激光雕刻机控制系统研究

摘 要：激光雕刻机要具有利用AutoCAD图形文件自动编程和精确的运动控制能力。利用PMAC运动控制卡、工控机及交流伺服系统等组成半闭环的控制系统。利用Pcomm32动态链接库、MFC类库及控制卡指令等编写出控制系统软件，实现了对两轴的伺服运动控制和激光发生器等的控制。具有运动控制精确，简单可靠，便于后期升级的优点。

关键词：激光；雕刻；控制系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.260

1 引言

激光切割是把激光束的能量聚焦在材料上，对其进行烧熔和气化，从而实现切割加工的效果[1]。

激光雕刻机是利用激光切割原理，是现代光电技术、机电一体化技术综合的先进加工技术，具有以下优点：（1）非接触式加工，对机架等刚度要求低；（2）加工速度快；（3）加工材料广泛，对很多金属材料和非金属都可以加工；（4）可以调整激光功率，产生不同的切割深度；（5）加工图案边缘光滑美观；（6）切割精度高。

二维激光雕刻机是一种精密加工设备，要求实现X、Y轴的协同运动，能利用CAD图形文件自动编程转换为加工程序，自动加工出多变的图案或模板。采用PMAC运动控制卡和工控机组成开放式控制系统，可以用较低成本实现上述要求 [2]。

2 激光雕刻机的控制系统硬件结构

激光雕刻机主要由机架、传动系统、激光系统、控制系统等组成。传动系统中X、Y两个轴都采用同步带传动，具有传动比精确、维护简便和传动效率高的优点。加工非金属材料，常用CO2气体激光器。二维激光雕刻机主要是在非金属材料上进行雕刻或切割，因此采用了AL30D 型CO2激光发生器。该激光器简单可靠。而且可以利用0～5V电压信号对功率进行连续调整。当电压为5V时，为最大功率。

控制系统结构如图1所示，由上位机、Turbo Pmac2控制卡、DTC-8B接口卡、X、Y、Z三轴交流伺服驱动器及交流电机、限位开关、激光器和电源开关等其它数字量输入输出组成。上位机基于win7操作系统。下位机为Turbo Pmac2运动控制卡，具有4路模拟电压输出，最多可以控制四轴协同运动；具有32路I/O数字接口。

在该控制系统中，三路模拟量输出±10V电压信号到X、Y、Z轴，控制轴的伺服运动。其中X、Y轴可以协同运动，带动激光头按图形指定轨迹运动，以切割出需要的形状。而Z轴驱动激光器上下位移，调整焦距。X、Y轴具有限位开关，以保证运动不超限，避免发生激光头与机架等碰撞。X、Y轴采用半闭环运动控制方式，交流电机尾部的编码器直接反馈正交编码信号给接口卡和运动控制卡，然后再由运动控制卡进行PID算法控制，从而实现X、Y轴的精确协同插补运动。

卡的第四路模拟电压输出用于控制激光器功率。通过设置卡上M变量映射到该端口输出寄存器，从而控制输出电压数值，实现通过改变电压值来控制激光器功率的目的。当输出0V时，激光器关闭；5V时，激光器为最大功率。激光器的電源通过控制卡输出数字量信号控制接触器来导通或关闭。

3 激光雕刻控制系统软件

控制系统的软件分为上位机和下位机两部分。上位机包括监控、参数设置、AutoCAD文件自动编程、激光器设置、程序编辑下载和回零等操作。上位机软件利用VC6.0和Pcomm32动态链接库函数编程实现。下位机主要包括系统初始化PLC程序、回零运动程序等。

监控功能主要实现对系统各轴运动位置、速度、限位开关状态等的监控；对激光器功率位置的监控等。其实现方法为在程序中设置定时器消息响应函数，定时反复通过PmacGetResponseA（ ）函数在线读取控制卡中相关寄存器数值，刷新显示各种状态。

AutoCAD文件自动编程是激光雕刻机的重要功能。利用AutoCAD画出图案或者切割路径，然后保存为DXF文件，由上位机的自动编程软件读取处理，自动生成PMAC运动程序。DXF文件是AutoDesk公司開发的AutoCAD与其它软件交换数据的文件格式。具有ASCII码格式，可以利用文本编辑器查看，可读性较好。DXF文件由段，组构成。有七个段（section），其中实体Entities段，存储图形对象相关的信息，是最重要的段。每一个段又由很多组构成，一个组包括组码和对应的值。组码是一个代码，指定其后值的类型。 段的开始用组码“0”和值“SECTION”标记，结尾用组码“0”和值“ENDSEC”结束。在所有这些段中，实体段（entities）存储了图形实体相关的参数，是自动编程需要提取的。在自动产生Pmac运动代码时，首先打开DXF文件，然后利用循环体反复读取段的组码和组值，直到找到entities段。在该段中利用循环体找到直线（line）部分、圆弧（arc）部分和圆（circle）等部分，获取图形线的起点、终点、圆心等信息，然后作为参数填入Pmac运动指令中，最终形成Pmac运动代码。

4 结论

采用PMAC运动控制卡、工控机和交流伺服驱动系统等构成的开放式激光雕刻控制系统，实现了由AutoCAD图形自动形成Pmac运动控制程序，并对X、Y轴进行精确的伺服运动控制，也能够精确调整激光器的焦距和功率，从而加工出所需图案或材料。该控制系统工作效率高、稳定可靠、开发周期短、成本低，而且后期可以非常方便地对软件或硬件进行升级改造。

参考文献：

[1]王宗江.新型激光雕刻数字控制系统设计与调试[J].微计算机信息，2008，24（3-1）：35-36.

[2]尚纯，崔宝磊，杨光等.基于PMAC的激光加工机床开放式数控系统开发[J].机床与液压，2013，41（19）：88-90，129.

作者简介：陈东（1973），山东济南人，从事机电一体化设备、数控技术研究。