激光切割随动头设计开题报告

1. 研究目的与意义

嘴与被加工表面有一定间隙，而且要保证间隙恒定。但由于前期工序产生装夹误差、工件本身的表面平整度等误差，这就导致喷嘴与工件的间距不能保持恒定不变，从而使切割质量变差，严重时甚至根本不能切割，而且很可能会使切割头与工件表面发生碰撞，损坏切割头零件。所以，设计出一套随动系统，自动实现激光头的距离检测和调节高度，能大大提高劳动生产率、提高激光切割质量，是有实用价值的，对激光切割设备的国产化，降低生产成本，减少对国外设备的依赖性，也有一定的意义。

激光切割设备在业界以其高速、高精度和高可靠度得到了越来越广泛的应用。目前，其控制系统正朝着智能化、网络化、开放化方向发展，而运动控制的执行部件，包括运动控制器和伺服系统，是用来保证其高速高精度的。运动控制器主要实现位置控制以及反馈信号处理等功能，但是运动控制器中处理器的执行速度又与数控系统的位控周期、控制轴数相制衡。而基于数字信号控制器的运动控制器能很好的解决这些问题，随着数字信号控制器技术迅猛发展，其性能越来越好，处理速度越来越快，价格也越来越便宜。所以，为适应与日俱增的生产控制要求，数字信号控制器在激光切割系统上的应用也越来越普遍。

在一个完整的数控系统中，需要上位机和下位机的配合，所以就涉及到数据传输问题。传统的总线传输途径有rs-232，rs-485，pci，usb等，但上述总线具有传输距离短，接口复杂，通信速率低的缺点，所以不适合本设计的要求。然而随着互联网技术的飞速发展，计算机网络已渗透到了人们的生产生活中，同时也带动了网络技术的发展的脚步，其中占网络技术主导地位的以太网技术获得了全球性的重视和支持。在控制系统中，以太网在其通讯中对其进行了实时性地优化和改进，保证了系统的实时性和稳定性。同时在现场总线中，can总线是被誉为最有发展前景、最具发展潜力的现场总线之一，作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，can总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中。因此，将以太网技术和can总线作为控制总线应用到控制系统中已经成为必然趋势。

2. 国内外研究现状分析

1.国外激光切割头随动系统发展现状

国际方面，激光加工在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。从上世纪50年代开始，美国部分科研机构和高校就致力于微型传感系统的研制。目前用于激光加工机的位移传感系统的尖端技术主要掌握在美国、日本和欧洲的企业手中，例如意大利的prima公司和德国的precitec公司都是该领域的龙头企业，其研制的距离跟随传感系统的精度甚至已经达到0.1μm，该系统传感类型主要是电容式，这种类型的传感器结构简单、体积小、分辨力高、本身发热小，这些优点十分适合于激光加工。特别是西方的集成电路技术发展十分迅速，因此在自动控制激光加工领域，其传感系统的优越性进一步体现出来。目前，国外这种带有高度跟随控制机制的激光切割头已成为商品在市场上销售，其中以德国的precitec公司的lasermaticz系列最为知名，可用于c02一2d切割、c02一3d切割和nd:yag一3d切割。但其价格不菲，普及受到限制。

2.国内激光切割头随动系统发展现状

当今国外采用的位移传感器基本上是电容式，其结构和形状与激光加工头相适应，同时配有检测信号处理单元。而目前我国尚无该类传感系统，我国生产的激光加工机上所使用的位移传感器都需从国外进口，进口的位移传感系统价格昂贵，使激光加工机的生产成本提高。为此，将类似位移传感系统等激光加工机上的关键零部件国产化，降低激光加工机的制造成本，是我国目前急待完成的重要任务。并且在我国，激光加工已经愈来愈普及，激光加工行业对生产自动化的需求越来越高，因此，研制出一种新型的随动系统，必将大大提高生产厂家的劳动生产率，提高产品的质量，使经济效益得到明显提高。

90年代后期，国内学者也开始关注该领域的研究。随着各种新型的测量技术的广泛应用，越来越多的学者开始考虑将新型的传感器件用于高度跟随控技术上，以期得到性能更佳的激光切割效果。

