實時功率控制在激光切割機的應用研究

姜 倩，李 萌

（江蘇金方圓數控機床有限公司，江蘇 揚州225127）

隨著市場對產品快速更新換代的需求，激光切割機給鈑金加工、冶金設備、工程機械等加工行業帶來新的生機[1，2]。光纖激光切割機在加工板材的時候，拐角處的處理方式有尖角過渡和圓弧過渡兩種方式。當激光切割機運行到拐角處時，切割速度會先降低到零然后在增大，而激光的能量會在拐角處密集的積累，很容易造成拐角的“過燒現象”；另一種圓弧過渡是指自動編程軟件將尖角導成微小圓弧可以時拐角不會太尖銳[3]。

為了能夠切割出尖銳拐角而又避免尖角過燒，本文提出了一種基于速度控制的功率控制，可以有效的提高切割質量。

1 激光切割機系統組成

激光切割機系統的整體方案如圖1 所示，包括工控機、驅動器、電機、激光器等組成。本文采用BECKHOFF 的C6640-0040 結 合TwinCAT2.0 作 為核心對數控機床和激光器進行實時控制。

TwinCAT 系統軟件包括工程和時間運行時間的軟件，如圖2 所示。包括：實時核；I/O 數據采集；順序控制（軟PLC）；運動控制（軟移動控制）；通訊（ADS）。

2 基于速度控制的功率控制

圖1 激光切割機系統組成

圖2 TwinCAT 系統

結合TwinCAT 程序的開發，使數控系統能夠隨時獲得運行速度數據，實現了根據速度變化對激光功率的控制，從而避免了激光切割工件燒損的問題[4]。激光功率控制可通過改變峰值功率、占空比和頻率這一技術對數控系統在激光切割機上的應用具有極大意義。整個控制關系圖如圖3 所示，峰值功率、占空比、頻率與切割速度都是線性關系。

圖3 峰值功率P、占空比D、頻率F 與切割速度V 的關系

如圖4 人機界面中，輸入設定置V1（速度1）、V2（速度2）、V3（速度3），功率P1（功率1）、P2（功率2）、P3（功率3），占空比D1（占空比1）、D2（占空比2）、D3（占空比3），F1（頻率1）、F2（頻率2）、F3（頻率3）的值。

當切割某一個輪廓切割到拐角處時速度由V正常開始減小到0 然后由0 增大到V正常，從速度V正常開始減小到0 取三個速度點V1、V2、V3并設置每個速度點對應的功率、占空比和頻率。

（1）當速度≤V1，以最小的P1（D1，F1）的值切割；

（2）當速度＞V1≤V2時以下列關系：

圖4 功率控制人機界面

（5）當速度達到正常切割速度時以P正常（D正常，F正常）的值切割。

功率控制是基于速度來進行的，因此實時抓取速度尤為重要。本文PLC 編程時直接讀取驅動的速度而不是讀取CNC 中的速度，因為CNC 中的速度值較實際值有些許滯后。

3 實驗結果

激光切割實驗中采用碳鋼板材進行了測試。切割零件如圖5 所示，圖5a 是未使用功率控制切割出來的，可以看到拐角處有燒傷帶渣；圖5b 是使用功率控制切割的，可以明顯看出拐角處無渣，由此可見基于速度控制的激光切割機實時功率控制系統避免了燒角現象，有效提高了切割質量。