基于运动控制器的开放式激光焦点位置控制系统

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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对象，激光和物体分子相互作用而使加工区的物体熔化。随着光速的移动，就在物体中产生切缝，从而达到切割的目的。由于激光焦点和加工对象的相对位置决定了作用于加工对象上激光光斑和功率密度的大小，因此，激光焦点和加工对象的相对位置就对加工质量起着至关重要的作用。怎样在激光切割加工过程中保持激光焦点和加工对象之间的相对位置为一合理而恒定的值，就成为激光切割加工中的一项关键技术。
　　研究激光切割焦点位置自动跟踪系统可以分两个方面来考虑：
! g# k* J. M# ]5 _　　(1)怎样稳定、可靠而又方便地检测出激光焦点和加工对象之间的相对位置
2 ^5 [! c  G: y, R1 |% g　　激光加工属于非接触加工，无法直接检测焦点位置，而焦点位置由聚焦镜和加工对象表面的距离决定。因此，常用的办法是检测聚焦镜和加工对象表面的距离，从而间接检测激光焦点和加工对象表面的相对位置。
, `. v3 N, R: V* f0 `# J　　常用的检测方法分接触式和非接触式两种：
　　接触式传感器采用一机械传动装置和一些直线位移传感器(常用的为电感式传感器)组成，将聚焦镜和加工对象表面的相对位移转换成电压量供控制系统使用。
4 Y/ n& z1 ]2 I　　非接触式传感器是在光头上装一个电容和电感涡流式传感器，利用光头上传感器的电容或电感的变化来检测聚焦镜和加工对象表面的相对距离。
　　这两种检测方法是为了不同的使用场合而定的，电容式非接触式传感器主要是用于三维激光金属加工场合，因为这种场合不便于使用接触式传感器。其他场合则使用接触式传感器比较合适。
2 t; e7 h8 P. d2 l" ]% F+ c; R　　但这两种传感器都是采用模拟信号进行检测处理的，而在激光切割过程中会在加工区产生电离作用，形成电磁干扰，对检测结果产生影响；同时，电感型LVDT传感器的响应频率低，影响控制系统的动态特性，这些都是当前迫切需要解决的问题。
　　(2)在检测出激光焦点和加工对象的位置变化以后，怎样快速地补偿掉偏差即位置随动系统的设计问题
　　通常的分离式焦点跟踪系统是利用单片机的最小系统控制步进电机实现的。由于单片机性能比较简单，难以实现较为复杂的控制策略，而普通步进电机的动态特性比较差，很难满足激光焦点跟踪的快速要求。
$ Q5 x; {- f  k  a2 P! m　　为了克服上述缺点，本文介绍一种基于运动控制器的激光焦点自动跟踪系统，采用光码盘作为位移传感器，利用运动控制器的主从跟踪(电子齿轮)功能实现焦点位置误差的快速补偿。
% ^) f9 {$ G/ a2 y# ^& v% ~* b2　控制系统硬件设计
* o+ ?# W; r) B% {# J2 X　　控制系统由激光焦点位置传感器——光码盘，控制器——PARKER500-FOL运动控制器和执行装置交流伺服系统组成。
" v7 ?: a' p4 ]. q9 }9 W　　光码盘是在半闭环数控系统中使用最多的位移传感器，它与电感式位移传感器相比，具有稳定性好、动态特性好、抗干扰能力强、易于和位置控制器相联等优点。但由于光码盘是角度式位移传感器，故必须经机械部件变换才能检测激光焦点与加工对象表面的相对位移。我们是采用齿条带动和光码盘相联的齿轮旋转实现这一转换的，具体结构在这里不加讨论。
　　PARKER500-FOL运动控制器为一具有位置主从跟踪功能的单轴运动控制器，它除了具有一般运动控制器的功能外，还具有对一光码盘信号的位置自动跟踪功能，利用这一特性可以实现自动加工时的激光焦点位置的自动跟踪，也可实现在点动调整时的各种操作。
　　由于500-FOL运动控制器只能输出两路脉冲信号或脉冲和方向信号，因此，驱动装置只能使用带有脉冲输入的全数字伺服系统。
8 C7 B! w  n% R& ]4 A0 s2 R- W　　整个系统的硬件框图如图1所示。
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9 d+ s# n/ h5 W1 [# m9 x( y& D. w' U图1　控制系统硬件框图
　　从图中可以看出，该系统和CNC系统通过I/O口相联，接受CNC的I/O控制指令进行动作，具有较高的通用性和使用柔性，可以与任何CNC系统相联接并协调工作。
3　工作流程
　　由于激光焦点位置跟踪系统是整个激光加工控制系统的一部分，它必须受控于CNC主控系统，它为从动系统。
( E' v" y3 s0 o& ]5 E　　(1)系统上电后，500运动控制器自动控制电机回机械原位，等待CNC的控制命令。
　　(2)CNC可以通过I/O口向500运动控制器发点动调整命令，以调整好激光焦点的初始位置。
　　(3)通过设定命令设定焦点的初始位置作为焦点位置跟踪的参考值。
　　(4)在自动加工时，CNC可以根据需要发布不同的命令，可以让系统自动跟踪加工对象表面的变化，也可以结束跟踪。
- p: Z" Y* Y( b) Y# C　　(5)为了防止光头与加工对象碰撞，在跟踪完成时要将光头移上一段距离，在下次跟踪时要慢速自动找到焦点的位置。
# Z7 C3 e' G+ C2 K. ], E　　一般情况下，点动调整可由面板开关配合完成，而自动状态则由CNC的M代码经过PLC处理后输出控制焦点位置跟踪系统。
, l. A3 H( X* O4　控制流程
　　PARKER500-FOL运动控制器采用的是逻辑控制和运动控制混合编程方法，上电后根据控制程序自动执行。
# T/ e+ T) k& i* e　　由于焦点位置自动跟踪系统和主控制系统通过I/O口交换信息，它是根据I/O口的控制命令执行相应的动作。焦点位置自动跟踪系统要完成图2所示流程图规定的动作。
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( g6 H$ O- l6 a! `9 t5 p4 u图2　焦点位置自动跟踪系统流程图
2 g% a) @6 e, f　　点动子程序主要用于调试工作和初始焦点位置对准。由于不同厚度的钢板，激光焦点距加工对象表面的距离要求不同，所以每次加工一个新的材料之前，要手动调好焦距，然后通过设定功能记下传感器的位置，作为焦点位置跟踪的参考点。
　　在加工过程中，数控系统根据数控程序的不同的M代码经I/O口控制焦点位置控制装置完成跟踪、保持和注销功能。考虑到加工过程可能要通过已切掉的部分，此时要关掉焦点位置跟踪功能，以避免激光切割光头掉进切割形成的洞中而损坏。另外，考虑到加工对象表面的变化，在关掉跟踪功能的同时要抬起光头一段距离，在打开焦点位置自动跟踪功能时再自动对准焦点。
9 |7 h1 z& R  x4 ]6 C$ n( q5　小结
/ s% o) @6 M7 v3 ]" q　　由于光码盘为数字化位移传感器，故其检测的稳定性要高于电感式LVDT位移传感器；PARKER500运动控制器对光码盘的采样频率非常高，所以，采用光码盘传感器和PARKER500运动控制器结合检测，可以大大提高系统的响应速度；PARKER运动控制器有效的位置控制算法可以保证主从跟踪误差在几个丝之内，完全能满足激光切割对焦点位置精度的要求。
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