激光切割机控制系统软件的研究与开发

激光切割机控制系统软件的研究与开发学位申请人：周文聘学科专业：机械电子工程指导教师：王平江副教授陈吉红教授答辩日期:2007年05月29日AbstractAThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringTheResearchonControlSystemsoftwareofLaserCuttingMachineanditsDevelopmentCandidate:ZhouWenpinMajor:Mechanical&ElectronicEngineeringSupervisor:AssociateProf.WangPingjiangProfessorChenJihongHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaMay,2007Thirdly，dualgalvanometerscanningsystemisusedinthemachine.Thiskindofsystem。hashighaccuracyandhighefficiency，butalsohasshortcomingofgalvanometer’sscanninggeometrydistortion.Thearticlediscussesthereasonofthedistortionandit’scorrectingprinciple，proposessuitablecompensationmethodandexperiment，andeventuallyobtainsatisfyingcompensationresult.Keywords:NumericalControl,PartAutomaticLocation，PartDeformationCorrection，DualGalvanometerScanningSystem摘要激光是上世纪最重要的发明之一。在过去的20年里，它在工业领域内的应用不断增长并取得了很大的成功。激光切割技术是激光加工技术的重要组成部分。激光切割机应高速、高精的要求在向数控激光切割机的方向发展。为满足新型激光切割机的要求，开发效率高、精度高的激光切割数控系统，本课题采用双振镜扫描系统加二维直线马达工作台，实现振镜扫描运动和工作台运动的结合，既提高了切割速度和精度，又解决了振镜切割范围小的难题，实现大范围加工。本控制系统读取Gerber文件，从中提取加工信息，将加工轨迹图形化显示，使用户可以交互选取加工路径，进行切削加工，同时动态显示切割进程。本文的主要工作在于开发激光切割控制系统运动控制部分的软件、激光扫描误差补偿部分和柔性PCB板自动对准及变形误差补偿部分。首先，本文构建了基于激光振镜运动控制器的运动控制系统，通过对工作台、振镜和激光的协调控制，来实现工件的高质量切割加工。本系统软件采用VC++6.0工具进行开发，通过将运动控制卡提供的库函数进行包装来实现特定的功能，如发送运动指令、监控系统运行状态和显示运动参数等功能。其次，由于该系统的加工对象多为柔性印刷电路板，工件易变形、放置在工作台上无专用夹具，需进行工件的自动定位和变形加工校正工作。本系统以工件上的标记孔圆心点为基准、以CCD成像为工具来获取待加工工件的实际位置和实际变形。再以射影变换来实现其自动定位和变形加工校正，该方法实现了工件准确定位，提高了切割精度。再次，本系统采用的是双振镜扫描系统，该系统精度高、效率高，但是存在振镜的扫描图形失真问题。本文分析了扫描失真的原因以及扫描失真补偿的依据，给出合适的补偿方法并加以实验，取得了满意的补偿结果。关键词：数字控制工件定位工件变形校正双振镜扫描系统目录IV摘要·······································IAbstract····················································································II1绪论1.1引言·····································(1)1.2激光加工技术发展与现状···················(1)1.3激光切割技术综述·····························(3)1.4运动控制技术概述·····························(6)1.5本论文组织结构·······························(8)2激光切割机控制软件总体设计2.1激光切割机整体结构···························(9)2.2控制系统硬件及软件组成······················(10)2.3运动控制系统功能分析和软件结构设计········(11)2.4小结····································(14)3工件自动定位和变形加工校正技术3.1CCD的测量方法··························(15)3.2计算模型中的各个坐标系·················(17)3.3标记孔圆心点坐标获取·························(19)3.4坐标点的仿射变换和射影变换···················(25)3.5小结····································(32)4双振镜扫描切割系统及扫描图形失真的补偿4.1振镜扫描系统······························(33)4.2双振镜的控制原理·························(34)4.3振镜扫描系统几何失真的补偿··················(36)4.4小结······································(40)5激光切割机的切割控制系统5.1激光振镜运动控制器特点介绍···············(41)5.2基于激光振镜运动控制器的控制系统构成·········(42)5.3对电机、振镜和激光的协调控制·················(43)5.4控制器函数库及其使用························(49)5.5小结···································(50)6总结与展望6.1工作总结·································(52)6.2工作展望······························(52)致谢........................................................................................