激光設備控制系統實訓平臺的設計與開發

文/周琦

1 引言

激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性，對材料（包括金屬與非金屬）進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術。因專業涉獵較廣，按傳統教學方式培養一名合格技術人才周期很長。而激光設備相對體積比較龐大，造價較高，加工過程設備的控制比較復雜，作為高校專業教學有必要開發專用的實訓平臺運用到專業教學中，能使枯燥難懂的原理變得簡單直觀，使老師容易教學、學生容易理解；其次每個學生都擁有跟設備互動的機會，可以在確保電氣安全的范圍內操作，快速掌握知識點，大大縮短培養時間，降低教學成本，增強學生動手能力。

本文主要介紹了一種激光設備控制系統實訓教學平臺，該平臺主要用于模擬激光設備控制系統，立體直觀的展現其結構及原理，利用該教學平臺可以完成各類激光設備控制系統的安裝與調試，培養學生動手能力，達到理論與實踐相結合的目的。

2 實訓平臺硬件組成

激光設備一般由光、機、電三部分構成，主要有激光器、主機（光路以及驅動、支撐光路的機械結構）、冷卻系統、供氣系統、激光電源、控制系統等部分組成，其中控制系統是激光設備的重要組成之一，其硬件框架如圖1所示，主要用于協調整個系統、控制激光加工。

圖1：激光設備控制系統的硬件框架圖

圖2：硬件原理框圖

激光設備控制系統的核心是主控制器，控制對象是運動控制和激光控制，主控制器通過人機交互和通訊接口，與操作者和其他設備進行交互，激光設備控制系統的主控制器有三種，一種是采用PLC 作為控制器，第二種是專用的數控系統作為控制器，第三種是采用基于ARM 和DSP 的嵌入式系統作為控制器。本實訓平臺采用PLC 作為控制平臺，使用三菱FX2N 系列的PLC 為運動控制核心驅動交流伺服電機、步進電機、繼電器等，臺達PLC 和臺達觸摸屏完成人機界面交互控制等。實訓平臺硬件原理圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。

3 基本功能

實訓平臺采用積木式結構，按鈕及繼電器模塊、PLC 模塊、人機界面交互模塊、運動控制模塊等在放置架上拆裝靈活。為了滿足實訓要求，采用安全導線將模塊與實驗臺之間連接起來，安全性高，該平臺設計了多重保護環節：電源外部控制與指示、短路保護、接地保護、操作保護等保護環節確保師生安全。實訓平臺的設計能夠模擬現場實際情況的控制過程，真正做到工學結合，使學生身臨其境地學習和實踐。

實訓平臺具有：

（1）激光設備電氣控制系統讀圖識圖及接線功能，各單一模塊可以單獨教學也可以組合教學；

（2）液晶屏顯示控制模塊，具有人機界面控制基本功能、基本應用編程功能；

（3）PLC 運動控制模塊，具有PLC 在激光加工流水線中的應用功能；

（4）伺服電機控制模塊，具有交流伺服系統的認知、參數設置、接線、性能的學習功能；

（5）步進電機控制模塊，具有步進電機系統的認知、參數設置、接線、性能的學習功能；

（6）X-Y 二維運動平臺模塊，具有PLC控制、手動控制、限位控制等功能。

4 實訓平臺的實現

單個實訓臺主要包括電源部分、PLC 部分、輸入輸出部分、I/O 轉換口、人機界面、上位機、三相電機、步進電機及驅動器、伺服電機及驅動器、二維工作平臺等。上位機中安裝有相應的工控軟件，以便實現編程、通信以及監控等，電 源部分實行單個自動化單元獨立開關和保護方式。

圖3：實訓平臺實物圖

實訓平臺控制部分主要分為兩種，一是基本電氣控制系統，二是PLC 控制系統。基本電氣控制系統主要是利用按鈕類主令器件、繼電器等來實現對三相交流電機和步進電機的運動控制，模擬激光設備順序啟動控制電路，從而完成激光標刻機電氣控制電路的設計與調試。PLC 控制系統主要是利用PLC、步進電機驅動系統、伺服電機驅動系統等來實現PLC對步進電機、伺服電機運動控制，模擬激光設備X-Y 二維運動工作臺往返運動控制、手動控制、限位控制等，實現激光焊接機電氣控制電路的設計與調試。

