• 摘要：隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，激光技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，大量應(yīng)用于在金屬成形機(jī)床。激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，成為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)手段，對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)尤其是裝備制造業(yè)的改造和技術(shù)提升發(fā)揮著重要作用。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，激光技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，大量應(yīng)用于在金屬成形機(jī)床。激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，成為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)手段，對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)尤其是裝備制造業(yè)的改造和技術(shù)提升發(fā)揮著重要作用。

然而傳統(tǒng)激光切割系統(tǒng)只能運(yùn)用在低速機(jī)床上，在高速機(jī)床上容易過(guò)沖、抖動(dòng)，加工質(zhì)量低甚至無(wú)法完成正常切割工藝。如何在高速切割環(huán)境下得到更好的加工效果成為激光切割數(shù)控系統(tǒng)這一領(lǐng)域研發(fā)的重要課題。維宏股份于2009年首次推出了適用于YAG激光器的激光切割系統(tǒng)，2011年推出了具有CAD/CAM功能的激光切割系統(tǒng)，2014年推出了光纖切割系統(tǒng)，2015-2016年推出了隨動(dòng)儀方案，結(jié)合維宏伺服驅(qū)動(dòng)器，形成了較為完善的激光切割解決方案，2017年推出板管一體激光切割方案，2018-2019年推出中高功率解決方案、專業(yè)管切方案，維宏激光切割系統(tǒng)提供包括飛行切割、蛙跳、圓管切割、方管切割、套料、激光功率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)等功能，具有切割速度快、材料利用率高、適用性廣等特點(diǎn)。

創(chuàng)新技術(shù)介紹

該系統(tǒng)采用的載空銜接不減速、精確隨動(dòng)控制、尖角處理Bezier曲線和智能蛙跳上臺(tái)等綜合技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先，并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，項(xiàng)目具有新穎性和應(yīng)用性。在高速高精方面，與國(guó)內(nèi)外同行相比，維宏股份具有豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)專長(zhǎng)，在算法，指令，限速，拐彎處理等方面的研究均取得了顯著成果。在產(chǎn)品使用交互上，充分考慮激光切割應(yīng)用特點(diǎn)，提供完整解決方案的同時(shí)，大大簡(jiǎn)化操作步驟，提高生產(chǎn)效率。

與市場(chǎng)現(xiàn)有技術(shù)相比

該產(chǎn)品采用的載空銜接不減速、精確隨動(dòng)控制、尖角處理Bezier曲線和智能蛙跳上臺(tái)等綜合技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先，并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，項(xiàng)目具有新穎性和應(yīng)用性。在高速高精方面，與國(guó)內(nèi)外同行相比，該產(chǎn)品在算法，指令，限速，拐彎處理等方面的研究均取得了顯著成果。在產(chǎn)品使用交互上，充分考慮激光切割應(yīng)用特點(diǎn)，提供完整解決方案的同時(shí)，大大簡(jiǎn)化操作步驟，提高生產(chǎn)效率。

主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、精度水平

（1）S形加減速

在高速機(jī)床上，如果控制算法缺乏柔性，加工過(guò)程中啟動(dòng)和停止時(shí)必然有減速度或加速度的躍變，從而導(dǎo)致機(jī)床震動(dòng)。這不僅對(duì)機(jī)床的剛性提出更高的要求，而且會(huì)嚴(yán)重破壞工件的切割精確性，影響機(jī)床的使用壽命。該系統(tǒng)創(chuàng)造性地采用了S形曲線加減速插補(bǔ)算法，該算法按照加速度變化分為加速度三角形和加速度梯形的S形曲線算法，加速度梯形算法的速度與加速度曲線如下圖所示。實(shí)際應(yīng)用表明，S形曲線加減速插補(bǔ)算法能在提供較好柔性的同時(shí)提高加工效率。此外，考慮到高速系統(tǒng)上手動(dòng)速度也很快，為了保證柔性，手動(dòng)方式也采用滿足S形曲線變化的速度控制；在接近軟限位時(shí)，自動(dòng)計(jì)算減速距離，提前進(jìn)行減速，使之運(yùn)行到軟限位位置時(shí)速度剛好為0。

（2）B樣條插值

B樣條曲線是一種CAGD形狀數(shù)學(xué)描述的基本方法，它具有局部性、幾何不變性、連續(xù)性以及造型靈活等優(yōu)點(diǎn)。在激光切割加工的工件輪廓中，有些是由復(fù)雜的參數(shù)曲線構(gòu)成，用傳統(tǒng)的直線或圓弧插值，分割節(jié)點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生進(jìn)給量波動(dòng)，使高速切割的效果欠佳。而采用B樣條插值，實(shí)現(xiàn)B樣條的直接插補(bǔ)，就能夠解決這個(gè)問(wèn)題。

（3）精確嚴(yán)格的拐角控制

引起激光切割尖角燒蝕的原因是激光切割尖角時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間加熱帶來(lái)熱量積聚所造成的，為克服該缺點(diǎn)，本系統(tǒng)研發(fā)出多種解決方案，包括在拐角處速度和功率關(guān)系的調(diào)節(jié)、尖角處理Bezier曲線、回旋過(guò)切、軌跡平滑與速度平滑等。

