激光束經(jīng)過聚焦以后可以獲得極高的能量密度束流，其激光功率密度可以達到105～108w／cm2。通常應(yīng)用于切割、制孔、焊接等方面。激光切割目前應(yīng)用最廣泛，占激光加工應(yīng)用的70％。與其他切割加工方法比較，激光切割具有速度快、精度高、適應(yīng)性廣的特點，而且具有切縫細、熱影響區(qū)小、切縫質(zhì)量好，尤其是易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點。近些年來，隨著激光切割的優(yōu)勢、特點及其在航空制造業(yè)中的作用、應(yīng)用效益逐漸被航空業(yè)內(nèi)人士認識，激光切割在航空加工領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，同時也對激光切割機床的性能提出了越來越高的要求。

　　西班牙FAGOR公司8055 CNC系統(tǒng)是一款具有強大的計算能力和處理速度、高度可靠的通用CNC系統(tǒng)，非常適合于激光加工機床控制。本文介紹了基于8055 CNC的三軸激光切割機控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。

1 8055 CNc系統(tǒng)的主要性能特點

　　(1)采用3個32位高速CPU，具有強大的計算能力和處理能力；6.5 ms程序段處理時間(可升級為2.5ms)；帶1 Mb的CNC程序存儲器。

　　(2)伺服軸可實現(xiàn)四軸四聯(lián)動，實際使用三軸三聯(lián)動，最高升級到七軸七聯(lián)動；系統(tǒng)支持數(shù)字探針；可另外控制2個主軸，在激光切割機中用于對激光功率進行控制；還可以預(yù)測拐點，從而實現(xiàn)切割尖角時對激光功率進行調(diào)整等功能，保證切割質(zhì)量。

　　(3)考慮到控制激光器所需I／0量較多，并且還要完成對水冷機組、氣路、外光路等部分的監(jiān)控，系統(tǒng)數(shù)字I／O點擴充為104／56。模擬量I／O為8／8路。

　　(4)編程語言采用ISO代碼(標準G代碼，M代碼由設(shè)計者定義)、高級語言、輪廓編輯器和交互式編輯器；具有示教方式下編輯功能；在加工程序中支持比例縮放、鏡像和旋轉(zhuǎn)變換等功能；最多支持1百萬個工件程序和1萬個子程序(在存儲器容量足夠的條件下)；子程序重復(fù)次數(shù)可達9 999次。

　　(5)中文操作界面。

　　(6)運動系統(tǒng)采用FAGOR數(shù)字化伺服驅(qū)動系統(tǒng)，與CNC之間采用SERCOS光纖接口進行數(shù)字通信，連接簡單，抗電磁干擾能力很強。還可直接在操作面板上實現(xiàn)伺服參數(shù)的設(shè)定，及伺服的狀態(tài)監(jiān)控。

　　(7)機床參數(shù)設(shè)置的分辨率可以達到0.1μm，進給速度為0.1μm／min到200 m／min，完全滿足用戶需要。

　　(8)具有RS232、422等標準通信接口，通過與PC機等的外設(shè)聯(lián)接，可以實現(xiàn)脫機編程、加工程序模擬及外部控制。利用DNS功能還可直接在PC機上直接執(zhí)行加工程序，徹底解決了由于CNC內(nèi)存有限而對加工程序大小的限制，還可以根據(jù)需要選配局域網(wǎng)卡、硬盤等。

2 與激光器的連接

　　在基于8055 CNC的三軸數(shù)控激光切割機的整個方案中，CNC與激光器的控制連接是很重要的一環(huán)，它直接關(guān)系到機床設(shè)計的成敗。激光器選用了美國PRC公司的PRC2200型的快速軸流C02激光器，激光最大平均功率2.2 kW，激光器控制接口為兩個50Pin D型接口，這些控制信號(包括激光器工作模式、功率、激光頻率、占空比等參數(shù)，還有控制光閘的信號，以及激光功率、報警信號等反饋信息)與CNC的I／O端口通過屏蔽電纜進行連接。在設(shè)計中，為方便用戶，對激光器實行雙路控制。使用者既可以通過加工程序?qū)崿F(xiàn)對激光器的完全控制，又能夠通過操作面板的按鈕控制激光器。同時激光器的各項狀態(tài)完全顯示在操作臺上，實現(xiàn)了集中操作。上半部分為8055 CNC操作面板，通過它可以完成對機床運動的操作、加工程序的編制，激光器以及外部設(shè)備的報警信號也顯示在屏幕上。下半部分為自制面板，按鈕用于設(shè)定激光器的狀態(tài)，3個LED可以顯示激光器的功率、氣壓和放電電流。

