基于EtherCAT总线多轴同步运动的激光切割头的控制系统的制作方法

本发明涉及激光切割技术领域，具体地说是基于ethercat总线多轴同步运动的激光切割头的控制系统。

背景技术

激光切割广泛应用于金属和非金属材料的加工中，相比传统的加工方式，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。

近些年，随着激光切割的逐步普及，对不同类型材料的高效、优质切割需求越来越多。目前，这种发展趋势迫切需要提升现有激光加工制造工艺和技术，以实现对不同类型不同厚度材料的高精度、高效率、高质量切割。而在当前的激光切割加工过程中，为应对不同材料和不同厚度工件进行高质量的加工要求，需要精准地控制最终工艺参数。为了应对上述对激光加工不同工件参数的设定要求，目前大多对应措施是在设备停机后，通过操作人员手工重新进行设定相应的参数。然而，这一加工流程不仅依赖于现场相应的操作人员必须具有相对应的操作经验，还会大大增加工件加工时间并降低整套设备的加工效率。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术的不足，提供基于ethercat总线多轴同步运动的激光切割头的控制系统，利用ethercat总线技术，动态监控整个激光切割过程并收集相应工艺关键参数，根据切割材料特点，无需任何人工干预，自动调节光斑直径大小和焦点位置等参数，可以实现对不同材料、不同厚度的材料进行高质量、高效、低成本的快速加工。

为实现上述目的，设计一种基于ethercat总线多轴同步运动的激光切割头的控制系统，包括ethercat主站、poe供电控制板、激光切割头主控板、传感器控制板、数字式电容采集放大器、激光切割头电机驱动器，其特征在于：ethercat主站的信号端通过网口lan1双向连接激光切割头电机驱动器，激光切割头电机驱动器的信号端通过网口双向连接poe供电控制板的端口p1，poe供电控制板通过端口p4双向连接激光切割头主控板的端口p7；所述的激光切割头主控板内包括pd控制器、ethercat通讯控制器、第一主控板处理器、第二主控板处理器、镜片电机控制器、信号接收电路，pd控制器的信号输出端通过通讯线路连接ethercat通讯控制器的信号输入端，ethercat通讯控制器通过通讯线路双向连接第一主控板处理器，第一主控板处理器通过通讯线路双向连接第二主控板处理器，第二主控板处理器分别通过端口p14，p15，p16，p17双向连接镜片电机控制器；第一主控板处理器通过rs485通讯线路端口p18双向连接传感器控制板；所述的激光切割头电机驱动器的信号输出端通过线路连接激光切割头电机。

所述的信号接收电路的信号输出端通过通讯线路连接第二主控板处理器信号输入端p2，信号接收电路的信号输入端p2连接数字式电容采集放大器的信号输出端tp1。

所述的数字式电容采集放大器内设有信号放大电路及lc谐振电路。

所述的镜片电机控制器双向连接镜片电机驱动机构。

所述的传感器控制板内设有控制板处理器，控制板处理器双向连接气压传感器、污染传感器、温湿传感器、穿孔传感器。

所述的poe供电控制板内设有pse控制器。

一种基于ethercat总线多轴同步运动的激光切割头的控制方法，具体控制方法如下：

（1）ethercat主站根据加工产品的型号发出指令；

（2）第一主控板处理器判断环境数据是否合格，若合格则继续工作；若不合格则报警；

（3）激光切割头电机驱动器块及第二主控板处理器分别接收到工作指令；

（4）激光切割头电机驱动器控制激光切割头电机运动，带动激光切割头进行上下运动；

（5）数字式电容采集放大器采集到激光切割头实际高度的坐标，并将坐标数据通过信号接收电路输送至ethercat主站，由ethercat主站判断实际数据与指令数据是否相符，若相符则发指令给激光切割头电机驱动器，控制激光切割头高度不变，若不相符则继续步骤（4）；

