一种振镜式激光扫描大幅面材料成形加工控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工系统领域，更具体地，涉及一种振镜式激光扫描大幅面材料成形加工控制系统。
【背景技术】
[0002]振镜式激光扫描加工是一种高精度、高效率的先进加工方式，利用高能量光束与物质的相互作用、及伺服性能优异的终端执行器(扫描头)，对各类材料进行成形加工，其典型应用包括3D打印成形、激光标刻、激光焊接、激光切割等。振镜式扫描头由有限转角的伺服电机及其电机轴上的镜片构成，单套二维振镜式激光扫描系统包括2个扫描头，通过2个扫描头的运动配合，实现激光光斑在材料成形工作面上的运动，这种加工方式的主要不足在于单套激光扫描系统的扫描面积有限。
[0003]当前，工件尺寸大型化是材料加工的特点之一，对于大幅面材料成形加工，可采用单套分时加工和多套分区加工两种方式。单套分时加工方式只需单套振镜式激光扫描系统，如果超出激光扫描系统的有效扫描面积，将材料成形工作台与双扫描头固定位置作相对运动，便可实现大幅面材料成形加工，单套分时加工的优点在于系统结构简单，不足之处在于加工效率低；多套分区加工需要根据工件加工尺寸，配以多套振镜式激光扫描系统，例如:单套激光扫描系统的有效扫描面积为500mm X 500mm，材料成形加工面积为100mmX 1000mm，那么至少需4套激光扫描系统，N套振镜式激光扫描系统同时工作，材料成形面积、加工效率均是单套激光扫描系统的N倍，多套分区加工的优点在于加工效率高，能够适应大尺寸工件的高速成形加工需求，但其需保证各套激光扫描系统之间的协同运动，即需解决多套激光扫描控制系统之间的集成问题。
[0004]现有解决多套激光扫描控制系统集成问题的常规方案是将各激光扫描系统的运动控制卡插入上位机插槽，构成控制核心；运动控制卡一般基于PCI (PeripheralComponent Interconnect, PCI)总线与上位机进行通信，上层软件通过调用运动控制函数对运动控制卡进行操作，运动控制卡根据上位机发送的控制指令，输出符合要求的控制信号，这种基于运动控制卡的控制方式在行业中得到广泛使用。然而，进一步研究，上述控制方式仍然存在以下的缺点或不足:PCI是一种外围部件互联的局部总线，基于该PCI总线集成，多块运动控制卡插入上位机插槽，上位机体积相对较大、数控系统的扩展性相对较差；其次，PCI总线的工作频率为33MHz/66MHz，控制卡通过PCI总线和上位机通信，数控系统的实时性相对不高。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种振镜式激光扫描大幅面材料成形加工控制系统，结合采用多套振镜式激光扫描系统协同进行加工的特点，相应设计了可实现多套振镜式激光扫描系统协同运动的激光扫描控制系统，该系统基于EtherCAT (Ethernet for Control Automat1n Technology, EtherCAT)总线冗余环型拓扑结构连接，激光扫描主控制器为通信主站，多个激光扫描从控制器为通信从站；本发明可有效解决现有多套振镜式激光扫描系统协同运动的大幅面材料成形激光加工装备组态刚性、兼容性差、实时性低等问题，同时还具备平台兼容性好、稳定性高、通信速度快、实时性强等优点，适用于各类振镜式激光扫描大幅面材料成形激光加工系统中。
[0006]为实现上述目的，本发明提出了一种振镜式激光扫描大幅面材料成形加工控制系统，其特征在于，该加工控制系统包括激光扫描控制系统、激光扫描光学系统和上位机，其中:
[0007]该激光扫描控制系统为主-从结构，包括激光扫描主控制器和激光扫描从控制系统；其中，所述激光扫描从控制系统包括N个激光扫描从控制分系统；所述N个激光扫描从控制分系统的控制核心为N个激光扫描从控制器；所述激光扫描主控制器和N个激光扫描从控制器基于EtherCAT总线冗余环型拓扑结构连接，所述激光扫描主控制器作为EtherCAT通信主站，与所述第一个激光扫描从控制器以及第N个激光扫描从控制器相连，所述N个激光扫描从控制器作为EtherCAT通信从站，依次相连，其中N为大于I的正整数；
