1 引言 世界上第一臺(tái)激光器誕生于1960年，我國于1961年研制出第一臺(tái)激光器，40多年來，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。其中激光雕刻和激光切割是當(dāng)前激光應(yīng)用較多的領(lǐng)域。激光雕刻應(yīng)用包含：廣告業(yè)、標(biāo)牌標(biāo)識(shí)行業(yè)、工藝禮品行業(yè)、玩具行業(yè)、建筑裝飾行業(yè)、印刷制版行業(yè)等，應(yīng)用材料包括有機(jī)玻璃、大理石、瓷磚、水晶、玉石、竹簡、木制品、塑料、紙張、塑膠板等非金屬材料。激光切割應(yīng)用包含：汽車行業(yè)、計(jì)算機(jī)、電氣機(jī)殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、亞克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機(jī)件用銅板、一些金屬網(wǎng)板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。 目前，國內(nèi)專門生產(chǎn)激光雕刻、切割設(shè)備的廠家很多，他們的競(jìng)爭已由激光器技術(shù)轉(zhuǎn)向?qū)す庠O(shè)備和加工工藝的有效控制。能否有效解決如下問題已經(jīng)成為了競(jìng)爭成敗的關(guān)鍵： 高速激光掃描和快速推進(jìn)引起的振動(dòng) 掃描幅面大小和掃描精度 激光的同步掃描和往復(fù)掃描錯(cuò)位 設(shè)備在任意復(fù)雜軌跡下運(yùn)動(dòng)的高速和穩(wěn)定性 變速切割過程激光功率的同步變化 加工過程的可靠及安全性問題等 2 MPC6515介紹 MPC6515控制器是專為激光雕刻及切割機(jī)器控制系統(tǒng)開發(fā)的脫機(jī)控制卡，該控制卡可實(shí)現(xiàn)完全脫離計(jì)算機(jī)運(yùn)行，計(jì)算機(jī)完成圖形編輯、參數(shù)設(shè)置和路徑優(yōu)化等，并生成加工數(shù)據(jù)文件，加工數(shù)據(jù)文件可拷貝到U盤，通過MPC6515上的USB接口將數(shù)據(jù)下載到控制器，之后便可以通過控制面板PAD03進(jìn)行加工操作。控制器的組成如圖1所示。 MPC6515主要功能包括： （1）主USB技術(shù)，真正的脫機(jī)運(yùn)行并方便控制器升級(jí)； （2）從USB技術(shù)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)下載可達(dá)0.5M/s; （3）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通訊協(xié)議，方便與HMI設(shè)備聯(lián)接； （4）高速雕刻的位置映射，實(shí)現(xiàn)高速高精度平面雕刻； （5）微線段跨段加減速控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)切割加工過程高速和平穩(wěn)； （6）靈活的激光功率控制模式，PWM控制或者模擬量控制。 3 高速掃描雕刻解決方案 針對(duì)高速雕刻加工的需求，MPC6515基于開辟的RAM區(qū)，采用位圖象素控制，不僅解決了大幅面圖形的處理，而且實(shí)現(xiàn)了在同步掃描中，采用了將運(yùn)動(dòng)指令和激光開關(guān)光指令結(jié)合的方法，提高了掃描精度，保證了雕刻質(zhì)量。其控制原理如下述。 為了存儲(chǔ)大量的掃描數(shù)據(jù)和達(dá)到同步掃描的目的，MPC6515巧妙地利用了FPGA內(nèi)置的2MBit塊RAM資源來存儲(chǔ)每行的圖像數(shù)據(jù)。MPC6515控制器利用內(nèi)部的9根地址線尋址的32Bit數(shù)據(jù)總線接口的RAM區(qū)，即16KBit。如果每個(gè)掃描象素為0.1mm，按最高的掃描精度，則理論上掃描幅面可以達(dá)到1.6m。掃描從低位地址向高位地址，從每行的 低位向高位依次進(jìn)行。每個(gè)掃描脈沖，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光頭前進(jìn)一步，同時(shí)從RAM區(qū)中讀取一個(gè)圖形數(shù)據(jù)，并根據(jù)讀取數(shù)據(jù)的‘1’或‘0’的狀態(tài)決定是否開關(guān)光。