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激光切割機的控制

發(fā)布時間:2021-11-10

激光加工設(shè)備因其具有高速、高精度、低損耗、高度靈活等優(yōu)點,越來越多地應(yīng)用在鈑金加工行業(yè)。激光加工包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標等。大功率激光切割機作為相對精密且昂貴的設(shè)備來說,應(yīng)當有高配的控制與之相匹配。本文就激光切割機的控制部分做以下闡述,以期讓大家有所了解。
  安全與控制
  安全門聯(lián)鎖
  由于激光加工設(shè)備有較高的速度與加速度,必須有相應(yīng)的保護來防止人闖入。普通的3015型CO2激光設(shè)備有廉價的門保護方案,即安全光柵,當有物體進入設(shè)備危險范圍內(nèi),正在運行的機床會立即停止。為美觀起見,推薦帶有安全門的設(shè)備,如蘇州領(lǐng)創(chuàng)激光科技有限公司(以下簡稱“領(lǐng)創(chuàng)”)的帶防護門的1530設(shè)備門上安裝有安全開關(guān),開關(guān)失靈或門被打開都會觸發(fā)信號使機床立即停止運行,安全性較高。
  激光控制
  激光的控制是激光切割機的重要控制對象,包括激光功率控制、激光開啟關(guān)閉控制、脈沖控制、故障顯示與排除等。對激光的控制,安全依然很重要。比如,在維修時將光閘鎖定,防止誤操作出光;由其他故障引起機床暫停時,迅速關(guān)光等。而激光的脈沖輸出、功率控制等,對于激光加工的工藝也至關(guān)重要,特別是脈沖,決定了厚板穿孔的速度與質(zhì)量。板越厚,穿孔就越不穩(wěn)定;厚板切割中,發(fā)生加工不良現(xiàn)象的大都是穿孔不好引起的。領(lǐng)創(chuàng)通過引進智能切割控制系統(tǒng)(ICS),顯著提高了穿孔的速度及質(zhì)量,并且減少了穿孔后停留的時間浪費,縮短了整個加工過程的時間。
  合理的邏輯安排
  合理的邏輯安排會有效地減少不必要的時間浪費,提高效率。合理的邏輯安排主要體現(xiàn)在蛙跳和跳段功能安排上。
  蛙跳功能,就是在X軸和Y軸插補空跑時,Z軸同時完成抬頭和隨動動作,從而節(jié)約運行了時間。因其運動軌跡是一條優(yōu)美的弧線,像是青蛙跳躍,故命名為蛙跳。
  跳段功能,就是在機床因故暫停后(處理故障的過程可能會退出加工程序或移動機床的軸),可以一鍵恢復(fù)到故障前的狀態(tài)繼續(xù)加工。
  伺服控制
  伺服控制指對物體運動的位置、速度及加速度等變化量的有效控制。與傳統(tǒng)的變頻器控制相比,伺服控制具有很多優(yōu)點。比如精度高、動態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速范圍大、過載能力高、體積小等。
  領(lǐng)創(chuàng)使用的電機是永磁同步電機(圖1),它的特點是同步,就是說,當控制電機定子磁場的強度和矢量方向后,外力是難以改變轉(zhuǎn)子的相對位置的,在額定力矩以內(nèi),無論外力怎樣變化,轉(zhuǎn)子都會自動產(chǎn)生一個回歸力,一旦擾動撤消,轉(zhuǎn)子即回歸原位。因此,電機具有較好的穩(wěn)定性。
圖1 伺服電機

  領(lǐng)創(chuàng)使用的檢測裝置是編碼器。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號,前者稱為碼盤,后者稱為碼尺。按照工作原理編碼器可分為增量式(圖2)和絕對式(圖3)兩類,這兩種形式的編碼器領(lǐng)創(chuàng)都有使用。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號,再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖,用脈沖的個數(shù)表示位移的大小,通常為A相、B相、Z相輸出,A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖輸出,根據(jù)延遲關(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn),而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進行2或4倍頻,Z相為單圈脈沖,即每圈發(fā)出一個脈沖。這種多見于日系產(chǎn)品?;蛘甙l(fā)出正余弦信號,再對其進行斬波,實現(xiàn)多倍頻。一般使用的編碼器都是增量式的。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼,因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān),而與測量的中間過程無關(guān)。典型的應(yīng)用就是光柵尺。絕對式編碼器的優(yōu)點十分顯著,每一個機械位置對應(yīng)一個碼,精確度較高,且無需確定參考原點,可實現(xiàn)全閉環(huán)控制。但是價格較高,特別是對于長距離的檢測反饋性價比更低。
圖2 增量式編碼器

圖3 絕對式編碼器

  伺服驅(qū)動器(圖4)是用來控制伺服電機的一種控制器,類似于變頻器對普通交流馬達。一般通過速度、位置、力矩三種方式控制伺服電機,實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖4 驅(qū)動器