4.1 人機交互模塊

人機界面(Human Machine Interface，HMI)是技術人員與工業控制系統交互的設備，過程可視化、操作員對過程的控制、顯示報警、輸出過程值和報警記錄均是由HMI 完成，HMI 可以為DVP PLC 提供過程控制和監視，可同時支持多個通訊口連接多臺不同或是相同的控制器，最多可同時連接支持3 種不同通訊協議的設備。HMI 主要有顯示器、操作員面板、觸摸屏功能，本平臺中的HMI 主要是觸摸屏，觸摸屏是人機界面的發展方向，選用型號為DOP-B05S111，支持位圖、圖標和背景畫面。支持U 盤，不需電腦即可通過U 盤來更新軟件、下載畫面程序以及備份數據等。支持 USB Host 功能，可連接U 盤、鼠標及支持 USB 界面的打印機等周邊設備，大大加強了人機的功能。

圖4：X-Y 二維工作臺PLC 運動控制系統結構圖

4.2 上位機配置及軟件配置

基于適應工控軟件對于計算機硬件的要求，上位機選用較新型的聯想商用PC 機，操作系統選用 Win7。PLC 可通過USB 口與上位機通訊，PLC 可通過HMI 的COM2 口與人機連接電纜通訊，HMI 可通過通訊電纜和上位機通訊。上位機安裝軟件有FX-PCS-VPS/WIN-E、WPLSoft 2.41、DOPSoft V2.00.07可對三菱FX2N-20GM、臺達DVP-24ES 及DOP-B05S111 進行人機界面編程、設計、PLC聯機調試。HMI 與PLC 梯形圖程序建立對應的邏輯關系，學生可以根據項目需要編寫相應的界面，通過觸摸屏來控制激光設備運作，完成相應的設計。HMI 軟件DOPSoft V2.00.07提供了方便的模擬功能，用戶可于人機程序的設計過程中，先行于電腦端進行程序模擬動作與除錯。而在人機軟件里提供兩種模擬功能，分別為離線模擬與在線模擬。當使用者編輯與編譯完人機程序后，可直接使用電腦（不連接PLC）離線進行模擬人機畫面動作是否正確，也可使用在線模擬功能，即人機程序編輯與編譯完成后，使用電腦連接PLC，先行模擬人機動作是否正確。

4.3 運動控制系統

運動控制由步進電機及驅動器，交流伺服系統構成。步進電機運動控制由PLC 控制器的RP、FP 引腳輸出控制脈沖信號，步進電機驅動器接受PLC 指令，進行處理形成步進電機需要的脈沖信號，步進電動機將電脈沖信號變換成相應的角位移，每當輸入一個電脈沖時，它便轉過一個步距角，實現步進電機正反轉控制。交流伺服系統由伺服驅動單元、伺服電機及激光設備X-Y 二維工作臺構成。由PLC 控制器的RP、FP 引腳輸出控制脈沖信號，伺服驅動器接受PLC 指令，進行處理形成伺服電機需要的電流輸出，驅動伺服電機正反轉，或帶動激光設備X-Y 二維工作臺形成平面上的二維運動，X-Y 二維工作臺PLC 運動控制系統結構圖如圖4所示。

5 結論

從本實訓平臺試制樣品的使用來看，電氣控制和運動控制線路可以由教師和學生進行自主設計，可對控制效果進行直接觀察。實踐證明，此實訓平臺運行正常，呈現出了較強的安全性，實驗結果生動形象有助于加深學生對知識的理解和記憶，通過階梯式的工程訓練教學模式，學生解決工程實際問題以及動手實踐能力不斷得到強化和提高，為其將來從事相關激光行業工作奠定了基礎。