（6）第二主控板处理器根据光斑、焦点与镜片映射表，给出镜片的理论坐标参数，并将其参数输送至镜片电机控制器；

（7）镜片电机控制器控制镜片电机驱动机构，镜片电机驱动机构带动镜片运动；

（8）数字式电容采集放大器采集到镜片实际高度的坐标，并将坐标数据通过信号接收电路输送至第二主控板处理器，由第二主控板处理器判断实际数据与指令数据是否相符，若相符则保持镜片高度不变，若不相符则继续步骤（6）；

（9）激光切割头及镜片到指令目标位置后，激光切割头开始激光切割工作。

第一主控板处理器判断环境数据的步骤如下：

（1）气压传感器、污染传感器、温湿传感器、穿孔传感器将各收集到的数据输送给控制板处理器；

（2）控制板处理器接收各数据进行检测，并将数据输送给第一主控板处理器；

（3）第一主控板处理器判断各检测的数据是否合格，若合格，则继续工作；若不合格则报警，并将信号输送给ethercat主站；

（4）ethercat主站接收到报警信号，停止工作。

本发明同现有技术相比，利用ethercat总线技术，动态监控整个激光切割过程并收集相应工艺关键参数，根据切割材料特点，无需任何人工干预，自动调节光斑直径大小和焦点位置等参数，可以实现对不同材料、不同厚度的材料进行高质量、高效、低成本的快速加工。

附图说明

图1为本发明工作原理框图。

图2为本发明切割头的并行控制的流程框图。

图3为本发明切割头的信号并行处理流程框图。

图4为激光切割头的结构示意图。

图5为第1实施例涉及激光切割头的结构示意图及其控制状态示意图。

图6为第2实施例涉及激光切割头的结构示意图及其控制状态示意图。

图7为第3实施例涉及激光切割头的结构示意图及其控制状态示意图。

图8为第4实施例涉及激光切割头的结构示意图及其控制状态示意图。

图9为第5实施例涉及激光切割头的结构示意图及其控制状态示意图。

参见图4，1为光纤组件，2为上保护镜机构，3为上镜片固定机构，4为下镜片固定机构，5为聚焦光学元件固定机构，6为下保护镜机构，7为侧吹气路机构，8为上镜片电机驱动机构，9为下镜片电机驱动机构，10为切割气体气路机构，11为喷嘴组件，14为净化水冷机构。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，ethercat主站的信号端通过网口lan1双向连接激光切割头电机驱动器，激光切割头电机驱动器的信号端通过网口双向连接poe供电控制板的端口p1，poe供电控制板通过端口p4双向连接激光切割头主控板的端口p7；所述的激光切割头主控板内包括pd控制器、ethercat通讯控制器、第一主控板处理器、第二主控板处理器、镜片电机控制器、信号接收电路，pd控制器的信号输出端通过通讯线路连接ethercat通讯控制器的信号输入端，ethercat通讯控制器通过通讯线路双向连接第一主控板处理器，第一主控板处理器通过通讯线路双向连接第二主控板处理器，第二主控板处理器分别通过端口p14，p15，p16，p17双向连接镜片电机控制器；第一主控板处理器通过rs485通讯线路端口p18双向连接传感器控制板；激光切割头电机驱动器的信号输出端通过线路连接激光切割头电机。

信号接收电路的信号输出端通过通讯线路连接第二主控板处理器信号输入端p2，信号接收电路的信号输入端p2连接数字式电容采集放大器的信号输出端tp1。

数字式电容采集放大器内设有信号放大电路及lc谐振电路。

镜片电机控制器双向连接镜片电机驱动机构。

传感器控制板内设有控制板处理器，控制板处理器双向连接气压传感器、污染传感器、温湿传感器、穿孔传感器。

poe供电控制板内设有pse控制器。

如图2，图3所示，一种基于ethercat总线多轴同步运动的激光切割头的控制方法，具体控制方法如下：

（1）ethercat主站根据加工产品的型号发出指令；

（2）第一主控板处理器判断环境数据是否合格，若合格则继续工作；若不合格则报警；

（3）激光切割头电机驱动器块及第二主控板处理器分别接收到工作指令；

（4）激光切割头电机驱动器控制激光切割头电机运动，带动激光切割头进行上下运动；

（5）数字式电容采集放大器采集到激光切割头实际高度的坐标，并将坐标数据通过信号接收电路输送至ethercat主站，由ethercat主站判断实际数据与指令数据是否相符，若相符则发指令给激光切割头电机驱动器，控制激光切割头高度不变，若不相符则继续步骤（4）；

