一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统及其方法与流程

本发明属于激光微孔加工数控机床领域，特别涉及一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统及其方法。

背景技术：

激光加工技术具有加工方式灵活、加工速度快、加工工件精度高、加工材料浪费少等一系列优点，广泛应用于机械制造、医疗器械、汽车、航空航天、电子电路等行业。数控技术随着制造业的发展和计算机技术的普及，在制造业中的应用也越来越广泛，是制造业信息化的重要组成部分。激光加工技术与数控机术相结合成为现代工业生产自动化的关键技术。

激光微数控机床是激光技术与数控技术结合的产物，但现有的激光数控机床在微孔加工方面无论从加工精度还是加工效率上都难以达到加工要求，同时还存在加工可靠性低的问题。

技术实现要素：

为了克服上述缺陷，本发明提供一种高精度、高可靠性、高效率和低缺陷的一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统及其方法。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案如下：一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统，包括：

工控机，用于根据用户的操作从工艺数据库获取加工参数，根据加工参数发送控制命令至数控系统，发送配置参数至协同控制单元，初始化激光器和加工头；

数控系统，用于根据控制命令完成对机床轴运动的控制，并向控制协同控制单元发送加工开始和结束信号即开关量；

协同控制单元，用于接收配置参数、数控系统发送的开关量以及加工头的调整电机反馈的位置信息，发送控制信号至激光器，实现圆形恒重叠率扫描螺旋加工控制。

所述协同控制单元包括：

ARM处理器，用于FPGA模块与工控机之间的通信，接收配置参数并提取所需参数发送给FPGA模块；

FPGA模块，用于接收ARM处理器传送过来的参数、驱动上偏旋转光楔的电机B的编码器反馈信息、驱动下偏旋转光楔的电机C的编码器反馈信息、驱动位移旋转光楔的电机A的编码器反馈信息以及同步时钟信号，输出控制激光器脉冲输出的GATE信号。

所述FPGA模块包括：

半径计算模块，用于接收加工头中电机B和电机C的编码器的反馈信息，根据两个编码器的反馈信息即可得到两个偏转光楔的当前位置，根据该位置计算出孔径控制角度，然后根据孔径控制角算出光束位置相对圆心的半径；

角度计算模块，用于接收电机A的编码器反馈信息，根据编码器反馈信息计算当前光斑旋转角度，其中光斑旋转360度则表示光斑扫过一圈；

GATE控制模块，用于根据半径模块计算得到的光束位置相对圆心的半径、角度计算模块得到的光斑旋转角以及同步时钟信号来控制GATE信号输出，从而控制当前位置的激光器脉冲输出。

一种基于工控机的激光微孔加工协同控制方法，包括以下步骤：

工控机，用于根据用户的操作从工艺数据库获取加工参数，根据加工参数发送控制命令至数控系统，发送配置参数至协同控制单元，初始化激光器和加工头；

数控系统，用于根据控制命令完成对机床轴运动的控制，并控制协同控制单元的开关；

协同控制单元，用于接收配置参数、数控系统发送的开关量以及加工头的调整电机反馈的位置信息，发送控制信号至激光器，实现圆形恒重叠率扫描螺旋加工控制。

所述圆形恒重叠螺旋扫描控制包括以下步骤：

1)孔径控制角计算：根据加工头中电机B和电机C编码器反馈的信息确定上偏旋转光楔和下偏旋转光楔的位置，根据光楔位置信息即可实时计算得到孔径控制角的大小；

2)光束位置相对圆心的半径：加工头控制光束做同心的螺旋扫描，光斑的扫描速度等于旋转速度，此时实际的光束位置和该时刻的孔径控制角度有如下关系：

r＝f*tan(k*a*sin(b))

其中：r为光束位置相对圆心的半径，f为聚焦镜的焦距；k为常数，根据光学镜片的材质而定；a为光楔角；b为孔径控制角。

3)求加工孔的最大半径：加工由圆心向外做螺旋运动，加工开始之前，根据ARM处理器传过来的变半径圈数，并计光斑每旋转360度记一圈；当光斑旋转的圈数等于变半径圈数时，此时半径模块计算得到的光束位置相对圆心的半径r即为加工孔的最大半径记为R；

4)确定激光器的加工重复频率：光束位置相对圆心的半径r和加工孔的最大半径R的比值与激光器最大输出频率的乘积即为当前被扫描处应具备的激光器输出的重复频率；

5)确定GATE信号输出：根据当前位置激光器应输出的重复频率和同步时钟信号确定GATE信号的输出。

本发明具有以下有益效果及优点:

1、充分利用工控机计算处理能力和存储能力强的优点，加快了加工过程

2、协同控制单元协调加工头和激光器工作，能够实时控制整个加工过程，确保了加工的可靠性和高效率，同时加工的工件精度高。

3、系统提供友好的人机交互界面，方便了操作。

附图说明

图1本发明的结构框图；

图2本发明的协同控制单元结构框图；

图3本发明的激光器脉冲输出时序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明控制系统结构如图1所示，系统控制结构主要由三部分组成，分别是：工控机控制部分、数控系统部分、协同控制单元部分。这三部分具体通信交互如下：

1)工控机和协同控制单元、数控系统通过RS232接口相连，接受来自协同控制单元的相关状态参数并传输给数控系统；同时读取加工头当前的运行参数和状态信息；控制激光器的开关以及接收激光器反馈的状态信息；

