全软件型激光切割机数控系统的研究讲解

浙江大学机械工程学系硕士学位论文全软件型激光切割机数控系统的研究姓名:李妮妮申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:陈章位20100101浙江大学硕士学位论文摘要摘要激光切割是激光加工行业中一项重要的应用技术,也是激光加工中应用最多的加工方式。目前激光切割已经被广泛地应用于各种机械制造加工行业。开放式数控系统是数控系统未来的发展趋势。全软件型数控系统是最新的开放式数控系统,提供了一种高度开放的体系结构,是当前数控领域的研究热点之一。本文开发全软件型激光切割机数控系统,实现对激光切割主机工作台的两轴联动控制和激光电源系统控制,本文的主要内容如下:第一章阐述激光切割机和数控技术在国内外的发展概况,阐述本文的研究目标和意义,提出本文的研究内容和研究方法。第二章介绍基于“ARM+CPLD”结构的全软件型数控系统的硬件设计方案,阐述这种结构的特点及优点,根据硬件设计方案,建立硬件系统。第三章介绍数控系统控制软件的开发工具c≠≠语言和c_jf|}语言的运行平台一一.NET平台,并对数控系统控制软件进行分析与设计,构建控制软件的相应模块。第四章介绍数控系统控制软件程序编制模块的实现方法,设计一种激光切割专用数控代码,研究CAD图形文件导入算法和激光切割路径规划算法。第五章介绍数控系统控制软件运动控制模块的实现方法,阐述数据采样插补算法的原理,提出优化的数据采样插补法,研究数控系统的中断控制算法,并进行运动控制实验,验证运动控制的准确性和重复性。第六章对全文进行总结,对后续工作进行展望。关键词:激光切割,全软件型数控系统,cjfj},路径规划,插补算法浙江人学硕士学位论文AbstractAbstractLasercuttingisanimportantapplicationtechnologyandthemostwidelyusedprocessingmethodinlaserprocessingindustry.Currentlylasercuttinghasbeenwidelyusedinallkindsofmachinerymanufacturingandprocessingindustries.TheopenCNCsystemisthedevelopmenttrendofCNCsystem.ThetotalsoftwareCNCsystemwhichisthelatestopenCNCsystemprovidesahi曲degreeofopenarchitecture.Anditbecomesoneofthehottestresearchsubjects.ThetotalsoftwareCNCsystemoflaser-cuttingmachinehasbeendevelopedinthispaper,whichCanimplementtwo—axiscontroloflaser-cuttingmachineandlasermonitoring.Thefollowingarethemaincontentsofthispaper:Thefirstchapterdiscussesthedevelopmentoflaser-cuRingmachineandCNCtechonologyathomeandabroad,explainsresearchobjectivesandresearchsignificance,proposesresearchcontentsandresearchmethods.ThesecondchapterdescribesthehardwaredesigningoftotalsoftwareCNCsystembasedonARMandCPLDstructure,disscussesthecharacteristicsandadvantagesofthisstructure,establishesahardwaresystemaccordingtothehardwaredesigning.ThethirdchapterdescribesthedevelopmenttoolsCsharplanguageofthecontrolsoftwareofCNCsystemand.NETruntimeplatformofCsharplanguage,analysisesthecontrolsoftware,andsetsupitsmodules.Theforthchapterdescribestheimplementationofprogrammingmoduleofcontrolsoftware,designsaspecialNCcodeforlaser-cutting,andstudiesfileconvertionalgorithmsofCADfilesandpathoptimalalgorithmsoflaser-cutting.Thefifthchapterdescribestheimplementationofmotioncontrolmoduleofcontrolsoftware,discussesthetheoryofsampleddatainterpolationalgorithm,proposesoptimalsampleddatainterpolationalgorithm,discussestheinterruptcontrolalgorithm,makesexperimentaboutmotioncontroltoverifytheaccuracyoftheIll浙江大学硕上学位论文Abstractmotioncontr01.Thelastchaptersummarizesthispaperandprospectesthefollowingresearch.Keywords:Lasercutting,TotalsofewareCNCsystem,Csharp,Pathplanning,Interpolationalgorithm.IV浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名:鹰斫匕增沙签字日期:沙,口年少月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解堑鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文作者签名:勘缈聊虢肋谚签字目期:少,J年;月日签字日期:年月日浙江人学硕上学位论文致谢致谢在论文完成之际,谨此向每一位教导过我的老师,帮助过我的同学致以最诚挚的感谢!