3 自動聚焦功能

　　在實際加工過程中，所切割的板材并不是一個理想的平面狀態(tài)，而是一個起伏的平面，加工的熱影響區(qū)也會改變工件的形狀。但激光切割對焦點位置要求較高，焦點位置過高或過低都將影響切割質(zhì)量。所以在切割過程中必須保證噴嘴位置和加工點之間的相對恒定，既噴嘴應(yīng)能夠根據(jù)板材的起伏變化，自動改變位置。我們通過安裝在切割頭上的傳感器，將噴嘴和加工點之間的距離轉(zhuǎn)化成電信號，并通過初始校驗，保證信號與噴嘴和加工點之間距離的線性關(guān)系，將此信號送給CNC進行處理。在加工過程中使Z軸處于隨動工作狀態(tài)，這樣CNC就可以根據(jù)從傳感器傳來的電信號的變化，隨時調(diào)整Z軸的位置，使噴嘴和加工點之間的距離保持相對的恒定。

4 加工過程中的功率控制

　　在激光切割中，尖角的切割是一個大的難題，因為在切割尖角部位時，容易因為過熱而產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致尖角部分被燒掉。為避免這種情況的出現(xiàn)，必須在切割到尖角的部位時，把切割功率降低，以阻止過熱情況的出現(xiàn)；但降低功率的位置又不能太早，否則可能造成切不透的情況。所以降低功率的起始點的選擇非常重要。這一功能的實現(xiàn)是通過對CNC編程實現(xiàn)的。由于FAGOR的CNC系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服，CNC能夠精確地知道各個軸的當前位置，并且可以判斷出正在加工的部分是否是尖角，所以當切割進行到尖角的某個位置時，CNC向激光器發(fā)送減小功率的信號，激光加工功率被降低；等尖角加工完成后，CNC再恢復(fù)激光加工功率。

5 自動編程軟件

　　由于客戶完全采用AUl、OCAD、CATIA軟件進行零件設(shè)計，而且零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量龐大，所以必須采用激光切割專用的CAM軟件，將AUTOCAD、CATIA的圖形文件直接轉(zhuǎn)化成加工程序，實現(xiàn)脫機編程。經(jīng)過調(diào)研，選用了PROQ州的激光加工模塊，它可將AUTOCAD、CATIA的DXF、IGES、DwG等圖形文件直接轉(zhuǎn)化成加工程序，并且該軟件還具有自動排料功能。使加工程序的編制基本上實現(xiàn)了自動化，配合FAGOR系統(tǒng)的脫機模擬功能，可在PC機上完成除加工以外的所有工作，最大限度地提高了機床的使用效率，降低了加工成本。

6 其他設(shè)備的控制

　　在整套設(shè)備中，除了床身、運動部分、激光器、控制系統(tǒng)以外，還有水冷機組、外光路、氣路、警示燈等部分；并配有計算機。

　　水冷機組必須與激光器保持同步，也就是激光器開，它就開；激光器關(guān)，它就關(guān)；在水冷機組出現(xiàn)故障停機時，激光器也必須關(guān)閉。加工輔助氣體的開、關(guān)有編程和手動兩種方式，在加工時必須有加工輔助氣體，如果輔助氣體壓力不足，系統(tǒng)將報警。機床還配有警示燈，在加工時開啟，提醒現(xiàn)場人員注意防護。

7 結(jié)束語

　　目前，機床已通過了客戶的最終驗收，并正式投入使用。所有指標都達到或超過客戶的要求，機床運行1年多以來，性能穩(wěn)定、可靠，所切割的零件均達到了設(shè)計的要求，由于采用了自動編程軟件等先進技術(shù)，極大地提高了勞動效率，得到了客戶好評。