激光切割是光、機(jī)、電一體化高度集成設(shè)備，科技含量高，它應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質(zhì)量、高的切割速度、廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。

激光切割的適用對(duì)象主要是難切割材料，如高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件。激光切割技術(shù)、激光切割機(jī)床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。因此研究和設(shè)計(jì)激光切割控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

一：ASC控制系統(tǒng)介紹
•4軸運(yùn)動(dòng)控制，其中2軸驅(qū)動(dòng)龍門(mén)縱向運(yùn)動(dòng)，1軸驅(qū)動(dòng)激光切割機(jī)頭橫向運(yùn)動(dòng)，3軸控制激光頭上下運(yùn)動(dòng)保持激光頭聚焦點(diǎn)與切割材料平面等距。
•4軸高度協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高精度高速激光切割。
•縱向2軸和橫向1軸采用高精度、高剛性直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和高精度光柵尺位置反饋。
•支持平面機(jī)械誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
•最高運(yùn)行速度2米/秒，重復(fù)定位精度小于1微米（μ），運(yùn)行精度小于5微米(μ)，加工速度為15000點(diǎn)/小時(shí)。

•支持各種CAD/CAM格式，包括DXF、Gerber、HPGL等。
•具有全面而完善的設(shè)備安全保護(hù)機(jī)制和報(bào)警功能。
•易于IO擴(kuò)展、軸數(shù)擴(kuò)展和控制系統(tǒng)升級(jí)。
•系統(tǒng)組件要一體化和模塊化，便于集成、應(yīng)用和更換維護(hù)，節(jié)省配線和空間。

 運(yùn)動(dòng)控制采用ACS公司CMBA四軸集成驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器，精確實(shí)現(xiàn)X-Y平面運(yùn)動(dòng)，龍門(mén)雙驅(qū)運(yùn)動(dòng)以及激光頭實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)焦。采用高速伺服更新周期、高性能伺服控制算法、速度前瞻控制算法、高級(jí)龍門(mén)算法和平面機(jī)械誤差動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?實(shí)現(xiàn)快速而精確的切割運(yùn)動(dòng)。CMBA將驅(qū)動(dòng)器與控制器和電源一起以模塊化方式集成到一個(gè)機(jī)箱中，可以直接驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，不需要再去選配第三方驅(qū)動(dòng)器，既可以節(jié)省成本，又可以達(dá)到更好的運(yùn)動(dòng)控制性能。

  CMBA系列具有全面的保護(hù)和報(bào)警功能，確保用戶和設(shè)備安全。CMBA最多可以支持到8軸集成驅(qū)動(dòng)，確保可以靈活按需配置和未來(lái)系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展。
    主機(jī)采用華北嵌入式控制器RPC-500,其配置有低功耗Kingston DDR3 2GB內(nèi)存處理器具有各種接口，堅(jiān)固可靠且便于擴(kuò)展，通過(guò)以太網(wǎng)與ACS控制器做控制與信息交換功能。

 
系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖如下：

圖1.1  系統(tǒng)傳動(dòng)原理圖

二：ASC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

在現(xiàn)實(shí)組裝過(guò)程中難免會(huì)有系統(tǒng)制造誤差，機(jī)械負(fù)荷差異，機(jī)械摩擦力和其他外在干擾的存在，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性可能會(huì)不一樣，所以在特定的領(lǐng)域如何減少同步誤差是近幾十年來(lái)學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者側(cè)重于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)精密部件的設(shè)計(jì)和制造，控制調(diào)節(jié)方面主要運(yùn)用經(jīng)典的PID控制方法和精密系統(tǒng)協(xié)同循跡自適應(yīng)魯棒控制進(jìn)行主要調(diào)節(jié)，而國(guó)外研究學(xué)者對(duì)多軸同步運(yùn)動(dòng)控制的研究相對(duì)較為深入，如國(guó)外GIAM等提出了基于滑模的跟蹤和協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制方法，可是其控制精度僅限于微米級(jí)。

隨著客戶對(duì)科研儀器與工業(yè)設(shè)備的精密度要求不斷提高，運(yùn)動(dòng)控制這一方的精度正在被不斷推向新的極限，不斷的嘗試。特別是這些年來(lái)納米技術(shù)的興起，給超精密運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。 

本文研究和設(shè)計(jì)龍門(mén)雙驅(qū)X1和X2兩軸, 兩個(gè)自由度的X和Y方向超精密定位平臺(tái)，Z軸上下聚焦切割平面，運(yùn)用集成模塊化的ACS控制器，對(duì)各運(yùn)動(dòng)軸的PID控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化（如下圖）。研究表明ACS控制系統(tǒng)具有良好的速度和位置跟蹤性能，隨即可進(jìn)行能量跟隨。

圖2.1  ACS電流環(huán)調(diào)節(jié)

圖2.2  ACS對(duì)軸FRF調(diào)節(jié)

三：市場(chǎng)需求和前景

基于ACS控制的多軸精密激光切割機(jī)可使用不同領(lǐng)域，涉及鈑金行業(yè)，五金行業(yè)，眼鏡行業(yè)，電子行業(yè)等。隨著時(shí)代的進(jìn)步客戶的需求也越來(lái)越大，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)要求也越來(lái)越高。

如利用ACS控制激光切割機(jī)在SMT鋼網(wǎng)制作中的運(yùn)用;

激光鋼網(wǎng)切割是SMT鋼網(wǎng)行業(yè)中最常用的模板，其特點(diǎn)是：

直接采用數(shù)據(jù)文件制作，減少了制作誤差環(huán)節(jié)；

SMT模板開(kāi)口位置精度極高：全程誤差≤±4μm；

SMT模板的開(kāi)口具有幾何圖形，有利于錫膏的印刷成型

圖3.1  ACS控制激光切割切割SMT鋼網(wǎng)

圖3.2  ACS控制系統(tǒng)激光切割鋼片

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外激光加工領(lǐng)域，激光切割已占24% 市場(chǎng)份額，高居激光加工設(shè)備行業(yè)首位，而中國(guó)市場(chǎng)所占份額仍然較小，激光切割設(shè)備在國(guó)內(nèi)有良好的市場(chǎng)前景。

隨著世界制造業(yè)向中國(guó)深度轉(zhuǎn)移以及產(chǎn)業(yè)調(diào)整和升級(jí)，對(duì)切割技術(shù)要求更加精細(xì)，智能化精密切割將成為發(fā)展趨勢(shì)。因此，研究和設(shè)計(jì)激光切割控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。