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★ 深圳市大族智能控制科技有限公司 封雨鑫，李桂勝，朱李成

1　目標(biāo)和概述

1.1　行業(yè)挑戰(zhàn)

國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)針對(duì)激光切割數(shù)控系統(tǒng)的研究起步較晚，目前研發(fā)出來(lái)的主要是基于運(yùn)動(dòng)控制板卡的簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較封閉，數(shù)據(jù)開(kāi)放性不足，在很多智能制造場(chǎng)合的應(yīng)用受到限制，只能滿足低端場(chǎng)合的應(yīng)用。高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)、架構(gòu)、算法和工藝等方面的技術(shù)要求較高，長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)外企業(yè)對(duì)我們實(shí)施嚴(yán)格的信息保密和技術(shù)封鎖，使得我們?cè)谶@一領(lǐng)域一直沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的突破。國(guó)外供應(yīng)高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的廠家有德國(guó)西門子、德國(guó)力士樂(lè)、德國(guó)倍福等公司。這些廠家通過(guò)多年的積累和產(chǎn)業(yè)沉淀，開(kāi)發(fā)出了具有行業(yè)代表性的高端激光切割數(shù)控系統(tǒng)，其產(chǎn)品不論是在結(jié)構(gòu)、功能還是穩(wěn)定性方面都有著非常大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，占據(jù)著激光切割數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)的主要高端市場(chǎng)。

近年來(lái)國(guó)際形勢(shì)的變化給高度依賴進(jìn)口的高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)帶來(lái)了非常大的不確定性，自主研發(fā)、自主可控迫在眉睫，高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)也有著非常巨大的社會(huì)效益，對(duì)于我國(guó)激光切割產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)健發(fā)展有至關(guān)重要的作用。

1.2　目標(biāo)和總體概述

激光切割技術(shù)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)高速發(fā)展，并迅速普及應(yīng)用，但激光切割設(shè)備最核心的控制系統(tǒng)尤其是高性能的數(shù)控系統(tǒng)，一直以來(lái)依賴于進(jìn)口，是一項(xiàng)“卡脖子”技術(shù)。本解決方案旨在攻克高實(shí)時(shí)性數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)、控制軟件、數(shù)控系統(tǒng)配套功能硬件、總線數(shù)據(jù)通訊等關(guān)鍵技術(shù)，打破國(guó)外對(duì)該類產(chǎn)品的技術(shù)壟斷，研發(fā)出具有全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)，以滿足高速發(fā)展的激光切割行業(yè)對(duì)高性能國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的迫切需求，實(shí)現(xiàn)高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，并成功應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品的性能指標(biāo)達(dá)到力士樂(lè)、倍福等國(guó)外廠家同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)國(guó)內(nèi)同類型企業(yè)產(chǎn)生良好的帶頭示范效應(yīng)，并推動(dòng)我國(guó)激光切割控制技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)向更高的水平發(fā)展。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)激光切割設(shè)備的研制和應(yīng)用正在高速發(fā)展，高端激光設(shè)備的應(yīng)用市場(chǎng)也越來(lái)越多地由國(guó)內(nèi)廠商取得，高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)需求日益增加，市場(chǎng)前景廣闊。本系統(tǒng)作為高端激光裝備的核心控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之后大批量替代進(jìn)口，可以節(jié)約大量成本，并縮短供貨和服務(wù)周期，與國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品相比，在同等性能和質(zhì)量前提下將會(huì)有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在本土競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。此外，隨著全球貿(mào)易形勢(shì)的惡化，國(guó)內(nèi)廠商對(duì)于核心技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化的要求越來(lái)越急切，這也將進(jìn)一步推動(dòng)本系統(tǒng)的快速應(yīng)用推廣。本系統(tǒng)將有力地推動(dòng)我國(guó)在高端裝備制造業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

2　方案詳細(xì)介紹

激光切割加工具有非接觸性、加工速度快、輪廓復(fù)雜多樣、工藝邏輯復(fù)雜等特點(diǎn)。激光切割數(shù)控系統(tǒng)相比于常規(guī)數(shù)控系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)控制有著一定的獨(dú)特性，因此對(duì)控制邏輯有著更高的要求。本系統(tǒng)是全新一代自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)數(shù)控系統(tǒng)，采用Intel四核高性能CPU平臺(tái)，配合無(wú)風(fēng)扇密閉鰭片散熱工控機(jī)，運(yùn)用高性能運(yùn)動(dòng)控制算法，集成自適應(yīng)軌跡數(shù)據(jù)處理、S型速度規(guī)劃、多軸插補(bǔ)/耦合等功能，在保證穩(wěn)定的前提下極大提升系統(tǒng)的性能。

