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激光切割,全软件型数控系统,cjfj},路径规划,插补算法
浙江人学硕士学位论文AbstractAbstract
Lasercuttingisanimportantapplicationtechnologyandthemostwidelyusedprocessingmethodinlaserprocessingindustry.Currentlylasercuttinghasbeenwidelyusedinallkindsofmachinerymanufacturingandprocessingindustries.TheopenCNCsystemisthedevelopmenttrendofCNCsystem.ThetotalsoftwareCNCsystemwhichisthelatestopenCNCsystemprovidesahi曲degreeofopenarchitecture.Anditbecomesoneofthehottestresearchsubjects.
ThetotalsoftwareCNCsystemoflaser-cuttingmachinehasbeendevelopedinthispaper,whichCanimplementtwo—axiscontroloflaser-cuttingmachineandlasermonitoring.Thefollowingarethemaincontentsofthispaper:
Thefirstchapterdiscussesthedevelopmentoflaser-cuRingmachineandCNCtechonologyathomeandabroad,explainsresearchobjectivesandresearchsignificance,proposesresearch
contentsandresearchmethods.
ThesecondchapterdescribesthehardwaredesigningoftotalsoftwareCNCsystembasedonARMandCPLDstructure,disscussesthecharacteristicsandadvantagesofthisstructure,establishesahardware
systemaccordingtothehardwaredesigning.
ThethirdchapterdescribesthedevelopmenttoolsCsharplanguageofthecontrolsoftwareofCNCsystemand.NETruntimeplatformofCsharplanguage,analysisesthecontrolsoftware,andsetsupitsmodules.
Theforthchapterdescribestheimplementationofprogrammingmoduleofcontrolsoftware,designsaspecialNCcodeforlaser-cutting,andstudiesfileconvertionalgorithmsofCADfilesandpathoptimalalgorithmsoflaser-cutting.Thefifthchapterdescribestheimplementationofmotioncontrolmoduleofcontrolsoftware,discussesthetheoryofsampleddatainterpolationalgorithm,proposesoptimalsampleddatainterpolationalgorithm,discussestheinterruptcontrolalgorithm,makesexperimentaboutmotioncontroltoverifytheaccuracyoftheIll
浙江大学硕上学位论文Abstractmotioncontr01.
Thelastchaptersummarizesthispaperandprospectesthefollowingresearch.
Keywords:
Lasercutting,TotalsofewareCNCsystem,Csharp,Pathplanning,Interpolationalgorithm.
IV
浙江大学研究生学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名:
鹰斫匕增沙签字日期:
沙,口年少月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解堑鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权逝姿太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书
勘缈
聊虢肋谚签字目期:
少,J年;
月日签字日期:
年月日
浙江人学硕上学位论文致谢致谢
在论文完成之际,谨此向每一位教导过我的老师,帮助过我的同学致以最诚挚的感谢!
衷心感谢我的导师陈章位教授。