[0008]该激光扫描光学系统包括N个激光扫描光学分系统，所述N个激光扫描光学分系统包括N个光源、N个光束整形及聚焦组件和N个双振镜式扫描头；所述N个激光扫描光学分系统对应的由所述N个激光扫描从控制器控制；
[0009]该上位机用于实现材料成形加工过程的管理与监控，其通过总线与所述激光扫描主控制器双向通信。
[0010]作为进一步优选的，所述第一个激光扫描从控制器具有伺服和通信功能，其包括伺服控制模块和第一 EtherCAT通信模块；所述伺服控制模块控制底层单元，实现聚焦光斑在大幅面材料成形加工面上的扫描加工；所述第一 EtherCAT通信模块提供2个EtherCAT数据收发端口，用于所述第一个激光扫描从控制器与所述激光扫描主控制器以及第二个激光扫描从控制器间的基于EtherCAT总线冗余环型拓扑结构的网络连接。
[0011]作为进一步优选的，所述激光扫描主控制器包括第二 EtherCAT通信模块，所述第二 EtherCAT通信模块提供2个EtherCAT数据收发端口，用于所述激光扫描主控制器与所述第一个激光扫描从控制器以及第N个激光扫描从控制器间的基于EtherCAT总线冗余环型拓扑结构的网络连接。
[0012]作为进一步优选的，所述激光扫描主控制器提供多种总线通信接口，包括PCI总线、EtherCAT总线、RS-485总线、USB总线和CAN总线，用于与所述上位机的双向通信。
[0013]作为进一步优选的，所述上位机包括工业控制计算机、可编程逻辑控制器和高性能单片机。
[0014]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0015]本发明的振镜式激光扫描大幅面材料成形加工控制系统，面向大幅面材料成形加工过程中，多套振镜式激光扫描系统协同运动的应用领域。激光扫描控制系统采用主-从控制结构，由激光扫描主控制器与上位机双向通信，简化了整机数控系统的接线，优化了整机数控系统的结构；激光扫描主控制器和多个激光扫描从控制器基于EtherCAT总线冗余环型拓扑结构集成，提升了整机数控系统的扩展性、信息通信的速度和可靠性；激光扫描主控制器提供多种总线通信接口与上位机双向通信，包括PCI总线、EtherCAT总线、RS-485总线、USB总线和CAN总线，便于构建不同框架的整机数控系统，具有良好的开放性和兼容性、组态灵活。本发明解决了现有振镜式激光扫描大幅面材料成形激光加工装备组态刚性、实时性低等问题，适用于各类振镜式激光扫描大幅面材料成形激光加工系统，新开发装备获得更优异的产品品质；同时，在不改变原装备数控系统软件框架的前提下，快速完成装备的升级改造。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的加工控制系统的激光扫描控制系统方式结构示意图；
[0017]图2是本发明的加工控制系统的光束光路示意图；
[0018]图3是本发明的激光扫描控制系统的基于EtherCAT冗余环型拓扑集成示意图；
[0019]图4是本发明的基于EtherCAT通信的激光扫描从控制器原理图；
[0020]图5是本发明的基于EtherCAT通信的激光扫描主控制器原理图；
[0021]图6是本发明的基于PCI总线的加工控制系统结构示意图；
[0022]图7是本发明的基于EtherCAT总线的加工控制系统结构示意图；
[0023]图8是本发明的用于大幅面材料成形激光加工中时激光扫描控制系统数据流程图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0025]本发明提供的加工控制系统可用于各类振镜式激光扫描大幅面材料成形加工装备中，如3D打印成形机、激光标刻机、激光焊接机、激光切割机等，其基本原理是根据单套振镜式激光扫描光学系统的有效扫描面积大小，将大幅面材料加工面划分为“N”个小于或等于单套激光扫描光学系统加工幅面的区域，通常小于单套系统的加工额定幅面，以保证相邻区域有重叠，单套激光扫描光学系统由其对应的控制系统进行控制，其中，N为大于I的正整数。
[0026]如图1-3所示，本发明的一种振镜式激光扫描大幅面材料成形加工控制系统，其包括上位机1、激光扫描控制系统4、激光扫描光学系统5，其中，激光扫描控制系统4为主-从结构，包括激光扫描主控制器