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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)

國內(nèi)的研究機構(gòu)和企業(yè)針對激光切割數(shù)控系統(tǒng)的研究起步較晚，目前研發(fā)出來的主要是基于運動控制板卡的簡易控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較封閉，數(shù)據(jù)開放性不足，在很多智能制造場合的應(yīng)用受到限制，只能滿足低端場合的應(yīng)用。高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)對平臺、架構(gòu)、算法和工藝等方面的技術(shù)要求較高，長期以來國外企業(yè)對我們實施嚴(yán)格的信息保密和技術(shù)封鎖，使得我們在這一領(lǐng)域一直沒有取得實質(zhì)性的突破。國外供應(yīng)高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的廠家有德國西門子、德國力士樂、德國倍福等公司。這些廠家通過多年的積累和產(chǎn)業(yè)沉淀，開發(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競爭優(yōu)勢，占據(jù)著激光切割數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)的主要高端市場。

近年來國際形勢的變化給高度依賴進口的高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)帶來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效益，對于我國激光切割產(chǎn)業(yè)的長期穩(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)近年來在國內(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)，一直以來依賴于進口，是一項“卡脖子”技術(shù)。本解決方案旨在攻克高實時性數(shù)控系統(tǒng)平臺、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)，打破國外對該類產(chǎn)品的技術(shù)壟斷，研發(fā)出具有全自主知識產(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)對高性能國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的迫切需求，實現(xiàn)高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的國產(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、倍福等國外廠家同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對國內(nèi)同類型企業(yè)產(chǎn)生良好的帶頭示范效應(yīng)，并推動我國激光切割控制技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)向更高的水平發(fā)展。

近年來，國內(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)用市場也越來越多地由國內(nèi)廠商取得，高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的市場需求日益增加，市場前景廣闊。本系統(tǒng)作為高端激光裝備的核心控制系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之后大批量替代進口，可以節(jié)約大量成本，并縮短供貨和服務(wù)周期，與國外進口產(chǎn)品相比，在同等性能和質(zhì)量前提下將會有明顯的價格優(yōu)勢，在本土競爭將會具有絕對優(yōu)勢，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。此外，隨著全球貿(mào)易形勢的惡化，國內(nèi)廠商對于核心技術(shù)的國產(chǎn)化的要求越來越急切，這也將進一步推動本系統(tǒng)的快速應(yīng)用推廣。本系統(tǒng)將有力地推動我國在高端裝備制造業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，對我國激光產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步與發(fā)展起到積極的促進作用。

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。激光切割數(shù)控系統(tǒng)相比于常規(guī)數(shù)控系統(tǒng)，其運動控制有著一定的獨特性，因此對控制邏輯有著更高的要求。本系統(tǒng)是全新一代自主知識產(chǎn)權(quán)數(shù)控系統(tǒng)，采用Intel四核高性能CPU平臺，配合無風(fēng)扇密閉鰭片散熱工控機，運用高性能運動控制算法，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/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)，通過集成進Windows系統(tǒng)的實時軟件進行數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)度。在非實時的應(yīng)用層運行控制軟件及其他第三方軟件，與內(nèi)核之間通過共享內(nèi)存的方式進行通信。系統(tǒng)與外部I/O及伺服通過EtherCAT總線進行數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)平臺采用開放式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈活，可以依據(jù)機床的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度來配置硬件，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)控機床的發(fā)展和變化。開放式的數(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；開放式的數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)數(shù)控機床的實際控制需要來配置I/O模塊，能夠以最低的成本和復(fù)雜度來適應(yīng)各種類型數(shù)控機床的控制；采用廣泛使用的Windows操作系統(tǒng)，使用方便，資源豐富，便于用戶在此平臺上開發(fā)自己的特殊功能和程序；支持多種不同型號、不同檔次的計算機硬件，可以根據(jù)用戶對性能、成本的不同要求進行計算機硬件的靈活選配。

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)

為實現(xiàn)高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的精準(zhǔn)運動控制，開發(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。