陈老师渊博的专业知识、丰富的工程经验和严谨的科研态度让我留下了深刻的印象,并且在我的科研工作中产生了深远的影响。
陈老师不仅在研究上为我提供了良好的环境和悉心的指导,在生活上特别是职业规划上也给了我很多帮助和宝贵意见。
在此,我谨向陈老师深深的谢意和最诚挚的祝福。
这两年多的研究生学习期间,实验室的各位同学包括黄靖、王学孔、陈世泽、陈家焱、姚英豪、刘娟容等在学习和生活上都给予了我很大的帮助和支持,在此感谢这些同学陪伴我度过了这两年多的美好时光。
最后,衷心感谢我的父母多年来在我的求学道路中给予的支持和鼓励。
李妮妮2009年12月于杭州
浙江大学硕上学位论文绪论1绪论
1.1引言
激光加工过程是激光与材料相互作用的过程,是非接触、无磨损、无噪声(或噪声很小、无切屑(或去除材料时产生极少量废屑的,基本上对环境不造成污染。
激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。
激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点,对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等有很大帮助【11。
激光切割是激光加工行业中一项重要的应用技术,也是激光加工中应用最多的加工方式,占整个激光加工业70%以上【21。
激光切割-9其他切割方法相比,其显著优势是精度高、切缝窄、切割面光滑、切割速度快、切割质量好、不损伤工件、柔性好、无需额外的模具、仿形切割能力强。
激光切割可切割碳钢,不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布,石英,陶瓷、玻璃、复合材料等【31。
目前激光切割已经被广泛地应用于机床、工程机械、电气开关制造、电梯制造、特种汽车、石油机械、航空航天、家用电器制造、大电机硅钢片等各种机械制造加工行业。
1.2激光切割机发展现状及趋势
1.2.1国内发展现状
自从第一台红宝石激光器于1960年问世以来,激光技术已被广泛应用到各行各业,比如:
激光打印、CD唱盘与光盘、光纤通信、激光测距和激光扫描条形码等。
在工业上,激光被用于四大加工领域:
切割、焊接、标记与热处理【41。
20世纪80年代中期,机械工业部济南铸造锻压机械研究所成功研制了国内第一台数控激光切割机,实现了我国在激光切割领域零的突破。
进入20世纪90年代后期,随着企业体制的多样化、技术来源的多元化,我国数控激光切割机进入了快速发展的阶段,我国生产数控激光切割机的企业已经形成了一个梯队,包括济南铸造锻压机械研究所、济南铸锻所捷迈机械有限公司、江苏金方圆数控机
床有限公司、上海团结普瑞玛激光设备有限公司、江苏扬力集团、深圳市大族激光科技股份有限公司、上海中剪机床厂等。
目前我国拥有的整套的激光切割加工系统不足千台,而且分布在全国近200家的激光加工部门中,其中90%为二氧化碳激光器。
国产激光切割机数控系统大多是引进FAGOR、FANUC等外国通用数控系统。
这些系统虽然性能稳定,但是没有与切割工艺相关的专用功能,使用极为不便。
而美国EDGE切割机数控系统价格较高且使用不便,难以被国产激光切割设备所采用。
近年来北京机床研究所、济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究院相继推出了国产的数控激光切割机。
国产数控激光切割机的主要特点是,价格较低,约是进口价格的三分之一;
激光器功率较低,一般为1.5kw以下。
与国外切割机相比切缝宽,表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差【51。
1.2.2国外发展现状
上世纪80年代以来,国际上不少国家都把激光技术列入国家发展计划。
例如美国的“激光核聚变计划”、德国的“激光2000”、英国的“阿维系计划”、日本的“激光研究五年计划”等。
这些计划的实施,使激光加工技术得到迅速发展,并形成具有勃勃生机的新兴高技术产业。
国际上目前激光切割数控系统大多使用32位微处理器,控制精度较高,运算速度快,并且嵌入操作系统,操作界面简易美观。
比如:
瑞士百超公司最新开发了ByVision数控系统,具有高度集中的用户界面,使用简便。
在15英寸触摸屏上提供了控制器的全部功能,同时,还集成了手动操作装置【61;
意大利普瑞玛公司RAPIDO型三维激光切割机配置便携式控制器,用户界面精美,配置手动转柄【71。
随着Intemet的飞速发展,网络应用越来越广泛,人们对各种工业控制设备的网络功能要求也越来越高。
网络技术在激光切割领域也得到广泛地应用。
激光切割机数控系统一般都配置以太网模块,可实现远程监控和远程数据传输,数据传送速度较快。
1.2.3激光切割机的发展趋势
经过几十年的发展,激光切割机在切割技术和数控系统两方面取得了长足的进步。
随着更多的新技术的发展和新工艺的提升,为了应对新的市场需求,激光切割机正在向以下几方面发展【8】:
(1高速、高精度激光切割机
大功率激光器光束模式的改善及32位微处理器的推广,为激光切割设备的高速、高精度创造了有利条件。
(2厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机
随着可用于激光切割的激光器的功率增大,激光切割正从轻工业薄板的钣金加工向着重工业厚板切割方向发展。
