據(jù)的傳送和對(duì)下位機(jī)的命令傳送既控制。下位機(jī)只會(huì)接受來自上位機(jī)的指令,同樣下位機(jī)也只會(huì)向上位機(jī)進(jìn)行反饋信息。下位機(jī)在獲取上位機(jī)的指令后會(huì)進(jìn)一步的向步進(jìn)電機(jī)、激光器、電源分別輸送相關(guān)指令。
驅(qū)動(dòng)器主要分為運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)以及激光器驅(qū)動(dòng),該機(jī)型要求步進(jìn)電機(jī)具有內(nèi)置轉(zhuǎn)換的功能,在其工作運(yùn)行時(shí)通過輸入固定的脈沖信號(hào)值就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確運(yùn)動(dòng)控制,應(yīng)盡量選擇操作簡(jiǎn)單快捷型號(hào)。對(duì)于激光驅(qū)動(dòng)模塊,要求其可以監(jiān)測(cè)工作運(yùn)行電流以及功率,承載能力較強(qiáng),對(duì)于電流的可編程控制區(qū)間較大,因此驅(qū)動(dòng)整體可運(yùn)行良好穩(wěn)定,不易出現(xiàn)偏差錯(cuò)誤。
對(duì)于控制器以及PC端的數(shù)據(jù)連接傳輸,為此提出通過數(shù)據(jù)端口以及USB方式進(jìn)行串行通信連接,對(duì)于通信模塊要求具備全雙口異步通信方式,內(nèi)部結(jié)構(gòu)里擁有全套與USB信號(hào)轉(zhuǎn)接的配件,因此不需要額外的外部電路便可以完成信號(hào)轉(zhuǎn)換傳輸。在雙向信號(hào)轉(zhuǎn)換通信中,不但可以接收來自PC端的數(shù)據(jù)信號(hào),并將此信號(hào)傳輸給外部器件,并且可以完成信號(hào)回傳PC端。