激光切割過程中需要實時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)進行高度調(diào)節(jié)，以使切割頭與工件表面保持一個固定的距離。調(diào)高控制系統(tǒng)是由傳感器-調(diào)高模塊-數(shù)控系統(tǒng)-電機組成的閉環(huán)系統(tǒng)，調(diào)高模塊獲取電容傳感器信號，并經(jīng)過信號處理傳送到數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)輸出控制量對電機進行控制，電機通過機械結(jié)構(gòu)連接傳感器，從而控制割嘴到板材的距離，保證焦點的準(zhǔn)確性。軸控模塊用于激光加工機床的軸運動控制。數(shù)字I/O模塊和模擬I/O模塊是激光切割機床的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、過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

激光切割需要對激光的輸出參數(shù)進行控制，要做到響應(yīng)速度快，同步性要求高。為了實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)運動與對激光參數(shù)的控制高度同步，首先對激光參數(shù)的控制輸出量直接從數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核產(chǎn)生，并且該輸出與運動控制的輸出同步，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，通過內(nèi)部芯片的計算，從芯片I/O口輸出相應(yīng)的脈沖波，經(jīng)過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)計與接口開放

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

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)高度開放，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)自動保存?zhèn)浞菖c智能恢復(fù)、故障報警機制等諸多安全設(shè)置，其中報警機制包括內(nèi)核報警、PLQ報警和數(shù)控（Numerical Control，NC）程序報警。控制軟件具備模式互鎖、操作互鎖、參數(shù)閾值防護等保護機制，確保操作安全。在硬件上也巧妙地設(shè)置了安全防護，其中工控機上設(shè)計了散熱鰭片，配套的操作面板設(shè)計了專用的加密模塊。數(shù)字I/O模塊、模擬I/O模塊等功能模塊上設(shè)計了溫度監(jiān)控，可及時響應(yīng)溫度異常故障。考慮到傳感器散熱問題，由僅對陶瓷環(huán)進行冷卻的結(jié)構(gòu)改變?yōu)閷φ麄€傳感器冷卻的結(jié)構(gòu)，使加工過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功能，加工溫度異常時能夠及時停機，有效保護傳感器切割頭。上述設(shè)計，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)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之后大批量替代進口，打破了國外進口產(chǎn)品對國內(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，將有力地推動我國在高端裝備制造業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，普遍提升我國制造業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)效率，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和社會效益，對我國激光產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步與發(fā)展起到積極的促進作用。

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現(xiàn)全自主研發(fā)，打破激光切割機床在數(shù)控系統(tǒng)上對進口技術(shù)的依賴。基于純軟核的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主機無硬件板卡，算法直接運行在系統(tǒng)處理器上，最大限度提高運算能力，既發(fā)揮出通用操作系統(tǒng)的資源和生態(tài)優(yōu)勢，又能夠滿足運動控制對實時性的要求。通過自適應(yīng)的高性能運動控制算法，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，實現(xiàn)光機電一體精細(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，安裝調(diào)試方便，穩(wěn)定性高。

3.3　商業(yè)價值

激光切割數(shù)控系統(tǒng)市場規(guī)模非常可觀。據(jù)統(tǒng)計，僅2019年一年，國內(nèi)市場銷售的激光切割設(shè)備就已經(jīng)超過4萬臺，其中對性能要求較高的、需要配置高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)備約2萬臺，市場規(guī)模超過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，高速高精激光切割數(shù)控系統(tǒng)的自主研發(fā)將會有著非常可觀的經(jīng)濟效益。母公司大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團的設(shè)備研發(fā)、制造能力和市場推廣能力也為本系統(tǒng)的測試驗證和產(chǎn)業(yè)化提供了強力的支撐。本系統(tǒng)以良好的性價比優(yōu)勢拓展市場規(guī)模、推動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1200套，年銷售收入超過5000萬元。

3.4　社會價值

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)乃至國家培養(yǎng)了一批專業(yè)化的基礎(chǔ)工業(yè)人才，為高端國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展壯大做出積極貢獻。該系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展帶動了基礎(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，有利于提升我國工業(yè)制造的整體水平，為中國制造的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級提供強勁支撐。

摘自《自動化博覽》2022年6月刊