(3三维立体多轴数控激光切割机
为了满足汽车、航空等工业的立体工件切割的需要,目前已发展了各种各样的五轴或六轴三维激光切割机,数控轴数达到九轴,加工速度快,精度高。
目前,三维激光切割机正向高效率、高精度、多功能和高适应性方向发展,其应用范围将会愈来愈大【91。
(4激光切割单元自动化和无人化
为了提高生产率和节省劳动力,目前激光切割机正向着激光切割单元无人化、自动化方向发展。
发展这种单元自动化系统,必须依赖于先进的自动控制、网络控制技术及计算机辅助管理系统技术等。
(5紧凑型和组合一体化数控激光切割机
随着激光器体积的缩小和功率的增大,以及辅助装置的不断完善,出现了把激光器、电源、主机、控制系统和冷却水循环装置等紧密地组合在一起,形成占地面积小、功能完善的整套紧凑型激光切割机。
此外,激光切割技术正与激光焊接以及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起,充分发挥激光加工的整体优势,向多功能的激光加工中心发展,进一步提高设备的利用率【lo】。
1.3数控技术的发展现状
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,这是集传统
的机械制造技术、计算机技术、现代控制技术、传感检测技术,网络通信技术和光机电技术等于一体的现代制造业的基础技术【11】。
自从1952年美国第l台数控铣床问世至今已经历了50多个年头。
数控技术在50多年里经历了2个阶段和6代的发展。
第1阶段:
硬件数控(NC。
包括3代发展阶段,第1代:
1952年的电子管;
第2代:
1959年晶体管分离元件;
第3代:
1965年的小规模集成电路。
第2阶段:
软件数控(CNC。
包括3代发展阶段,第4代:
1970年的小型计算机;
第5代:
1974年的微处理器;
第6代:
1990年基于个人PC机(PC—BASEO【12】
o
随着科学技术不断发展,数控技术的发展越来越快,数控技术正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展,其中最主要的趋势是开放式数控系统。
开放式数控系统属于开放式系统,具有开放式系统的基本特征。
1.3.1开放式系统的定义及特征
IEEE关于开放式系统的定义是:
能够在不同厂商的多种平台上运行,可以和其他系统的应用程序互操作,并且能够给用户提供一致性的人机交互方式。
开放式数控系统具有以下基本特征:
(1可互操作性。
通过提供标准化接121通讯和交互机制,使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台上,并获得平等的相互操作能力,协调工作。
(2可移植性。
系统功能软件与设备无关,即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商,并且通过一致的设备接t:
l,使各功能模块能运行于不同的供应商提供的硬件平台上。
(3可伸缩性。
系统的功能、规模可以灵活设置,方便修改,即可以增加硬件或软件构成功能更强的系统,也可以裁剪其功能以适应低端应用。
(4可互换性。
构成系统各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制,可根据其功能、可靠性以及性能要求相互替换,而不影响系统整体的协调性。
开放式数控系统是数控系统未来的发展趋势。
全软件型数控系统是最新的开
浙江人学硕士学位论文绪论放式数控系统。
1.3.2全软件型数控系统的特点
计算机技术的快速发展为数控系统的开放奠定了基础。
数控技术融入计算机技术,并随着计算机技术的迅速进步而快速发展。
全软件型数控系统是一种最新开放式数控系统。
NC嵌入PC构成的数控系统只是实现了有限的“开放”,还保留不少专用系统的痕迹,开放性不足,开发环境和支持手段也不足。
PC嵌入NC构成的数控系统是目前较为常见的。
这种系统的人机界面和非实时控制部分的定制是开放的,但是其核心部分运动控制和伺服控制是由专用控制芯片完成的,仍是封闭的,还没有达到完全开放。
全软件型数控系统是开放式数控系统的一个里程碑。
这种系统支持运动控制策略的用户自定义,其特点是控制软件全部装在计算机中,而硬件系统是计算机与伺服驱动、外部I/O之间的标准化通用接口。
用户可在特定平台上(如WindowsNT、WindowsCE利用开放的内核,开发所需的各种功能,构成各种类型的高性能数控系统。
它为用户提供最大的选择和灵活性。
全软件型数控系统虽然提供了一种高度开放的体系结构,但需要考虑操作系统的实时性、标准统一性和系统稳定性等一系列问题,是"
-3前数控领域的研究热点之一。
1.4研究目的和意义
近年来,激光切割技术发展很快,国际上每年都以15%一20%的速度增长。
我国自1985年以来,更以每年25%以上的速度增长。
据统计2006年在全世界共销售出输出功率在1KW以上的激光切割机约40000台左右,其中欧洲1600台、亚洲约1500台、美国约900台。
当前,我国激光工业基础较差,激光加工技术的应用尚不普遍,因此,在我国激光切割技术的推广和应用潜力很大。
我国激光切割机的关键技术如数控装置大多依靠国外引进,自行开发的数控系统多以单片机为控制核心,运行速度较慢,开放性不足。
本文以ARM为控制核心,开发全软件型激光切割机数控系统。
