激光束經(jīng)過聚焦以后可以獲得極高的能量密度束流，其激光功率密度可以達(dá)到105～108w／cm2。通常應(yīng)用于切割、制孔、焊接等方面。激光切割目前應(yīng)用最廣泛，占激光加工應(yīng)用的70％。與其他切割加工方法比較，激光切割具有速度快、精度高、適應(yīng)性廣的特點(diǎn)，而且具有切縫細(xì)、熱影響區(qū)小、切縫質(zhì)量好，尤其是易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。近些年來，隨著激光切割的優(yōu)勢(shì)、特點(diǎn)及其在航空制造業(yè)中的作用、應(yīng)用效益逐漸被航空業(yè)內(nèi)人士認(rèn)識(shí)，激光切割在航空加工領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)激光切割機(jī)床的性能提出了越來越高的要求。

　　西班牙FAGOR公司8055 CNC系統(tǒng)是一款具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和處理速度、高度可靠的通用CNC系統(tǒng)，非常適合于激光加工機(jī)床控制。本文介紹了基于8055 CNC的三軸激光切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

1 8055 CNc系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)

　　(1)采用3個(gè)32位高速CPU，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和處理能力；6.5 ms程序段處理時(shí)間(可升級(jí)為2.5ms)；帶1 Mb的CNC程序存儲(chǔ)器。

　　(2)伺服軸可實(shí)現(xiàn)四軸四聯(lián)動(dòng)，實(shí)際使用三軸三聯(lián)動(dòng)，最高升級(jí)到七軸七聯(lián)動(dòng)；系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)字探針；可另外控制2個(gè)主軸，在激光切割機(jī)中用于對(duì)激光功率進(jìn)行控制；還可以預(yù)測(cè)拐點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)切割尖角時(shí)對(duì)激光功率進(jìn)行調(diào)整等功能，保證切割質(zhì)量。

　　(3)考慮到控制激光器所需I／0量較多，并且還要完成對(duì)水冷機(jī)組、氣路、外光路等部分的監(jiān)控，系統(tǒng)數(shù)字I／O點(diǎn)擴(kuò)充為104／56。模擬量I／O為8／8路。

　　(4)編程語言采用ISO代碼(標(biāo)準(zhǔn)G代碼，M代碼由設(shè)計(jì)者定義)、高級(jí)語言、輪廓編輯器和交互式編輯器；具有示教方式下編輯功能；在加工程序中支持比例縮放、鏡像和旋轉(zhuǎn)變換等功能；最多支持1百萬個(gè)工件程序和1萬個(gè)子程序(在存儲(chǔ)器容量足夠的條件下)；子程序重復(fù)次數(shù)可達(dá)9 999次。

　　(5)中文操作界面。

　　(6)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用FAGOR數(shù)字化伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與CNC之間采用SERCOS光纖接口進(jìn)行數(shù)字通信，連接簡單，抗電磁干擾能力很強(qiáng)。還可直接在操作面板上實(shí)現(xiàn)伺服參數(shù)的設(shè)定，及伺服的狀態(tài)監(jiān)控。

　　(7)機(jī)床參數(shù)設(shè)置的分辨率可以達(dá)到0.1μm，進(jìn)給速度為0.1μm／min到200 m／min，完全滿足用戶需要。

　　(8)具有RS232、422等標(biāo)準(zhǔn)通信接口，通過與PC機(jī)等的外設(shè)聯(lián)接，可以實(shí)現(xiàn)脫機(jī)編程、加工程序模擬及外部控制。利用DNS功能還可直接在PC機(jī)上直接執(zhí)行加工程序，徹底解決了由于CNC內(nèi)存有限而對(duì)加工程序大小的限制，還可以根據(jù)需要選配局域網(wǎng)卡、硬盤等。

2 與激光器的連接

　　在基于8055 CNC的三軸數(shù)控激光切割機(jī)的整個(gè)方案中，CNC與激光器的控制連接是很重要的一環(huán)，它直接關(guān)系到機(jī)床設(shè)計(jì)的成敗。激光器選用了美國PRC公司的PRC2200型的快速軸流C02激光器，激光最大平均功率2.2 kW，激光器控制接口為兩個(gè)50Pin D型接口，這些控制信號(hào)(包括激光器工作模式、功率、激光頻率、占空比等參數(shù)，還有控制光閘的信號(hào)，以及激光功率、報(bào)警信號(hào)等反饋信息)與CNC的I／O端口通過屏蔽電纜進(jìn)行連接。在設(shè)計(jì)中，為方便用戶，對(duì)激光器實(shí)行雙路控制。使用者既可以通過加工程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光器的完全控制，又能夠通過操作面板的按鈕控制激光器。同時(shí)激光器的各項(xiàng)狀態(tài)完全顯示在操作臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了集中操作。上半部分為8055 CNC操作面板，通過它可以完成對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的操作、加工程序的編制，激光器以及外部設(shè)備的報(bào)警信號(hào)也顯示在屏幕上。下半部分為自制面板，按鈕用于設(shè)定激光器的狀態(tài)，3個(gè)LED可以顯示激光器的功率、氣壓和放電電流。