2.1　高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)（如圖1所示）

圖1 高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用工業(yè)PC架構(gòu)，通過(guò)集成進(jìn)Windows系統(tǒng)的實(shí)時(shí)軟件進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)度。在非實(shí)時(shí)的應(yīng)用層運(yùn)行控制軟件及其他第三方軟件，與內(nèi)核之間通過(guò)共享內(nèi)存的方式進(jìn)行通信。系統(tǒng)與外部I/O及伺服通過(guò)EtherCAT總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)平臺(tái)采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，可以依據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度來(lái)配置硬件，并允許用戶方便快捷地將其所需要的功能自行集成到數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，能夠快速響應(yīng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展和變化。開(kāi)放式的數(shù)控軟件結(jié)構(gòu)，方便用戶將自定義的特殊功能快捷地集成到數(shù)控系統(tǒng)中；開(kāi)放式的數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實(shí)際控制需要來(lái)配置I/O模塊，能夠以最低的成本和復(fù)雜度來(lái)適應(yīng)各種類型數(shù)控機(jī)床的控制；采用廣泛使用的Windows操作系統(tǒng)，使用方便，資源豐富，便于用戶在此平臺(tái)上開(kāi)發(fā)自己的特殊功能和程序；支持多種不同型號(hào)、不同檔次的計(jì)算機(jī)硬件，可以根據(jù)用戶對(duì)性能、成本的不同要求進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件的靈活選配。

2.2　激光切割數(shù)控系統(tǒng)控制軟件研發(fā)

數(shù)控系統(tǒng)控制軟件作為數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，是向外（客戶）展示其功能及特性的窗口，也是客戶操作人員使用最多的系統(tǒng)執(zhí)行部件。軟件界面美觀大氣、控件豐富，操作便捷、功能齊全且運(yùn)行穩(wěn)定，控制精準(zhǔn)，響應(yīng)快速。

控制軟件展示如圖2所示。

圖2 高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)控制軟件

2.3　數(shù)控系統(tǒng)配套硬件模塊及接口研發(fā)

為實(shí)現(xiàn)高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制，開(kāi)發(fā)了數(shù)控系統(tǒng)配套硬件模塊和接口。配套模塊主要包括調(diào)高控制系統(tǒng)、軸控模塊、數(shù)字I/O模塊、模擬I/O模塊、脈沖控制模塊等，適配激光加工需求。

激光切割過(guò)程中需要實(shí)時(shí)地獲取工件表面與切割頭之間的距離值，并將該值反饋到系統(tǒng)進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，以使切割頭與工件表面保持一個(gè)固定的距離。調(diào)高控制系統(tǒng)是由傳感器-調(diào)高模塊-數(shù)控系統(tǒng)-電機(jī)組成的閉環(huán)系統(tǒng)，調(diào)高模塊獲取電容傳感器信號(hào)，并經(jīng)過(guò)信號(hào)處理傳送到數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)輸出控制量對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接傳感器，從而控制割嘴到板材的距離，保證焦點(diǎn)的準(zhǔn)確性。軸控模塊用于激光加工機(jī)床的軸運(yùn)動(dòng)控制。數(shù)字I/O模塊和模擬I/O模塊是激光切割機(jī)床的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制輸入輸出的通用I/O模塊。調(diào)高控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 調(diào)高控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

激光切割需要對(duì)激光的輸出參數(shù)進(jìn)行控制，要做到響應(yīng)速度快，同步性要求高。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與對(duì)激光參數(shù)的控制高度同步，首先對(duì)激光參數(shù)的控制輸出量直接從數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核產(chǎn)生，并且該輸出與運(yùn)動(dòng)控制的輸出同步，脈沖控制模塊接收到數(shù)控系統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation，PWM）參數(shù)之后，通過(guò)內(nèi)部芯片的計(jì)算，從芯片I/O口輸出相應(yīng)的脈沖波，經(jīng)過(guò)隔離電路和放大電路，最后輸出到激光器，從而控制激光器輸出相應(yīng)的脈沖光。

2.4　數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)與接口開(kāi)放

采用全EtherCAT數(shù)字總線通訊設(shè)計(jì)，調(diào)高控制系統(tǒng)、快速I/O模塊、通用I/O模塊、人機(jī)界面、操作系統(tǒng)等配套功能硬件均可以通過(guò)網(wǎng)線與系統(tǒng)主機(jī)連接，接線簡(jiǎn)單，高效穩(wěn)定。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)高度開(kāi)放，預(yù)留了數(shù)據(jù)接口，支持外部設(shè)備和第三方軟件從系統(tǒng)便捷地獲取各類數(shù)據(jù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)交互，很好地支持設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)。

