★ 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　目標和概述

1.1　行業(yè)挑戰

國內的研究機構和企業(yè)針對激光切割數控系統的研究起步較晚，目前研發(fā)出來(lái)的主要是基于運動(dòng)控制板卡的簡(jiǎn)易控制系統，結構比較封閉，數據開(kāi)放性不足，在很多智能制造場(chǎng)合的應用受到限制，只能滿(mǎn)足低端場(chǎng)合的應用。高速高精激光切割數控系統對平臺、架構、算法和工藝等方面的技術(shù)要求較高，長(cháng)期以來(lái)國外企業(yè)對我們實(shí)施嚴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(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的突破。國外供應高速高精激光切割數控系統的廠(chǎng)家有德國西門(mén)子、德國力士樂(lè )、德國倍福等公司。這些廠(chǎng)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控系統，其產(chǎn)品不論是在結構、功能還是穩定性方面都有著(zhù)非常大的市場(chǎng)競爭優(yōu)勢，占據著(zhù)激光切割數控系統行業(yè)的主要高端市場(chǎng)。

近年來(lái)國際形勢的變化給高度依賴(lài)進(jìn)口的高速高精激光切割數控系統帶來(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控系統關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)也有著(zhù)非常巨大的社會(huì )效益，對于我國激光切割產(chǎn)業(yè)的長(cháng)期穩健發(fā)展有至關(guān)重要的作用。

1.2　目標和總體概述

激光切割技術(shù)近年來(lái)在國內高速發(fā)展，并迅速普及應用，但激光切割設備最核心的控制系統尤其是高性能的數控系統，一直以來(lái)依賴(lài)于進(jìn)口，是一項“卡脖子”技術(shù)。本解決方案旨在攻克高實(shí)時(shí)性數控系統平臺、控制軟件、數控系統配套功能硬件、總線(xiàn)數據通訊等關(guān)鍵技術(shù)，打破國外對該類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)壟斷，研發(fā)出具有全自主知識產(chǎn)權的高速高精激光切割數控系統，以滿(mǎn)足高速發(fā)展的激光切割行業(yè)對高性能?chē)a(chǎn)數控系統的迫切需求，實(shí)現高速高精激光切割數控系統的國產(chǎn)化，并成功應用于工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品的性能指標達到力士樂(lè )、倍福等國外廠(chǎng)家同類(lèi)產(chǎn)品標準，對國內同類(lèi)型企業(yè)產(chǎn)生良好的帶頭示范效應，并推動(dòng)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(lái)，國內激光切割設備的研制和應用正在高速發(fā)展，高端激光設備的應用市場(chǎng)也越來(lái)越多地由國內廠(chǎng)商取得，高速高精激光切割數控系統的市場(chǎng)需求日益增加，市場(chǎng)前景廣闊。本系統作為高端激光裝備的核心控制系統，實(shí)現產(chǎn)業(yè)化之后大批量替代進(jìn)口，可以節約大量成本，并縮短供貨和服務(wù)周期，與國外進(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，在本土競爭將會(huì )具有絕對優(yōu)勢，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。此外，隨著(zhù)全球貿易形勢的惡化，國內廠(chǎng)商對于核心技術(shù)的國產(chǎn)化的要求越來(lái)越急切，這也將進(jìn)一步推動(dòng)本系統的快速應用推廣。本系統將有力地推動(dòng)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(jìn)步與發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

2　方案詳細介紹

激光切割加工具有非接觸性、加工速度快、輪廓復雜多樣、工藝邏輯復雜等特點(diǎn)。激光切割數控系統相比于常規數控系統，其運動(dòng)控制有著(zhù)一定的獨特性，因此對控制邏輯有著(zhù)更高的要求。本系統是全新一代自主知識產(chǎn)權數控系統，采用Intel四核高性能CPU平臺，配合無(wú)風(fēng)扇密閉鰭片散熱工控機，運用高性能運動(dòng)控制算法，集成自適應軌跡數據處理、S型速度規劃、多軸插補/耦合等功能，在保證穩定的前提下極大提升系統的性能。

