基于FAGOR8055数控激光切割机控制系统研制

　　激光束经过聚焦以后可以获得极高的能量密度束流，其激光功率密度可以达到105～108w／cm2。通常应用于切割、制孔、焊接等方面。激光切割目前应用最广泛，占激光加工应用的70％。与其他切割加工方法比较，激光切割具有速度快、精度高、适应性广的特点，而且具有切缝细、热影响区小、切缝质量好，尤其是易于实现自动化控制等优点。近些年来，随着激光切割的优势、特点及其在航空制造业中的作用、应用效益逐渐被航空业内人士认识，激光切割在航空加工领域得到了越来越广泛的应用，同时也对激光切割机床的性能提出了越来越高的要求。

　　西班牙FAGOR公司8055 CNC系统是一款具有强大的计算能力和处理速度、高度可靠的通用CNC系统，非常适合于激光加工机床控制。本文介绍了基于8055 CNC的三轴激光切割机控制系统的设计过程。

1 8055 CNc系统的主要性能特点

　　(1)采用3个32位高速CPU，具有强大的计算能力和处理能力；6.5 ms程序段处理时间(可升级为2.5ms)；带1 Mb的CNC程序存储器。

　　(2)伺服轴可实现四轴四联动，实际使用三轴三联动，最高升级到七轴七联动；系统支持数字探针；可另外控制2个主轴，在激光切割机中用于对激光功率进行控制；还可以预测拐点，从而实现切割尖角时对激光功率进行调整等功能，保证切割质量。

　　(3)考虑到控制激光器所需I／0量较多，并且还要完成对水冷机组、气路、外光路等部分的监控，系统数字I／O点扩充为104／56。模拟量I／O为8／8路。

　　(4)编程语言采用ISO代码(标准G代码，M代码由设计者定义)、高级语言、轮廓编辑器和交互式编辑器；具有示教方式下编辑功能；在加工程序中支持比例缩放、镜像和旋转变换等功能；最多支持1百万个工件程序和1万个子程序(在存储器容量足够的条件下)；子程序重复次数可达9 999次。

　　(5)中文操作界面。

　　(6)运动系统采用FAGOR数字化伺服驱动系统，与CNC之间采用SERCOS光纤接口进行数字通信，连接简单，抗电磁干扰能力很强。还可直接在操作面板上实现伺服参数的设定，及伺服的状态监控。

　　(7)机床参数设置的分辨率可以达到0.1μm，进给速度为0.1μm／min到200 m／min，完全满足用户需要。

　　(8)具有RS232、422等标准通信接口，通过与PC机等的外设联接，可以实现脱机编程、加工程序模拟及外部控制。利用DNS功能还可直接在PC机上直接执行加工程序，彻底解决了由于CNC内存有限而对加工程序大小的限制，还可以根据需要选配局域网卡、硬盘等。

2 与激光器的连接

　　在基于8055 CNC的三轴数控激光切割机的整个方案中，CNC与激光器的控制连接是很重要的一环，它直接关系到机床设计的成败。激光器选用了美国PRC公司的PRC2200型的快速轴流C02激光器，激光最大平均功率2.2 kW，激光器控制接口为两个50Pin D型接口，这些控制信号(包括激光器工作模式、功率、激光频率、占空比等参数，还有控制光闸的信号，以及激光功率、报警信号等反馈信息)与CNC的I／O端口通过屏蔽电缆进行连接。在设计中，为方便用户，对激光器实行双路控制。使用者既可以通过加工程序实现对激光器的完全控制，又能够通过操作面板的按钮控制激光器。同时激光器的各项状态完全显示在操作台上，实现了集中操作。上半部分为8055 CNC操作面板，通过它可以完成对机床运动的操作、加工程序的编制，激光器以及外部设备的报警信号也显示在屏幕上。下半部分为自制面板，按钮用于设定激光器的状态，3个LED可以显示激光器的功率、气压和放电电流。

3 自动聚焦功能

　　在实际加工过程中，所切割的板材并不是一个理想的平面状态，而是一个起伏的平面，加工的热影响区也会改变工件的形状。但激光切割对焦点位置要求较高，焦点位置过高或过低都将影响切割质量。所以在切割过程中必须保证喷嘴位置和加工点之间的相对恒定，既喷嘴应能够根据板材的起伏变化，自动改变位置。我们通过安装在切割头上的传感器，将喷嘴和加工点之间的距离转化成电信号，并通过初始校验，保证信号与喷嘴和加工点之间距离的线性关系，将此信号送给CNC进行处理。在加工过程中使Z轴处于随动工作状态，这样CNC就可以根据从传感器传来的电信号的变化，随时调整Z轴的位置，使喷嘴和加工点之间的距离保持相对的恒定。

4 加工过程中的功率控制

　　在激光切割中，尖角的切割是一个大的难题，因为在切割尖角部位时，容易因为过热而产生烧蚀现象，导致尖角部分被烧掉。为避免这种情况的出现，必须在切割到尖角的部位时，把切割功率降低，以阻止过热情况的出现；但降低功率的位置又不能太早，否则可能造成切不透的情况。所以降低功率的起始点的选择非常重要。这一功能的实现是通过对CNC编程实现的。由于FAGOR的CNC系统采用全数字伺服，CNC能够精确地知道各个轴的当前位置，并且可以判断出正在加工的部分是否是尖角，所以当切割进行到尖角的某个位置时，CNC向激光器发送减小功率的信号，激光加工功率被降低；等尖角加工完成后，CNC再恢复激光加工功率。

5 自动编程软件

　　由于客户完全采用AUl、OCAD、CATIA软件进行零件设计，而且零件结构复杂、数量庞大，所以必须采用激光切割专用的CAM软件，将AUTOCAD、CATIA的图形文件直接转化成加工程序，实现脱机编程。经过调研，选用了PROQ州的激光加工模块，它可将AUTOCAD、CATIA的DXF、IGES、DwG等图形文件直接转化成加工程序，并且该软件还具有自动排料功能。使加工程序的编制基本上实现了自动化，配合FAGOR系统的脱机模拟功能，可在PC机上完成除加工以外的所有工作，最大限度地提高了机床的使用效率，降低了加工成本。

6 其他设备的控制

　　在整套设备中，除了床身、运动部分、激光器、控制系统以外，还有水冷机组、外光路、气路、警示灯等部分；并配有计算机。

　　水冷机组必须与激光器保持同步，也就是激光器开，它就开；激光器关，它就关；在水冷机组出现故障停机时，激光器也必须关闭。加工辅助气体的开、关有编程和手动两种方式，在加工时必须有加工辅助气体，如果辅助气体压力不足，系统将报警。机床还配有警示灯，在加工时开启，提醒现场人员注意防护。

7 结束语

　　目前，机床已通过了客户的最终验收，并正式投入使用。所有指标都达到或超过客户的要求，机床运行1年多以来，性能稳定、可靠，所切割的零件均达到了设计的要求，由于采用了自动编程软件等先进技术，极大地提高了劳动效率，得到了客户好评。