2.5　安全措施設(shè)置

高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)采用了安全可靠軟加密和硬加密技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置License許可，用戶在購(gòu)買數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品獲得授權(quán)后，方可使用。系統(tǒng)設(shè)置了數(shù)據(jù)自動(dòng)保存?zhèn)浞菖c智能恢復(fù)、故障報(bào)警機(jī)制等諸多安全設(shè)置，其中報(bào)警機(jī)制包括內(nèi)核報(bào)警、PLQ報(bào)警和數(shù)控（Numerical Control，NC）程序報(bào)警?？刂栖浖邆淠Ｊ交ユi、操作互鎖、參數(shù)閾值防護(hù)等保護(hù)機(jī)制，確保操作安全。在硬件上也巧妙地設(shè)置了安全防護(hù)，其中工控機(jī)上設(shè)計(jì)了散熱鰭片，配套的操作面板設(shè)計(jì)了專用的加密模塊。數(shù)字I/O模塊、模擬I/O模塊等功能模塊上設(shè)計(jì)了溫度監(jiān)控，可及時(shí)響應(yīng)溫度異常故障?？紤]到傳感器散熱問(wèn)題，由僅對(duì)陶瓷環(huán)進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)改變?yōu)閷?duì)整個(gè)傳感器冷卻的結(jié)構(gòu)，使加工過(guò)程的溫升得到有效控制。結(jié)合結(jié)構(gòu)流體力學(xué)，設(shè)計(jì)出減弱影響電容感應(yīng)值的陶瓷環(huán)結(jié)構(gòu)，大幅提升了氣壓穩(wěn)定性。傳感器上增加溫度檢測(cè)功能，加工溫度異常時(shí)能夠及時(shí)停機(jī)，有效保護(hù)傳感器切割頭。上述設(shè)計(jì)，大幅提升了高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

3　代表性及推廣價(jià)值

3.1　應(yīng)用情況及效果

該系統(tǒng)作為高端激光裝備的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之后大批量替代進(jìn)口，打破了國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品對(duì)國(guó)內(nèi)高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的壟斷局面，可以節(jié)約大量成本，并縮短供貨和服務(wù)周期，將有力地推動(dòng)我國(guó)在高端裝備制造業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，普遍提升我國(guó)制造業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)效率，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

3.2　技術(shù)示范效應(yīng)

高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的所有軟硬件模塊實(shí)現(xiàn)全自主研發(fā)，打破激光切割機(jī)床在數(shù)控系統(tǒng)上對(duì)進(jìn)口技術(shù)的依賴。基于純軟核的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主機(jī)無(wú)硬件板卡，算法直接運(yùn)行在系統(tǒng)處理器上，最大限度提高運(yùn)算能力，既發(fā)揮出通用操作系統(tǒng)的資源和生態(tài)優(yōu)勢(shì)，又能夠滿足運(yùn)動(dòng)控制對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。通過(guò)自適應(yīng)的高性能運(yùn)動(dòng)控制算法，提升系統(tǒng)的控制性能；將軟件技術(shù)、控制技術(shù)與激光加工工藝深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光機(jī)電一體精細(xì)化控制和效率的提升。系統(tǒng)采用全數(shù)字化總線通訊，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，安裝調(diào)試方便，穩(wěn)定性高。

3.3　商業(yè)價(jià)值

激光切割數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模非?？捎^。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2019年一年，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售的激光切割設(shè)備就已經(jīng)超過(guò)4萬(wàn)臺(tái)，其中對(duì)性能要求較高的、需要配置高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)備約2萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)10億人民幣。隨著激光切割設(shè)備繼續(xù)以每年20%以上的速度高速增長(zhǎng)，高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的自主研發(fā)將會(huì)有著非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。母公司大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)的設(shè)備研發(fā)、制造能力和市場(chǎng)推廣能力也為本系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證和產(chǎn)業(yè)化提供了強(qiáng)力的支撐。本系統(tǒng)以良好的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)拓展市場(chǎng)規(guī)模、推動(dòng)高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)在激光行業(yè)的應(yīng)用，現(xiàn)年銷售量已超過(guò)1200套，年銷售收入超過(guò)5000萬(wàn)元。

3.4　社會(huì)價(jià)值

高速高精激光切割數(shù)控的成功研發(fā)與推廣應(yīng)用，達(dá)到了鍛煉研發(fā)隊(duì)伍和培養(yǎng)人才的效果，特別是為業(yè)界培養(yǎng)了一批激光切割控制系統(tǒng)、激光加工工業(yè)軟件研發(fā)相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人才，為企業(yè)、行業(yè)乃至國(guó)家培養(yǎng)了一批專業(yè)化的基礎(chǔ)工業(yè)人才，為高端國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展壯大做出積極貢獻(xiàn)。該系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展帶動(dòng)了基礎(chǔ)工業(yè)裝備和智能制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，有利于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，有利于提升我國(guó)工業(yè)制造的整體水平，為中國(guó)制造的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級(jí)提供強(qiáng)勁支撐。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年6月刊