（4）精確的隨動(dòng)控制

激光切割系統(tǒng)中采用維宏股份自主研發(fā)的快速精準(zhǔn)電容調(diào)高系統(tǒng)模塊，具有反應(yīng)迅速、測(cè)量準(zhǔn)確、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)。其中放大器采樣頻率1000Hz，靜態(tài)跟隨0.01mm，動(dòng)態(tài)跟隨誤差0.03mm，能夠防止火焰濺射、表面異物等干擾；采用PID算法控制，每毫秒調(diào)整一次，實(shí)時(shí)性高，并且采用一定濾波手段控制穩(wěn)定，在光纖機(jī)床5m/s的速度下能夠保持加工性能穩(wěn)定；與傳統(tǒng)手動(dòng)標(biāo)定相比，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一鍵自動(dòng)標(biāo)定，精準(zhǔn)標(biāo)定范圍為0.01mm~5mm，常用標(biāo)定范圍0.01mm-15mm，最大標(biāo)定范圍為0.01-30mm，遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品。精確隨動(dòng)控制使高速高精激光切割系統(tǒng)能夠做到大高度跟隨不抖動(dòng)，同時(shí)與解析器配合還能做到掃描切割，方便使用。此外配合其他系統(tǒng)模塊還具有監(jiān)控動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)誤差和碰板報(bào)警、出邊檢測(cè)等安全控制功能。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速高精的核心技術(shù)就是維宏股份自主研發(fā)的隨動(dòng)控制模塊，該模塊具有反應(yīng)迅速、測(cè)量準(zhǔn)確、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)。由于電容受溫度影響大，電容放大器的精度在實(shí)際生產(chǎn)中很容易被各種環(huán)境因素影響，造成電容精度不夠高的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，研發(fā)人員最終找到了解決辦法，設(shè)計(jì)的電容放大器不僅采樣精度大，而且跟隨精度高，配合硬件實(shí)時(shí)PID調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了高精度的隨動(dòng)控制，保證了激光切割系統(tǒng)在高速機(jī)床上的加工質(zhì)量和加工效率。

（5）載空銜接不減速控制

高速高精激光切割系統(tǒng)具有空運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行的銜接不減速功能。切割工件的過(guò)程可以分為空運(yùn)行（G00）和加工（G01，G02，G03）兩個(gè)階段，空運(yùn)行是指不開(kāi)激光和吹起只進(jìn)行快速定位的階段，加工是指打開(kāi)激光和吹氣進(jìn)行切割材料的過(guò)程。傳統(tǒng)插補(bǔ)器把這兩種動(dòng)作分別進(jìn)行插補(bǔ)處理以實(shí)現(xiàn)空運(yùn)行時(shí)快速定位和加工中精確切割的目的，但是這兩者之間切換時(shí)，速度需要先降低至0然后再切換到另一種方式進(jìn)行加速，這就造成了切換過(guò)程中的模式消耗。為實(shí)現(xiàn)載空銜接不減速功能，研發(fā)人員采用新型插補(bǔ)算法，在空運(yùn)行和加工相互切換時(shí)，速度切換至加工時(shí)G代碼之間相同的連接速度并保持此速度加工，大幅度提高了加工效率。如下圖所示。

（6）速度功率控制

當(dāng)輔助氣體氣壓和激光功率一定時(shí)，切割速度與切割寬度呈現(xiàn)出一種非線性的反比關(guān)系。因此，如果切割速度比較慢，激光能量在切縫的作用時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，從而導(dǎo)致切縫寬度增大，工件的上切縫和下切縫寬度差也會(huì)增大，切割的質(zhì)量顯著降低；切割速度變快時(shí)，在切縫的作用時(shí)間變短，切縫的寬度也相應(yīng)變小甚至?xí)霈F(xiàn)切不透的情況。因此激光切割系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的加工需求選擇合適的加工功率，才能保證高質(zhì)量的加工效果。該系統(tǒng)采用圖形編輯的方式，能夠方便快速地設(shè)置不同速度下的功率。如下圖所示，點(diǎn)擊曲線可增加曲線控制點(diǎn)，然后拖動(dòng)控制點(diǎn)就能改變曲線形狀，從而設(shè)置不同速度下的功率。這樣大大提高了切割的精確性和切割效率。

（7）尖角處理Bezier曲線

在切割尖角圖形時(shí)，在尖角頂點(diǎn)的位置需要進(jìn)行銳角方向切換，因此需將速度降低，但同時(shí)也會(huì)降低加工效率。此外，角度較小的頂點(diǎn)處面積小，在較短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷來(lái)回兩次的激光切割會(huì)造成熱量過(guò)大，容易引起尖角熔化，無(wú)法保留尖角處形狀。為解決以上問(wèn)題，該系統(tǒng)建立了尖角處理模塊。模塊先整體區(qū)分尖角類型，對(duì)于角度較大的類型采用尖角Bezier曲線過(guò)渡方式讓整個(gè)過(guò)程不減速，更加柔和；對(duì)于角度較小的類型，采用尖角平滑和尖角Bezier曲線過(guò)渡相結(jié)合的方式，使尖角處的軌跡平滑過(guò)渡，使得尖角處減速小，承受熱量的范圍大，不僅避免尖角過(guò)燒，還能保持原有尖角的大部分形狀。

（8）智能高效的蛙跳上抬

激光切割中的蛙跳動(dòng)作就是在切割輪廓之間沿拋物線軌跡運(yùn)動(dòng)的步驟。傳統(tǒng)無(wú)蛙跳上抬功能的切割機(jī)整個(gè)切割過(guò)程分為三個(gè)部分：完成一條曲線的切割后首先控制Z軸垂直抬起，而后控制水平部分把切割頭運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)切割點(diǎn)，到位后再把切割頭降下準(zhǔn)備下一次切割。而使用蛙跳上抬方式后，切割頭上抬邊水平移動(dòng)，直到到達(dá)Z浮上抬延時(shí)設(shè)置的高度停止上抬，然后再以隨動(dòng)延時(shí)曲線下降到切割點(diǎn)。如上圖所示是一個(gè)完整的激光切割工藝過(guò)程，其中第5段為蛙跳上臺(tái)。整個(gè)過(guò)程以曲線完成，節(jié)省了空行時(shí)間，提高切割效率。（上海維宏電子科技股份有限公司）