新型的中小功率激光加工机数控软件设计

1 引言

　　中小功率激光加工机的加工材料大多为非金属板材，面向的用户多为广告、装饰及装璜行业，因此能针对这些用户群体设计出方便、实用及低价的激光加工数据控编程软件，一直是激光加工能否在该行业广泛应用而急需解决的课题。

　　目前，国内外研制的激光加工机用于二维切割与雕刻的数控编程，大多采用以下几种编程操作方式：采用国外专用的激光加工数控系统软件，如英国的APS或以色列的CASMATE等；将AUTOCAD等专用软件或机械加工(铣床、线切割等)数控系统软件移植到激光加工的数控编程上。上述两情况对研制者及用户都存在着一些制约：第一种方式虽然完全可以满足中小功率激光加工的数控编程，但此类软件价格昂贵，增加了研制者的整机成本；第二种方式是以机械等专用系统软件编程界面并配以硬件转换接口电路，可用于一般的数控激光加工，由于行业的不同要掌握此类编程软件难度较大，此外，在字符编辑加工、激光加工自动排序及仿真等方面也很不完善。

　　如果在用户熟悉使用的某种平面设计软件环境下，设计出一种能够满足激光加工特点要求的数控驱动软件(类同于打印机驱动软件)，一定会使用户在激光加工机数控编程和操作上感觉非常方便，新型的中小功率激光加工机数控软件的设计思路就在于此。

2 设计方案

　　将广告、装饰及装璜行业使用非常普遍的矢量绘图平面设计软件CorlDRAW系统作为操作平台，通过对加工部件编辑并生成矢量绘图PLT文件格式，将此类的文件格式转换成满足激光加工的驱动程序并输出，完成了激光加工数控驱动软件设计，主程序框图如图1所示。解决了如下几方面的问题：

图1主程序框图

　　(1)解决了CorlDRAW系统中生成的PLT绘图文件格式没有绘图路径自动排序的功能(按先内后外原则)；

　　(2)为保证激光切割工件切口的均匀或雕刻表面的平整，解决了各种激光加工路径上运行速度均衡一致(直线，曲线，锐弧线等)的问题；

　　(3)将已编辑PLT文件格式的激光加工指令转换为步进脉冲信号，由PC计算机并口输出，直接驱动电机运行。

3 有关算法

　　(1)激光加工路径自动排序的算法(先内后外原则)

　　程序将PLT文件读入，根据下笔和抬笔的动作，将激光路径分为切割和空程两种，每一次切割形成一个轮廓。对每个轮廓找到其最小的X值、最大的x值、最小的y值及最大的y值。对每个轮廓进行判断，如图2所示。对于轮廓A和B，A的最小X值大于B的最小X值，A的最大X值小于B的最大X值，A的最小y值大于B的最小y值，A的最大y值小于B的最大y值，则B包含A。

图2轮廓判断图

　　根据上述的计算结果，可以形象比喻成一棵包含关系的树，先对树的次序排列，再对每个轮廓在该树上均处于某个层次上进行排列。我们定义，根为第一层，其下为第二层，这样每个轮廓均可得到一个层次号，层次号越高则越处于内部。

　　以切割一组字体为例：如果定义加工轨迹为按层次号的大小来排序，势必导致加工效率的低。下，因为多字加工时会跳字加工，从而导致多余的空走。事实上如果不是错误的话，每个字的最外层轮廓均处在第二层上，即边框(边框是虚拟出来的，把加工界面的最大尺寸作为整个图形的最外层，其层号为1)的里面一层，这样完全可以一个字一个字的加工，因此我们定义的力n-c_轨迹是对每个处于第二层上的轮廓进行顺序加工，而对于该轮廓的加工则采用对该轮廓包含的所有轮廓按层次号大小进行排序加工，先大后小。

　　(2)速度均衡处理

　　实际加工时，按照一段一段直线来运行。如果对于每一段直线均采取同样的加工速度，势必导致步进电机的运行丢步。因为当加工路径出现锐角时，电机加速度要求过高，必然导致丢步。如果对于每一段直线均采取加速、匀速、减速3段方式执行的话，有如下缺点：首先是加工质量下降，由于电机行走速度不稳，导致加工断面的不平整；其次是很短的直线不够加减速的行程；再次是加工效率低下。

　　我们采用的方案是根据当前要加工直线的下一段直线与本直线的夹角来决定。本段直线是否需要减速，减速到什么速度，根据当前的速度(即当前要加工直线的起点的速度，也是上一段直线加工结束时的速度)的大小及方向决定本段加工直线是否需要加速以及从什么速度加速。这样在加工平滑路径时能保持较均匀的速度，而加工锐角路径时又能够加减速，从而保证步进电机的正常运行而不会产生丢步。

　　如图3所示，我们定义在一个直线段的终点的速度与本直线段下一直线段的夹用成一函数关系。根据对各种步进电机的矩频特性曲线及负载大小情况，我们提供了多种函数，以适应不同的机械结构和电机参数。以下举几个例子：

图3程序处理流程图

　　在AB、BC段，&alpha;1<&pi;／2，一般不需要加减速处理；在BC、CD段，钝角(&alpha;12&ge;&pi;／2)加工路径时要根据不同的电机特性进行加减速处理，提供了直线方程、二次方程和自定义方程的3种加减速方式，可以满足任意加减速要求。

　　根据上述的数学模型，应用c语言编制了激光加工运行程序，经过反复实验取得了理想的效果。

　　对某一组矢量轮廓曲线，经过以上程序软件的自动排序及速度设置后，将分别作用在X、Y分量上的路径通过转换输出程序，生成能够驱动步进电机的脉冲代码，直接经过计算机并口输出。由于对激光加工运行方式从软件程序上进行了较精确的处理，因此在输出方面取消了传统的位控板输出方式(见主程序框图)。

4 结束语

　　新型的激光加工数控软件在实用性方面做了进一步改进，如增加了自动回零定位、局部重复加工及动态运行速度的调整等功能。该软件现已装备在天津市激光技术研究所生产的多台中小功率激光加工设备上，并受到用户的一致好评。