因?yàn)镈SP每次向FPGA的RAM區(qū)寫入一行圖形數(shù)據(jù)512×32Bit，所以在對(duì)這些16KBit數(shù)據(jù)處理期間，DSP不需再向FPGA寫數(shù)據(jù)。不僅大大提高了激光設(shè)備的工作效率，而且也保證了掃描的同步性，對(duì)于往復(fù)掃描出現(xiàn)的整體錯(cuò)位，為在軟件上進(jìn)行反向補(bǔ)償也提供了可行性。 在同步掃描時(shí)，為了提高掃描精度，改善圖像質(zhì)量，MPC6515內(nèi)部提供了一個(gè)8位激光控制寄存器LCR，通過設(shè)置LCR的大?。?～255），來達(dá)到提高掃描精度的目的。 4 高速切割解決方案 在激光切割過程中，為提高效率，需要提高切割速度，即激光頭沿曲線運(yùn)動(dòng)的矢量速度。由于構(gòu)成任意圖形的曲線不一定是光滑的，即可能存在數(shù)學(xué)意義上的拐點(diǎn)，而若光頭沿圖形軌跡以恒定的矢量速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著速度的提高，在拐點(diǎn)處可能出現(xiàn)機(jī)械沖擊，這是因?yàn)楣拯c(diǎn)處矢量速度的方向發(fā)生變化產(chǎn)生加速度，而若該加速度超過機(jī)械允許的值，就會(huì)引起機(jī)械沖擊，因此若要提高加工速度又要避免沖擊，則有兩種解決方案： （1）拐點(diǎn)處平滑過渡； （2）拐點(diǎn)處減速，即降低矢量速度大??； 第一種方案對(duì)于比較復(fù)雜的圖形，因需要大量的平滑過渡處理，反而會(huì)使總體效率降低。因此第二種方案比較可行，但若每一處拐點(diǎn)均將速度降到一個(gè)設(shè)定值，則也會(huì)降低總體效率。故需要研究一個(gè)算法，來計(jì)算處理每一個(gè)拐點(diǎn)處的降速問題，使得提高總體加工效率的同時(shí)又要避免沖擊。從提高總體加工效率的角度，在拐點(diǎn)處的降速幅度不能太大，而且所要降到的速度與拐點(diǎn)形狀有關(guān)。 如圖2所示，為一段曲線局部放大后的形狀。其中B、C、D點(diǎn)處會(huì)因?yàn)槭噶克俣确较虬l(fā)生變化產(chǎn)生加速度，若整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中矢量速度大小為一個(gè)常速，則B、C、D三點(diǎn)處的加速度值從大到小依次為:B>C>D。若要使得三點(diǎn)處加速度小于或等于機(jī)械允許的加速度，則需要在這三點(diǎn)處將矢量速度大小降到一個(gè)合適的值，顯然這三點(diǎn)處的矢量速度大小值應(yīng)不相等，因此需要建立拐點(diǎn)處矢量速度大小與加速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系： 如圖3所示，由P1、P2、P3三個(gè)點(diǎn)確定了相鄰兩個(gè)線段，根據(jù)這三個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)，可以求出兩個(gè)線段的單位矢量、、 設(shè)P2點(diǎn)處的矢量速度大小為vP2，經(jīng)過Δt時(shí)間后，矢量速度方向由變成，由此產(chǎn)生的加速度為： [align=center][/align] 令，即為拐彎加速度參數(shù)，則可得拐彎點(diǎn)處的速度值與加速度和幾何量之間的關(guān)系： 根據(jù)以上原理，在給定時(shí)間，可以對(duì)由n條微線段組成的任意曲線求出n-1個(gè)銜接點(diǎn)處的速度?？紤]到整個(gè)曲線加工過程中速度不能超過設(shè)定的加工速度，因此，當(dāng)銜接點(diǎn)處計(jì)算速度超過設(shè)定加工速度，則認(rèn)為該點(diǎn)處不需要降速。根據(jù)設(shè)定的矢量加速度、加工速度、銜接點(diǎn)處的計(jì)算速度，可以得出如圖4的速度曲線。 5 總結(jié) MPC6515是激光雕刻、切割應(yīng)用的專用運(yùn)動(dòng)控制卡，它針對(duì)激光雕刻、切割工藝進(jìn)行了軟硬件系統(tǒng)優(yōu)化,已被過內(nèi)外眾多激光設(shè)備制造商選用。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集