ARM在性能和功能上进行了多方面扩展,并且嵌
浙江大学硕士学位论文绪论入操作系统,使应用开发速度增快。
本文的研究内容对于发展和提高激光切割机数控技术有一定的理论意义和应用价值。
1.5课题的研究内容及研究方法
1.5.1研究内容
本文开发全软件型激光切割机数控系统,实现对激光切割主机工作台的两轴联动控制和激光电源系统控制。
研究内容主要包括以下几个方面:
(1数控系统硬件结构研究。
(2数控系统控制软件开发。
数控系统控制软件主要包括激光器控制参数设置与分析、CAD图形文件的导入与转换、加工图形编译、数控代码编译和加工路径规划等功能。
(3数控系统运动控制研究。
激光切割机的运动控制是指工作台的两轴联动控制,需要进行插补技术研究和实时控制研究。
1.5.2研究方法
(1设计数控代码。
数控系统常用的数控代码是G代码和M代码。
然而这些通用的数控代码无法满足激光切割的特有加工工艺要求,如激光控制、定时控制等。
本文设计一种新的数控代码,借鉴G代码和M代码的优点,增加激光切割机数控系统所需的加工功能。
(2加工路径规划研究。
加工路径规划包括加工路径的初步规划与优化。
加工路径初步规划是指根据加工轮廓绘制顺序确定加工顺序,加工轮廓之间以直线连接过渡,确定激光的切入点等。
加工路径优化问题可归结为旅行商问题。
旅行商问题的算法有很多,如最近邻算法、插入法、遗传算法和蚂蚁算法等,这些算法都有其优点和缺点。
针对激光加工的特点和现有算法的优缺点,对最近插入法进行改进,提出新的路径优化算法。
(3插补算法研究。
插补是数控系统一个极其重要的功能模块,其算法的选择将直接影响系统的精度,速度及加工能力范围等。
从插补计算输出的数值形式来分,主要有脉冲增量插补和数据采样插补。
脉冲增量插补算法比较简单,通
浙江大学硕七学位论文绪论常仅需几次加法和移位操作就可完成,比较容易用硬件实现。
数据采样插补算法就是使用一系列首尾相连的微小直线段来逼近给定曲线。
这些线段是按一定的时间周期来进行分割。
现代数控系统一般使用数据采样插补法。
本文也采用数据采样插补算法。
(4DXF图形文件格式转换。
CAD图形文件格式有很多种,其中DXF(DrawingExchangeFormat是一种绘图交换文件,是Autodesk公司开发的用于AutoCAD与其它软件之间进行CAD数据交换的CAD数据文件格式,是一种基于矢量的ASCII文本格式。
本文对DXF文件格式进行研究,实现DXF图形文件的导入与转换。
(5控制软件开发。
数控系统控制软件运行平台是WindowsCE5.0。
在WindowsCE操作系统上应用程序常用开发工具有EVC(EmbeddedVisualc++和c椒CSharp。
根据数控系统硬件平台基础和控制软件的功能需求,考虑到市场开发、程序的兼容性及网络功能的扩展,采用Cjfj}为主要编程工具,进行数控系统控制软件的设计与开发。
1.6小结
本章主要分析了激光切割机和数控技术在国内外的发展概况,阐述了本文的研究目标和意义,在此基础上提出了研究内容和研究方法。
2全软件型数控系统的硬件设计方案
2.1激光切割技术简介
2.1.1激光切割原理
激光的单色性好,并且具有很小的发散角,在理论上可聚焦到尺寸与光波波长相近的小斑点上,其焦点处的功率密度可达107W/锄2——10¨
W/em2,温度可高至上万摄氏度,因此,它是一种理想的切割热源。
激光切割是基于激光的特性,利用聚焦的高功率高密度激光束照射工件,激光束的能量以及切割过程所附加的化学反应热功当量能全部被材料吸收,能量的高度集中能够迅速局部加热,由此引起激光作用点的温度急剧上升,达到沸点后材料开始气化,并形成孔洞,随着激光束与工件的相对运动,最终使材料形成切缝,切缝处的熔渣被辅助气体吹除[131-【181。
激光切割装置示意图见图2.1。
切割面
图2.1激光切割装置示意图
2.1.2激光切割的主要工艺参数
动方向
(1切割速度
对给定的激光功率密度和材料,切割速度符合一个经验公式,只要在阈值以上,材料的切割速度与激光功率密度成正比,即增加功率密度可提高切割速度。
切割速度与被切材料的密度和厚度成反比。
当其他参数保持不变时,提高切割速度的因素是:
・提高功率(在一定范围内500--2000w
・改善光束模式(如从高阶模到低阶模直到TEMoo
・减小聚集光斑尺寸(如采用短焦距透镜聚焦
・切割低起始蒸发能的材料(如塑料、有机玻璃等
・切割低密度材料(如白松木等
・切割薄型材料
(2焦点位置
由于激光功率密度对切割速度影响很大,透镜焦长的选择是个重要问题。
激光束聚焦后光斑大小与透镜焦长成正比,一般来说,激光束经短焦距透镜聚焦后光斑尺寸很小,焦点处功率密度很高,对材料切割很有利;
但它的不利之处是焦深很短,调节余量小,一般比较适于高速切割薄型材料。
长焦长透镜有较宽焦深,只要具有足够的激光功率密度,就可用来切割厚工件。
在确定使用何种焦长的透镜以后,焦点与工件表面的相对位置对保证切割质量尤为重要。
由于焦点处功率密度最高,在大多数情况下,切割时焦点位置刚好处在工件表面,或稍微在表面以下。
在整个切割过程中,确保焦点与工件相对位置恒定是获得稳定的切割质量的重要条件。
当焦点处于最佳位置时,切缝最小,效率最高,最佳切割速度可获得最佳切割结果。
在大多数应用情况下,光束焦点
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