  傳感技術(shù)的應(yīng)用
  傳感器是一種檢測裝置,它將外部感知的信號轉(zhuǎn)化為可用信號,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器類似于人類的五官,有人將傳感器的功能與人類的5大感覺器官相比較(光敏傳感器相當于視覺,聲敏傳感器相當于聽覺,氣敏傳感器相當于嗅覺,化學傳感器相當于味覺,壓敏、溫敏傳感器相當于觸覺)。在激光設(shè)備上應(yīng)用較多的是光敏傳感器、溫敏傳感器;還有些智能傳感器,它們是獨立的智能單元,可以檢測并智能分析外部信號。
  外部一些信號的讀入,必須依靠傳感器來實現(xiàn)。對于一些重要的信號,必須使用質(zhì)量性能可靠的傳感器。激光設(shè)備上主要應(yīng)用的傳感器有接近開關(guān)(圖5)、機械式開關(guān)、光電開關(guān)等,主要的應(yīng)用目的有軸參考點的檢測,硬件限位的限制,工位的檢測等,這些信號檢測至關(guān)重要。參考點定位了原點,工位檢測決定重復(fù)定位的精度,硬件限位事關(guān)安全。
圖5 接近開關(guān)

  良好的人機交互系統(tǒng)
  隨著觸摸屏(圖6)的快速發(fā)展,越來越多的激光設(shè)備開始將人機界面換成觸摸屏的形式,可以說觸摸屏即將成為客戶體驗不可缺少的一部分。工業(yè)觸摸屏是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的按鈕和指示燈的智能終端。它可以用來顯示參數(shù)、畫面、監(jiān)控狀態(tài)、曲線等,表現(xiàn)力更強,使用也更加方便,使得人機界面更加簡潔舒適。
  選擇觸摸屏時,屏的尺寸、色彩、分辨率、處理器速度、存儲容量、通訊方式等都是需要考慮的重要因素。
  在設(shè)計觸摸屏的時候要以用戶為中心,以人為本,理清操作順序,操作頻率,重要性,色彩和諧,字體美觀一致,操作區(qū)域一致,使得操作人員感到舒適。響應(yīng)時間是用戶非常直觀和在意的一項重要指標,人機界面的響應(yīng)時間太慢會使用戶感覺到煩躁,影響使用的心情,從而影響工作的熱情和人員操作準確性。不同進程的響應(yīng)時間差別太大同樣會使用戶感到不舒服。另外,一些常用的命令方式最好是觸摸與鍵盤并存,兩種使用方式供用戶選擇。
圖6 觸摸屏

  不過觸摸屏的維護也至關(guān)重要,維護不當會明顯降低其使用壽命;但是總體來說,利大于弊。
  機器人在激光設(shè)備上的應(yīng)用
  工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中能代替人做某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長時間作業(yè),或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè),例如焊接、涂裝、機械加工和簡單裝配等。
  多軸機器人加工程序的自動生成是一個技術(shù)難點,目前有一些軟件可以實現(xiàn),不過大多價格昂貴。介于機器人大部分應(yīng)用與重復(fù)工作的場合,一般只需要幾個加工程序,用示教的方式就可以解決。
  汽車行業(yè)的良好發(fā)展一定程度上帶動了工業(yè)機器人在激光設(shè)備上的應(yīng)用。由于激光焊接速度快、深度大、變形小、自動化程度高、靈活性高,在高標準、高要求的汽車領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如圖7所示是領(lǐng)創(chuàng)與西北工業(yè)大學合作的激光焊接機器人。
圖7 激光機器人

  配套的自動化設(shè)備
  在激光設(shè)備中,配套的自動化設(shè)備可以顯著降低人力成本,提高生產(chǎn)效率。在人力成本逐漸爬高,時間越來越昂貴的當代社會,這些自動化設(shè)備逐漸成為終端客戶的必選項目。
  交換工作臺
  交換工作臺是用于上料的自動化設(shè)備。在主機還在加工的同時,副工作臺就可以進行上下料,主工作臺處加工完畢后,可執(zhí)行交換命令交換主副工作臺,將上好料的工作臺移到加工位進行加工。該設(shè)備可以有效地節(jié)約上下料所浪費的時間。如圖8所示是領(lǐng)創(chuàng)生產(chǎn)的激光切割機的交換工作臺。

  自動上下料系統(tǒng)
  自動上下料系統(tǒng)(圖9)是代替人工搬運物料的機構(gòu)。可以減少企業(yè)人員投入,減輕人工工作的強度。
圖9 自動上下料裝置

  結(jié)束語
  國內(nèi)的激光設(shè)備與國外的還是有一定的差距,我們在不斷學習國外先進技術(shù)的同時也要不斷開拓進取,重視理論技術(shù)的研究,敢于嘗試,勇于質(zhì)疑。這樣才能不斷縮小我國激光設(shè)備與世界先進水平設(shè)備的差距,甚至超越國外先進,做出一流的設(shè)備。

——摘自《鈑金與制作》 2014年第4期
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