3 自動(dòng)聚焦功能

　　在實(shí)際加工過程中，所切割的板材并不是一個(gè)理想的平面狀態(tài)，而是一個(gè)起伏的平面，加工的熱影響區(qū)也會(huì)改變工件的形狀。但激光切割對(duì)焦點(diǎn)位置要求較高，焦點(diǎn)位置過高或過低都將影響切割質(zhì)量。所以在切割過程中必須保證噴嘴位置和加工點(diǎn)之間的相對(duì)恒定，既噴嘴應(yīng)能夠根據(jù)板材的起伏變化，自動(dòng)改變位置。我們通過安裝在切割頭上的傳感器，將噴嘴和加工點(diǎn)之間的距離轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，并通過初始校驗(yàn)，保證信號(hào)與噴嘴和加工點(diǎn)之間距離的線性關(guān)系，將此信號(hào)送給CNC進(jìn)行處理。在加工過程中使Z軸處于隨動(dòng)工作狀態(tài)，這樣CNC就可以根據(jù)從傳感器傳來的電信號(hào)的變化，隨時(shí)調(diào)整Z軸的位置，使噴嘴和加工點(diǎn)之間的距離保持相對(duì)的恒定。

4 加工過程中的功率控制

　　在激光切割中，尖角的切割是一個(gè)大的難題，因?yàn)樵谇懈罴饨遣课粫r(shí)，容易因?yàn)檫^熱而產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致尖角部分被燒掉。為避免這種情況的出現(xiàn)，必須在切割到尖角的部位時(shí)，把切割功率降低，以阻止過熱情況的出現(xiàn)；但降低功率的位置又不能太早，否則可能造成切不透的情況。所以降低功率的起始點(diǎn)的選擇非常重要。這一功能的實(shí)現(xiàn)是通過對(duì)CNC編程實(shí)現(xiàn)的。由于FAGOR的CNC系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服，CNC能夠精確地知道各個(gè)軸的當(dāng)前位置，并且可以判斷出正在加工的部分是否是尖角，所以當(dāng)切割進(jìn)行到尖角的某個(gè)位置時(shí)，CNC向激光器發(fā)送減小功率的信號(hào)，激光加工功率被降低；等尖角加工完成后，CNC再恢復(fù)激光加工功率。

5 自動(dòng)編程軟件

　　由于客戶完全采用AUl、OCAD、CATIA軟件進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，而且零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量龐大，所以必須采用激光切割專用的CAM軟件，將AUTOCAD、CATIA的圖形文件直接轉(zhuǎn)化成加工程序，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)編程。經(jīng)過調(diào)研，選用了PROQ州的激光加工模塊，它可將AUTOCAD、CATIA的DXF、IGES、DwG等圖形文件直接轉(zhuǎn)化成加工程序，并且該軟件還具有自動(dòng)排料功能。使加工程序的編制基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，配合FAGOR系統(tǒng)的脫機(jī)模擬功能，可在PC機(jī)上完成除加工以外的所有工作，最大限度地提高了機(jī)床的使用效率，降低了加工成本。

6 其他設(shè)備的控制

　　在整套設(shè)備中，除了床身、運(yùn)動(dòng)部分、激光器、控制系統(tǒng)以外，還有水冷機(jī)組、外光路、氣路、警示燈等部分；并配有計(jì)算機(jī)。

　　水冷機(jī)組必須與激光器保持同步，也就是激光器開，它就開；激光器關(guān)，它就關(guān)；在水冷機(jī)組出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，激光器也必須關(guān)閉。加工輔助氣體的開、關(guān)有編程和手動(dòng)兩種方式，在加工時(shí)必須有加工輔助氣體，如果輔助氣體壓力不足，系統(tǒng)將報(bào)警。機(jī)床還配有警示燈，在加工時(shí)開啟，提醒現(xiàn)場(chǎng)人員注意防護(hù)。

7 結(jié)束語

　　目前，機(jī)床已通過了客戶的最終驗(yàn)收，并正式投入使用。所有指標(biāo)都達(dá)到或超過客戶的要求，機(jī)床運(yùn)行1年多以來，性能穩(wěn)定、可靠，所切割的零件均達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，由于采用了自動(dòng)編程軟件等先進(jìn)技術(shù)，極大地提高了勞動(dòng)效率，得到了客戶好評(píng)。