(54)参考文献......................................................................(55)1绪论1.1引言激光加工指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变或物体性能的改变的过程[1]。激光加工对提高产品质量、提高劳动生产率、减少污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。激光加工为材料加工工艺提供了一种理想实用的新手段[2]。激光也被誉为是“万能加工工具”、“未来柔性制造系统的共同加工手段”[3]，是当代具有代表性的先进制造技术。目前已开发20多种激光加工技术，应用于各个新工艺领域，如激光切割、激光标刻、激光打孔、激光焊接、激光表面热处理、激光快速成型、激光清洗、激光熔覆、激光光刻和存储等。激光加工技术的出现是对传统的加工工艺和加工方法具有重大影响的技术变革，很快被应用于汽车、电子电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要行业，推动了工业的快速发展，并产生巨大经济效益[4]。11.2激光加工技术发展与现状1.2.1国外发展情况国外的激光技术十分发达，特别是美国、德国、日本等国在不同的应用领域有着很大的优势[5]。激光技术与其他科学技术相结合，应用于国民经济众多领域，发展十分迅速。据ILS(IndustrialLaserSolutions)统计，全球工业激光系统的产值1997年为20.63亿美元，1998年为23.38亿美元，1999年为25.91亿美元，这三年年产值年增长率一直保持在13%左右。但2000年仅为27.76亿美元，年增长为7%左右，开始受到网络经济泡沫、美国和全球范围经济衰退的影响。在2003年1月ILS发表的校正后统计数字中，计入了2001年中国工业激光系统市场额增长的因素，2001年全球工业激光系统产值为28.75亿美元，比2000年增长9.6%。显然，中国的激光加工市场增幅已明显地牵动着国际激光加工市场。近两年的年增长率保持在3-5%左右，预计未来几年的年增长率将维持在5%左右[6]。工业激光系统的应用市场直接受到电子、微电子、光电子、通讯工业和微光机电一体化系统设备市场发展的影响。激光加工系统是满足上述新兴产业和先进制造技术装备所必备的。而CO2激光器、半导体激光器、半导体泵浦固体激光器、准分子激光器及其加工系统正是需求最大、发展最快的工业激光加工系统。从国外激光加工系统应用方式来看，以2001年为例，其中激光切割占总销售额的237%，激光标记占36%，激光焊接占12%，激光微加工占10%，激光打孔占2%，其它应用占3%[7]。激光加工在不同国家的各工业领域中的应用范围及程度是不同的。上世纪九十年代，美国、德国和日本的激光加工应用已很普遍。例如，日本在1990年的工业激光系统设备已达3000台，1997年高达5000台，至2000年日本的工业激光加工系统已约占全球的1/3[3]。国外的激光加工市场与中国国内的激光加工市场有非常大的区别，国外激光加工的起步是立足于高科技、高技术行业，如汽车制造工业，半导体工业等，而这些工业激光应用行业恰恰是十几年前我国比较弱小的行业。中国较发达的是轻工业、纺织业、服装业等。这些情况现在也恰恰给海外的工业激光制造厂家提供极好机遇，便于将成熟的中、高档工业激光系统打入中国市场。资料显示2001年亚洲CO2激光加工系统产量仅占全球的15%，固体激光加工系统产量仅占全球的28%，其中日本占主要份额[8～10]。1.2.2国内发展情况与其他高新技术相比，我国的激光技术研究是与国际水平差距相对较小的一个领域，与世界发达国家几乎同时起步。在1960年美国贝尔实验室发明红宝石激光器一年后，我国第一台红宝石激光器在长春光机所诞生，从此以后，我国在激光器和激光应用技术研究方面有了许多的成果。但由于受我国工业基础的约束等原因，激光器件的光机电一体化程度差，更没有形成产业化，直到进入九十年代激光产业才有较快的发展。国家“六五”至“九五”期间对激光技术基础研究的大力投入，己在北京、上海、武汉三地形成中国激光研究应用的三足鼎立之势。据统计，我国激光产业的总销售额在“八五”期间达到125.32亿元，平均年增长率达2.33倍，其中排在第一位的是光存储，第二位是测距、准直，第三位是激光医疗，第四位是激光加工设备。按照有关规划，我国激光产值2005年争取达到300亿元，2010年将达到400亿元。目前我国激光加工设备产业逐渐走向成熟。1993－2000年销售以年均40%的速度递增，1995年我国激光加工设备销售额为7326万元，1996年、1997年、1998年增长率分别为66.5%，27%，21%。2000年的激光加工设备额为3.4亿元，比1998年增长114%。“十五”期间，大功率激光切割、焊接设备在汽车业将会成倍增长，激光熔敷将会在汽车、船舶、轨钢等行业有一定的应用，专业从事激光切割切板、不锈钢板的加工站将会增加。目前，高档次的激光切割、焊接设备主要由国外厂商垄断，竞争十分