3. 研究的基本内容与计划

本课题将以激光切割头为入手点，研究其随动系统的设计。通过将激光头与板材的距离用CAN总线传输给dsPIC，然后由dsPIC发送方向和脉冲信号给伺服驱动器来控制伺服电机；同时以太网总线能承受的传输距离较远并且接口较为灵活，dsPIC通过以太网连接至数控系统，从而实现整个控制系统的正常工作。研究主要内容如下：

1.激光切割头随动系统的工作原理

如图3.1所示，激光切割机的切割对象是板材或覆盖件型零件，由于各种因素的影响，即使在装夹以后也存在不平整度，且在切割过程中的热效应的影响下会使薄板零件表面变形。但是激光切割头的与板材之间的距离必须保持一个定值才能保证切割的质量，因为距离太小会烧毁工件，距离太大的话会造成切割不彻底。因此在切割行进过程中要求激光切割头随板材的不平整度而自动调节，故需要设计一个激光切割头自动调高的位置检测系统。

2.控制系统设计目标

本文设计的激光切割机的切割头随动系统是基于CAN总线和以太网的，具有诸多的挑战性，在顺利完成常规激光切割机床运动控制的同时，还要使切割头随动系统精度更高，整个控制过程更富有自动化、人性化，达到控制系统自动纠错、实时监控加工工序，更要让操作人员快速、简便、无阻力的熟悉操作流程。为了达到这样的目标，就要求在设计控制系统方案的时候必须要完成几个硬性指标：

1.改善切割速度，达到或略低于发达国家切割速度。效率是公司的第一生产力。激光切割机的切割速度是生产效率的决定性因素。

2.切割精度直接决定成品质量，静态响应精度需要达到0.001mm。因此，在设计定长定位系统不仅要在硬件应用上精度有要求，还要在软件程序编写过程中追求算法的高效率与执行时间的简捷。

3.人机界面的人性化设计，参数设置简便，可以实时显示和记录跟随高度和跟随速度等数据，参数设置方式为液晶、键盘、以太网。在每次切割加工之前，都要针对加工的工件对相应的参数进行逐一的修改，以便准确切割所需的工件。

4.停机位置的监控。在切割过程中会出现诸多的意外故障，如断电停机、人为原因等，导致停机。重新启动激光切割机就要面临需要得知当前高度的问题，因此，在加工过程中，切割头的位置需实时监控。

3.主要研究内容

由以上介绍和分析了激光切割机的工作原理及设计目标，可以确定本毕业设计的主要研究内容，总体分硬件系统设计和软件设计。

1.硬件系统设计主要完成对激光切割头的高度测量采集与转换以及伺服电机转速和启停的控制。

2.软件设计依照激光切割机的工艺流程和各控制对象之间的相关性，对整个控制系统进行模块化和集成化处理，主要实现对伺服电机的控制调速、高度数据变化的采集，把握以太网和CAN总线的通讯协议；另外，还要实现良好的人机界面。

设计内容：完成

研究计划:（1）第1周第2周准备工作：调研及查阅文献，完成开题报告。

（2）第3周第4周确定设计方案。

（3）第5周第13周下位机系统设计与调试，上位机系统软件编写与调试

CAN总线以太网调试技术设计及绘制图纸。

（4）第14周第15周撰写设计说明书，完成论文。

（5）第16周毕业设计答辩。

4. 研究创新点

1.本课题的随动系统主体思想选用的是通过LC谐振电路，通过放大和分频电路检测出电容的变化量，根据电容和周期的关系可以换算出变化的周期，通过总线传输相应的数据给伺服驱动器，其中信号的处理方式是电容数字信号控制，比起以往以及国外的产品使用模拟信号来说是一种创新。

2.本课题选用CAN总线以及以太网作为通信工具。数控系统通过以太网将数据传给DSPIC，DSPIC通过以太网将信号反馈给数控系统。以太网使用TCP/IP协议。DSPIC通过CAN总线获取电容值的变化量，同时也通过CAN总线将信息传给数控系统，后期移植到以太网中。