2)工控机通过RS232接口将工艺数据表的制孔工艺参数传送给数控系统和协同控制单元，通过RS485接口将工艺数据表的制孔工艺参数传送给光束扫描模块和激光器，由协同控制单元控制激光器的重复频率完成微孔加工；

3)协同控制单元通过加工头的调整电机的编码器同步输出差分信号获得当前的光斑位置信息；

4)协同控制单元通过控制GATE信号，控制激光功率密度。

其中，工艺数据库存储在工控机中，工艺数据库的参数、数据类型、单位及取值范围如表一所示。

表一

说明：

1)以上2～6为制孔机床坐标；

2)7～10为配合螺旋扫描的Z轴方向进给工艺参数；

3)11为制孔时激光器输出功率值；

4)12～17为制孔时四光楔光束扫描模块参数；

5)18为工序标识，用于标识激光制孔时四光楔扫描头扫描轨迹，包括：螺旋线扫描(标识号：0)、划圆环扫描(标识号：1)以及选择加工(标识号：2)方式，具体可根据配置文件定义或修改，选择加工方式中异形孔各顶点由单独软件界面以极坐标方式定义，该极坐标系中心点与异形孔中嵌套的圆孔中心同心。

本发明的协同控制单元结构框图如图2所示，协同控制单元包含ARM处理器、和FPGA模块。其中，

ARM处理器，用于进行通信处理和参数提取，并将提取的加工参数发送给FPGA模块；提取的加工参数包括光斑旋转速度、变半径圈数。

FPGA模块，主要包含三个模块：半径计算模块、角度计算模块、GATE控制模块，具体的：

1)半径计算模块，接收来自加工头的驱动上偏旋转光楔的电机B(以后简称电机B)和驱动下偏旋转光楔的电机C(以后简称电机C)的编码器反馈信息，根据电机B和电机C的编码器的反馈信息可得到两个偏转光楔的位置信息，从而可计算得到孔径控制角的大小，再根据光束位置和孔径控制角的关系即可求得此时光束位置相对圆心的半径；

光束位置相对圆心的半径：加工头中电机B和电机C通过控制上偏旋转光楔和下偏旋转光楔运动来控制光束相对圆心的半径的变化，此时实际的光束位置相对圆心的半径和该时刻的孔径控制角度有如下关系：

r＝f*tan(k*a*sin(b))

其中：r：光束位置相对圆心的半径；

f：聚焦镜的焦距；

k：常数，根据光学镜片的材质而定，对于具体的设备可以认为是常数,本发明实例中k取0.916；

a：光楔角，根据光学镜片的设计加工而定；

b：孔径控制角，是实际可以控制的对象；

2)角度计算模块，根据加工头中驱动位移旋转光楔的电机A(以后简称电机A)通过控制位移旋转光楔来控制光斑的扫描，光斑的扫描速度等于旋转速度，根据电机A的编码器反馈信息可计算得到此时光斑的旋转角度。

3)GATE信号控制模块，控制激光器的脉冲输出，具体实现过程如下：

①计算加工孔最大半径：在开始加工之前进行一次螺旋扫描，光束由圆心向外做螺旋运动，通过角度计算模块计算出当前光斑扫描的角度，光斑每扫描360度扫描圈数加一，一旦扫描的圈数与ARM处理器传过来的变半径圈数相同时停止扫描，此时半径计算模块得到的半径即为加工孔最大半径，记为R。

②计算当前位置激光重复频率：激光器的最大输出重复频率记为为F，加工时，根据半径计算模块计算得到的半径r，则当前位置的激光器输出重复频率(记为f)应为：f＝(r/R)*F。

③根据激光器当前应输出的重复频率f和同步时钟信号即可确定当前控制激光器的GATE信号输出情况，实现对激光器的脉冲选择，实时控制激光器在当前位置的功率密度。

本发明在圆形恒重叠扫描螺旋加工时激光器脉冲输出时序示意图如图3所示，具体过程如下：

加工头采用恒角速度按照螺旋线扫描的方式实现圆面加工，但随着螺旋线半径的增加将导致扫描过程中激光光斑重叠率的变化。总体趋势是越靠近圆心处光斑越密集，越远离圆心光斑越稀疏。

协同控制单元根据加工头中伺服电机B和伺服电机C传过来的编码器信息进行实时计算，并反算出当前被扫描处应具备的激光器输出的重复频率，通过激光器脉冲选择功能实时调节激光器实际输出的重复频率，就可以实现对加工的恒重叠率扫描螺旋加工优化。

激光器脉冲输出时序如图3所示，圆形恒重叠率扫描螺旋加工对时间特性的要求：

通信周期≤100ms；

选择加工的激光控制信号延迟≤500ns；

协同控制单元需对激光器GATE控制信号进行滞后补偿；

高速同步信号输出SYNC信号的上升沿和实际输出激光脉冲时序具有不确定性，故对GATE信号相对SYNC信号的时序应可调，调整范围取决最大重复频率(500KHz)。

激光器最大输出重复频率为500KHz，脉冲选取分辨率最高为1个脉冲。要求GATE信号脉宽可调，调整范围由激光器输出重复频率范围决定。

例如：激光器脉冲时序图中SYNC的上升沿超前OUTPUT约80ns±40ns，脉冲宽度约为60ns±20ns。通过及时打开和关闭GATE信号，即可在某个基频范围内选出需要重复频率的激光脉冲。

SYNC输出信号为TTL(5V)，阻抗50Ω。

GATE输入信号为TTL(5V)，阻抗300Ω(皮秒激光器)或4.7KΩ(飞秒激光器)。