2.1　高速高精激光切割數控系統架構（如圖1所示）

圖1 高速高精激光切割數控系統架構

系統采用工業(yè)PC架構，通過(guò)集成進(jìn)Windows系統的實(shí)時(shí)軟件進(jìn)行數控系統的內核調度。在非實(shí)時(shí)的應用層運行控制軟件及其他第三方軟件，與內核之間通過(guò)共享內存的方式進(jìn)行通信。系統與外部I/O及伺服通過(guò)EtherCAT總線(xiàn)進(jìn)行數據通信。

系統平臺采用開(kāi)放式結構，結構靈活，可以依據機床的結構和復雜程度來(lái)配置硬件，并允許用戶(hù)方便快捷地將其所需要的功能自行集成到數控系統當中，能夠快速響應數控機床的發(fā)展和變化。開(kāi)放式的數控軟件結構，方便用戶(hù)將自定義的特殊功能快捷地集成到數控系統中；開(kāi)放式的數控硬件結構，可以根據數控機床的實(shí)際控制需要來(lái)配置I/O模塊，能夠以最低的成本和復雜度來(lái)適應各種類(lèi)型數控機床的控制；采用廣泛使用的Windows操作系統，使用方便，資源豐富，便于用戶(hù)在此平臺上開(kāi)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，可以根據用戶(hù)對性能、成本的不同要求進(jìn)行計算機硬件的靈活選配。

2.2　激光切割數控系統控制軟件研發(fā)

數控系統控制軟件作為數控系統的人機交互接口，是向外（客戶(hù)）展示其功能及特性的窗口，也是客戶(hù)操作人員使用最多的系統執行部件。軟件界面美觀(guān)大氣、控件豐富，操作便捷、功能齊全且運行穩定，控制精準，響應快速。

控制軟件展示如圖2所示。

圖2 高速高精激光切割數控系統控制軟件

2.3　數控系統配套硬件模塊及接口研發(fā)

為實(shí)現高速高精激光切割數控系統的精準運動(dòng)控制，開(kāi)發(fā)了數控系統配套硬件模塊和接口。配套模塊主要包括調高控制系統、軸控模塊、數字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進(jìn)行高度調節，以使切割頭與工件表面保持一個(gè)固定的距離。調高控制系統是由傳感器-調高模塊-數控系統-電機組成的閉環(huán)系統，調高模塊獲取電容傳感器信號，并經(jīng)過(guò)信號處理傳送到數控系統，數控系統輸出控制量對電機進(jìn)行控制，電機通過(guò)機械結構連接傳感器，從而控制割嘴到板材的距離，保證焦點(diǎn)的準確性。軸控模塊用于激光加工機床的軸運動(dòng)控制。數字I/O模塊和模擬I/O模塊是激光切割機床的數據采集、數據處理、過(guò)程控制輸入輸出的通用I/O模塊。調高控制系統架構如圖3所示。

圖3 調高控制系統架構圖

激光切割需要對激光的輸出參數進(jìn)行控制，要做到響應速度快，同步性要求高。為了實(shí)現數控系統運動(dòng)與對激光參數的控制高度同步，首先對激光參數的控制輸出量直接從數控系統內核產(chǎn)生，并且該輸出與運動(dòng)控制的輸出同步，脈沖控制模塊接收到數控系統的脈沖寬度調制技術(shù)（Pulse Width Modulation，PWM）參數之后，通過(guò)內部芯片的計算，從芯片I/O口輸出相應的脈沖波，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的脈沖光。

2.4　數據通訊設計與接口開(kāi)放

采用全EtherCAT數字總線(xiàn)通訊設計，調高控制系統、快速I(mǎi)/O模塊、通用I/O模塊、人機界面、操作系統等配套功能硬件均可以通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與系統主機連接，接線(xiàn)簡(jiǎn)單，高效穩定。

本系統數據高度開(kāi)放，預留了數據接口，支持外部設備和第三方軟件從系統便捷地獲取各類(lèi)數據，可以方便地實(shí)現設備的互聯(lián)互通和數據交互，很好地支持設備物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)。

