1　前言

　　激光切割利用聚焦後的高能量密度的激光作用於(yu) 加工對象，激光和物體(ti) 分子相互作用而使加工區的物體(ti) 熔化。隨著光速的移動，就在物體(ti) 中產(chan) 生切縫，從(cong) 而達到切割的目的。由於(yu) 激光焦點和加工對象的相對位置決(jue) 定了作用於(yu) 加工對象上激光光斑和功率密度的大小，因此，激光焦點和加工對象的相對位置就對加工質量起著至關(guan) 重要的作用。怎樣在激光切割加工過程中保持激光焦點和加工對象之間的相對位置為(wei) 一合理而恒定的值，就成為(wei) 激光切割加工中的一項關(guan) 鍵技術。

　　研究激光切割焦點位置自動跟蹤係統可以分兩(liang) 個(ge) 方麵來考慮：

　　(1)怎樣穩定、可靠而又方便地檢測出激光焦點和加工對象之間的相對位置

　　激光加工屬於(yu) 非接觸加工，無法直接檢測焦點位置，而焦點位置由聚焦鏡和加工對象表麵的距離決(jue) 定。因此，常用的辦法是檢測聚焦鏡和加工對象表麵的距離，從(cong) 而間接檢測激光焦點和加工對象表麵的相對位置。

　　常用的檢測方法分接觸式和非接觸式兩(liang) 種：
　　接觸式傳(chuan) 感器采用一機械傳(chuan) 動裝置和一些直線位移傳(chuan) 感器(常用的為(wei) 電感式傳(chuan) 感器)組成，將聚焦鏡和加工對象表麵的相對位移轉換成電壓量供控製係統使用。
　　非接觸式傳(chuan) 感器是在光頭上裝一個(ge) 電容和電感渦流式傳(chuan) 感器，利用光頭上傳(chuan) 感器的電容或電感的變化來檢測聚焦鏡和加工對象表麵的相對距離。

　　這兩(liang) 種檢測方法是為(wei) 了不同的使用場合而定的，電容式非接觸式傳(chuan) 感器主要是用於(yu) 三維激光金屬加工場合，因為(wei) 這種場合不便於(yu) 使用接觸式傳(chuan) 感器。其他場合則使用接觸式傳(chuan) 感器比較合適。

　　但這兩(liang) 種傳(chuan) 感器都是采用模擬信號進行檢測處理的，而在激光切割過程中會(hui) 在加工區產(chan) 生電離作用，形成電磁幹擾，對檢測結果產(chan) 生影響；同時，電感型LVDT傳(chuan) 感器的響應頻率低，影響控製係統的動態特性，這些都是當前迫切需要解決(jue) 的問題。

　　(2)在檢測出激光焦點和加工對象的位置變化以後，怎樣快速地補償(chang) 掉偏差即位置隨動係統的設計問題通常的分離式焦點跟蹤係統是利用單片機的最小係統控製步進電機實現的。由於(yu) 單片機性能比較簡單，難以實現較為(wei) 複雜的控製策略，而普通步進電機的動態特性比較差，很難滿足激光焦點跟蹤的快速要求。

　　為(wei) 了克服上述缺點，本文介紹一種基於(yu) 運動控製器的激光焦點自動跟蹤係統，采用光碼盤作為(wei) 位移傳(chuan) 感器，利用運動控製器的主從(cong) 跟蹤(電子齒輪)功能實現焦點位置誤差的快速補償(chang) 。
2　控製係統硬件設計
　　控製係統由激光焦點位置傳(chuan) 感器——光碼盤，控製器——PARKER500-FOL運動控製器和執行裝置交流伺服係統組成。

　　光碼盤是在半閉環數控係統中使用最多的位移傳(chuan) 感器，它與(yu) 電感式位移傳(chuan) 感器相比，具有穩定性好、動態特性好、抗幹擾能力強、易於(yu) 和位置控製器相聯等優(you) 點。但由於(yu) 光碼盤是角度式位移傳(chuan) 感器，故必須經機械部件變換才能檢測激光焦點與(yu) 加工對象表麵的相對位移。我們(men) 是采用齒條帶動和光碼盤相聯的齒輪旋轉實現這一轉換的，具體(ti) 結構在這裏不加討論。