（6）第二主控板处理器根据光斑、焦点与镜片映射表，给出镜片的理论坐标参数，并将其参数输送至镜片电机控制器；

（7）镜片电机控制器控制镜片电机驱动机构，镜片电机驱动机构带动镜片运动；

（8）数字式电容采集放大器采集到镜片实际高度的坐标，并将坐标数据通过信号接收电路输送至第二主控板处理器，由第二主控板处理器判断实际数据与指令数据是否相符，若相符则保持镜片高度不变，若不相符则继续步骤（6）；

（9）激光切割头及镜片到指令目标位置后，激光切割头开始激光切割工作。

第一主控板处理器判断环境数据的步骤如下：

（1）气压传感器、污染传感器、温湿传感器、穿孔传感器将各收集到的数据输送给控制板处理器；

（2）控制板处理器接收各数据进行检测，并将数据输送给第一主控板处理器；

（3）第一主控板处理器判断各检测的数据是否合格，若合格，则继续工作；若不合格则报警，并将信号输送给ethercat主站；

（4）ethercat主站接收到报警信号，停止工作。

如图4所示，目前现有的激光切割头中，在激光切割头的内部上下两端分别设有上镜片固定机构2及下保护镜机构6，在上镜片固定机构2及下保护镜机构6之间设有上镜片固定机构3及下镜片固定机构4，并且上镜片固定机构3及下镜片固定机构4分别通过其一侧的上镜片电机驱动机构8及下镜片电机驱动机构9进行驱动。

实施例1，如图5所示，根据加工工件101及工件102的需要，上镜片固定机构3内设置正透镜，下镜片固定机构4内设置负透镜，聚焦光学元件固定机构5内设置正透镜。

加工工件101时，首先，传感器控制板进行检测工作环境数据是否合格；其次，ethercat主站根据工件101，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件101上表面距离d11的位置，如图（a）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件101上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d12和光斑大小，如图（b）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

同样的，加工工件102时，ethercat主站根据工件102，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件102上表面距离d110的位置，如图（c）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件102上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d120和光斑大小，如图（d）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

其中，上保护镜机构2可以防止污物颗粒进入上镜片固定机构3及下镜片固定机构4中。下保护镜机构6用于在激光切割加工中，保护在其之上的聚焦光学元件固定机构5免受激光加工中的灰尘污染。聚焦光学元件固定机构5所固定光学元件为正透镜，使经过上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的激光以特定光斑聚焦工件内部的特定位置。

实施例2，如图6所示，根据加工工件201及工件202的需要，上镜片固定机构3内设置正透镜，下镜片固定机构4内设置正透镜，聚焦光学元件固定机构5内设置正透镜。

加工工件201时，首先，传感器控制板进行检测工作环境数据是否合格；其次，ethercat主站根据工件201，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件201上表面距离d21的位置，如图（a）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件201上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d22和光斑大小，如图（b）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

同样的，加工工件202时，ethercat主站根据工件202，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件202上表面距离d210的位置，如图（c）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件202上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d220和光斑大小，如图（d）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

其中，上保护镜机构2可以防止污物颗粒进入上镜片固定机构3及下镜片固定机构4中。下保护镜机构6用于在激光切割加工中，保护在其之上的聚焦光学元件固定机构5免受激光加工中的灰尘污染。聚焦光学元件固定机构5所固定光学元件为正透镜，使经过上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的激光以特定光斑聚焦工件内部的特定位置。

实施例3，如图7所示，根据加工工件301及工件302的需要，上镜片固定机构3内设置正透镜，下镜片固定机构4内设置正透镜，上镜片固定机构3与下镜片固定机构4之间增加一个负透镜33，负透镜33的位置是固定不可移动的，聚焦光学元件固定机构5内设置正透镜。

加工工件301时，首先，传感器控制板进行检测工作环境数据是否合格；其次，ethercat主站根据工件301，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件301上表面距离d31的位置，如图（a）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件301上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d32和光斑大小，如图（b）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