衷心感谢我的导师陈章位教授。陈老师渊博的专业知识、丰富的工程经验和严谨的科研态度让我留下了深刻的印象,并且在我的科研工作中产生了深远的影响。陈老师不仅在研究上为我提供了良好的环境和悉心的指导,在生活上特别是职业规划上也给了我很多帮助和宝贵意见。在此,我谨向陈老师深深的谢意和最诚挚的祝福。这两年多的研究生学习期间,实验室的各位同学包括黄靖、王学孔、陈世泽、陈家焱、姚英豪、刘娟容等在学习和生活上都给予了我很大的帮助和支持,在此感谢这些同学陪伴我度过了这两年多的美好时光。最后,衷心感谢我的父母多年来在我的求学道路中给予的支持和鼓励。李妮妮2009年12月于杭州浙江大学硕上学位论文绪论1绪论1.1引言激光加工过程是激光与材料相互作用的过程,是非接触、无磨损、无噪声(或噪声很小、无切屑(或去除材料时产生极少量废屑的,基本上对环境不造成污染。激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控制技术的发展已经逐步发展成为一项新的加工技术。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点,对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等有很大帮助【11。激光切割是激光加工行业中一项重要的应用技术,也是激光加工中应用最多的加工方式,占整个激光加工业70%以上【21。激光切割-9其他切割方法相比,其显著优势是精度高、切缝窄、切割面光滑、切割速度快、切割质量好、不损伤工件、柔性好、无需额外的模具、仿形切割能力强。激光切割可切割碳钢,不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布,石英,陶瓷、玻璃、复合材料等【31。目前激光切割已经被广泛地应用于机床、工程机械、电气开关制造、电梯制造、特种汽车、石油机械、航空航天、家用电器制造、大电机硅钢片等各种机械制造加工行业。1.2激光切割机发展现状及趋势1.2.1国内发展现状自从第一台红宝石激光器于1960年问世以来,激光技术已被广泛应用到各行各业,比如:激光打印、CD唱盘与光盘、光纤通信、激光测距和激光扫描条形码等。在工业上,激光被用于四大加工领域:切割、焊接、标记与热处理【41。20世纪80年代中期,机械工业部济南铸造锻压机械研究所成功研制了国内第一台数控激光切割机,实现了我国在激光切割领域零的突破。进入20世纪90年代后期,随着企业体制的多样化、技术来源的多元化,我国数控激光切割机进入了快速发展的阶段,我国生产数控激光切割机的企业已经形成了一个梯队,包括济南铸造锻压机械研究所、济南铸锻所捷迈机械有限公司、江苏金方圆数控机床有限公司、上海团结普瑞玛激光设备有限公司、江苏扬力集团、深圳市大族激光科技股份有限公司、上海中剪机床厂等。目前我国拥有的整套的激光切割加工系统不足千台,而且分布在全国近200家的激光加工部门中,其中90%为二氧化碳激光器。国产激光切割机数控系统大多是引进FAGOR、FANUC等外国通用数控系统。这些系统虽然性能稳定,但是没有与切割工艺相关的专用功能,使用极为不便。而美国EDGE切割机数控系统价格较高且使用不便,难以被国产激光切割设备所采用。近年来北京机床研究所、济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究院相继推出了国产的数控激光切割机。国产数控激光切割机的主要特点是,价格较低,约是进口价格的三分之一;激光器功率较低,一般为1.5kw以下。与国外切割机相比切缝宽,表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差【51。1.2.2国外发展现状上世纪80年代以来,国际上不少国家都把激光技术列入国家发展计划。例如美国的“激光核聚变计划”、德国的“激光2000”、英国的“阿维系计划”、日本的“激光研究五年计划”等。这些计划的实施,使激光加工技术得到迅速发展,并形成具有勃勃生机的新兴高技术产业。国际上目前激光切割数控系统大多使用32位微处理器,控制精度较高,运算速度快,并且嵌入操作系统,操作界面简易美观。比如:瑞士百超公司最新开发了ByVision数控系统,具有高度集中的用户界面,使用简便。在15英寸触摸屏上提供了控制器的全部功能,同时,还集成了手动操作装置【61;意大利普瑞玛公司RAPIDO型三维激光切割机配置便携式控制器,用户界面精美,配置手动转柄【71。随着Intemet的飞速发展,网络应用越来越广泛,人们对各种工业控制设备的网络功能要求也越来越高。网络技术在激光切割领域也得到广泛地应用。激光切割机数控系统一般都配置以太网模块,可实现远程监控和远程数据传输,数据传送速度较快。1.2.3激光切割机的发展趋势经过几十年的发展,激光切割机在切割技术和数控系统两方面取得了长足的进步。随着更多的新技术的发展和新工艺的提升,为了应对新的市场需求,激光切割机正在向以下几方面发展【8】:(1高速、高精度激光切割机大功率激光器光束模式的改善及32位微处理器的推广,为激光切割设备的高速、高精度创造了有利条件。(2厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机随着可用于激光切