2.5　安全措施設置

高速高精激光切割數控系統采用了安全可靠軟加密和硬加密技術(shù)。數控系統設置License許可，用戶(hù)在購買(mǎi)數控系統產(chǎn)品獲得授權后，方可使用。系統設置了數據自動(dòng)保存備份與智能恢復、故障報警機制等諸多安全設置，其中報警機制包括內核報警、PLQ報警和數控（Numerical Control，NC）程序報警?？刂栖浖邆淠Ｊ交ユi、操作互鎖、參數閾值防護等保護機制，確保操作安全。在硬件上也巧妙地設置了安全防護，其中工控機上設計了散熱鰭片，配套的操作面板設計了專(zhuān)用的加密模塊。數字I/O模塊、模擬I/O模塊等功能模塊上設計了溫度監控，可及時(shí)響應溫度異常故障?？紤]到傳感器散熱問(wèn)題，由僅對陶瓷環(huán)進(jìn)行冷卻的結構改變?yōu)閷φ麄€(gè)傳感器冷卻的結構，使加工過(guò)程的溫升得到有效控制。結合結構流體力學(xué)，設計出減弱影響電容感應值的陶瓷環(huán)結構，大幅提升了氣壓穩定性。傳感器上增加溫度檢測功能，加工溫度異常時(shí)能夠及時(shí)停機，有效保護傳感器切割頭。上述設計，大幅提升了高速高精激光切割數控系統的安全性、穩定性和可靠性。

3　代表性及推廣價(jià)值

3.1　應用情況及效果

該系統作為高端激光裝備的核心技術(shù)，實(shí)現產(chǎn)業(yè)化之后大批量替代進(jìn)口，打破了國外進(jìn)口產(chǎn)品對國內高速高精激光切割數控系統的壟斷局面，可以節約大量成本，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(guān)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，對我國激光產(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

高速高精激光切割數控系統的所有軟硬件模塊實(shí)現全自主研發(fā)，打破激光切割機床在數控系統上對進(jìn)口技術(shù)的依賴(lài)?；诩冘浐说拈_(kāi)放式數控系統結構，系統主機無(wú)硬件板卡，算法直接運行在系統處理器上，最大限度提高運算能力，既發(fā)揮出通用操作系統的資源和生態(tài)優(yōu)勢，又能夠滿(mǎn)足運動(dòng)控制對實(shí)時(shí)性的要求。通過(guò)自適應的高性能運動(dòng)控制算法，提升系統的控制性能；將軟件技術(shù)、控制技術(shù)與激光加工工藝深度結合，實(shí)現光機電一體精細化控制和效率的提升。系統采用全數字化總線(xiàn)通訊，系統硬件結構精簡(jiǎn)，安裝調試方便，穩定性高。

3.3　商業(yè)價(jià)值

激光切割數控系統市場(chǎng)規模非?？捎^(guān)。據統計，僅2019年一年，國內市場(chǎng)銷(xiāo)售的激光切割設備就已經(jīng)超過(guò)4萬(wàn)臺，其中對性能要求較高的、需要配置高速高精激光切割數控系統的設備約2萬(wàn)臺，市場(chǎng)規模超過(guò)10億人民幣。隨著(zhù)激光切割設備繼續以每年20%以上的速度高速增長(cháng)，高速高精激光切割數控系統的自主研發(fā)將會(huì )有著(zhù)非?？捎^(guān)的經(jīng)濟效益。母公司大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團的設備研發(fā)、制造能力和市場(chǎng)推廣能力也為本系統的測試驗證和產(chǎn)業(yè)化提供了強力的支撐。本系統以良好的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢拓展市場(chǎng)規模、推動(dòng)高速高精激光切割數控系統在激光行業(yè)的應用，現年銷(xiāo)售量已超過(guò)1200套，年銷(xiāo)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控的成功研發(fā)與推廣應用，達到了鍛煉研發(fā)隊伍和培養人才的效果，特別是為業(yè)界培養了一批激光切割控制系統、激光加工工業(yè)軟件研發(fā)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，為企業(yè)、行業(yè)乃至國家培養了一批專(zhuān)業(yè)化的基礎工業(yè)人才，為高端國產(chǎn)數控系統的發(fā)展壯大做出積極貢獻。該系統的產(chǎn)業(yè)化、規?；l(fā)展帶動(dòng)了基礎工業(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)結構的調整和優(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)轉型和升級提供強勁支撐。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年6月刊