　　PARKER500-FOL運動控製器為(wei) 一具有位置主從(cong) 跟蹤功能的單軸運動控製器，它除了具有一般運動控製器的功能外，還具有對一光碼盤信號的位置自動跟蹤功能，利用這一特性可以實現自動加工時的激光焦點位置的自動跟蹤，也可實現在點動調整時的各種操作。

　　由於(yu) 500-FOL運動控製器隻能輸出兩(liang) 路脈衝(chong) 信號或脈衝(chong) 和方向信號，因此，驅動裝置隻能使用帶有脈衝(chong) 輸入的全數字伺服係統。　　整個(ge) 係統的硬件框圖如圖1所示。

圖1　控製係統硬件框圖

　　從(cong) 圖中可以看出，該係統和CNC係統通過I/O口相聯，接受CNC的I/O控製指令進行動作，具有較高的通用性和使用柔性，可以與(yu) 任何CNC係統相聯接並協調工作。

3　工作流程

　　由於(yu) 激光焦點位置跟蹤係統是整個(ge) 激光加工控製係統的一部分，它必須受控於(yu) CNC主控係統，它為(wei) 從(cong) 動係統。

　　(1)係統上電後，500運動控製器自動控製電機回機械原位，等待CNC的控製命令。
　　(2)CNC可以通過I/O口向500運動控製器發點動調整命令，以調整好激光焦點的初始位置。
　　(3)通過設定命令設定焦點的初始位置作為(wei) 焦點位置跟蹤的參考值。
　　(4)在自動加工時，CNC可以根據需要發布不同的命令，可以讓係統自動跟蹤加工對象表麵的變化，也可以結束跟蹤。
　　(5)為(wei) 了防止光頭與(yu) 加工對象碰撞，在跟蹤完成時要將光頭移上一段距離，在下次跟蹤時要慢速自動找到焦點的位置。

　　一般情況下，點動調整可由麵板開關(guan) 配合完成，而自動狀態則由CNC的M代碼經過PLC處理後輸出控製焦點位置跟蹤係統。

4　控製流程

　　PARKER500-FOL運動控製器采用的是邏輯控製和運動控製混合編程方法，上電後根據控製程序自動執行。

　　由於(yu) 焦點位置自動跟蹤係統和主控製係統通過I/O口交換信息，它是根據I/O口的控製命令執行相應的動作。焦點位置自動跟蹤係統要完成圖2所示流程圖規定的動作。

圖2　焦點位置自動跟蹤係統流程圖

　　點動子程序主要用於(yu) 調試工作和初始焦點位置對準。由於(yu) 不同厚度的鋼板，激光焦點距加工對象表麵的距離要求不同，所以每次加工一個(ge) 新的材料之前，要手動調好焦距，然後通過設定功能記下傳(chuan) 感器的位置，作為(wei) 焦點位置跟蹤的參考點。

　　在加工過程中，數控係統根據數控程序的不同的M代碼經I/O口控製焦點位置控製裝置完成跟蹤、保持和注銷功能。考慮到加工過程可能要通過已切掉的部分，此時要關(guan) 掉焦點位置跟蹤功能，以避免激光切割光頭掉進切割形成的洞中而損壞。另外，考慮到加工對象表麵的變化，在關(guan) 掉跟蹤功能的同時要抬起光頭一段距離，在打開焦點位置自動跟蹤功能時再自動對準焦點。

5　小結

　　由於(yu) 光碼盤為(wei) 數字化位移傳(chuan) 感器，故其檢測的穩定性要高於(yu) 電感式LVDT位移傳(chuan) 感器；PARKER500運動控製器對光碼盤的采樣頻率非常高，所以，采用光碼盤傳(chuan) 感器和PARKER500運動控製器結合檢測，可以大大提高係統的響應速度；PARKER運動控製器有效的位置控製算法可以保證主從(cong) 跟蹤誤差在幾個(ge) 絲(si) 之內(nei) ，完全能滿足激光切割對焦點位置精度的要求。