同样的，加工工件302时，ethercat主站根据工件302，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件302上表面距离d310的位置，如图（c）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件302上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d320和光斑大小，如图（d）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

其中，上保护镜机构2可以防止污物颗粒进入上镜片固定机构3、负透镜33及下镜片固定机构4中。下保护镜机构6用于在激光切割加工中，保护在其之上的聚焦光学元件固定机构5免受激光加工中的灰尘污染。聚焦光学元件固定机构5所固定光学元件为正透镜，使经过上镜片固定机构3、负透镜33及下镜片固定机构4的激光以特定光斑聚焦工件内部的特定位置。

实施例4，如图8所示，根据加工工件401及工件402的需要，上镜片固定机构3内设置负透镜，下镜片固定机构4内设置负透镜，上镜片固定机构3与上保护镜机构2之间增加一个正透镜44，下镜片固定机构4与聚焦光学元件固定机构5之间增加另一个正透镜45，正透镜44及另一个正透镜45的位置是固定不可移动的，聚焦光学元件固定机构5内设置正透镜。

加工工件401时，首先，传感器控制板进行检测工作环境数据是否合格；其次，ethercat主站根据工件401，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件401上表面距离d41的位置，如图（a）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件401上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d42和光斑大小，如图（b）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

同样的，加工工件402时，ethercat主站根据工件402，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件402上表面距离d410的位置，如图（c）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件402上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d420和光斑大小，如图（d）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

其中，上保护镜机构2可以防止污物颗粒进入上镜片固定机构3、正透镜44、下镜片固定机构4及另一个正透镜45中。下保护镜机构6用于在激光切割加工中，保护在其之上的聚焦光学元件固定机构5免受激光加工中的灰尘污染。聚焦光学元件固定机构5所固定光学元件为正透镜，使经过上镜片固定机构3、正透镜44、下镜片固定机构4及另一个正透镜45的激光以特定光斑聚焦工件内部的特定位置。

实施例5，如图9所示，根据加工工件501及工件502的需要，上镜片固定机构3内设置负透镜，下镜片固定机构4内设置正透镜，上镜片固定机构3与上保护镜机构2之间增加一个正透镜55，正透镜55的位置是固定不可移动的，聚焦光学元件固定机构5内设置正、负两个透镜。

加工工件501时，首先，传感器控制板进行检测工作环境数据是否合格；其次，ethercat主站根据工件501，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件501上表面距离d51的位置，如图（a）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件501上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d52和光斑大小，如图（b）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

同样的，加工工件502时，ethercat主站根据工件502，调取激光切割头的高度数据和上下镜片的光斑、焦点数据的工艺参数，分别发送指令给激光切割头电机控制模块及激光切割头主控板；然后，激光切割头电机控制模块根据工艺参数，将激光切割头的喷嘴组件11的位置移动至与工件502上表面距离d510的位置，如图（c）所示；与此同时，激光切割头主控板根据工艺参数，调整上镜片固定机构3及下镜片固定机构4的位置，调节激光聚焦光斑到工件502上表面的距离和聚焦光斑的大小，达到所需工艺参数要求距离d520和光斑大小，如图（d）所示；最后，激光切割头开始进行激光切割工作。

其中，上保护镜机构2可以防止污物颗粒进入上镜片固定机构3、正透镜55、下镜片固定机构4中。下保护镜机构6用于在激光切割加工中，保护在其之上的聚焦光学元件固定机构5免受激光加工中的灰尘污染。聚焦光学元件固定机构5所固定光学元件为正、负两个透镜，使经过上镜片固定机构3、正透镜55、下镜片固定机构4的激光以特定光斑聚焦工件内部的特定位置。

以上，根据本发明的控制方法，可以利用现有的激光切割头，达到自动控制激光切割头的高度，光斑及焦点的位置，利用ethercat总线技术，动态来监控整个激光切割过程并收集相应工艺关键参数，根据切割材料特点，无需任何人工干预，自动调节光斑直径大小和焦点位置等参数，可以实现对不同材料、不同厚度的材料进行高质量、高效、低成本的快速加工。