一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统及其方法，系统包括：工控机，数控系统和协同控制单元；方法包括：工控机根据用户的操作从工艺数据库获取加工参数，根据加工参数发送控制命令至数控系统，发送配置参数至协同控制单元；控制激光器的开关以及接收激光器反馈的状态信息；数控系统根据控制命令完成对机床轴运动的控制，并控制协同控制单元的开关；协同控制单元接收配置参数、数控系统发送的开关量以及加工头的调整电机反馈的位置信息，发送控制信号至激光器，实现圆形恒重叠率螺旋扫描加工控制。本发明专利技术的协同控制单元协调加工头和激光器工作，能够实时控制整个加工过程，确保了加工的可靠性和高效率，同时加工的工件精度高。

A cooperative control system for laser micro machining based on IPC and its method

The invention relates to a laser micromachining cooperative control system based on industrial control machine and its method. The system includes: industrial control machine, numerical control system and cooperative control unit. The method includes: the industrial control machine gets the processing parameters from the process database according to the operation of the user, sends the control commands to the CNC system according to the processing parameters, and sends it to the CNC system. Configure the parameters to the cooperative control unit; control the switch of the laser and receive the state information of the laser feedback; the CNC system controls the motion of the machine tool axis according to the control command and controls the switch of the cooperative control unit; the cooperative control unit receives the configuration parameters, the switch quantity sent by the CNC system and the machining head. The position information of the motor is adjusted, and the control signal is sent to the laser to achieve the circular constant overlap rate spiral scanning processing control. The co control unit of the invention coordinates the work of machining head and laser. It can control the whole processing process in real time, and ensure the reliability and efficiency of processing, and the precision of the workpiece is high.

【技术实现步骤摘要】
一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统及其方法
本专利技术属于激光微孔加工数控机床领域，特别涉及一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统及其方法。
技术介绍
激光加工技术具有加工方式灵活、加工速度快、加工工件精度高、加工材料浪费少等一系列优点，广泛应用于机械制造、医疗器械、汽车、航空航天、电子电路等行业。数控技术随着制造业的发展和计算机技术的普及，在制造业中的应用也越来越广泛，是制造业信息化的重要组成部分。激光加工技术与数控机术相结合成为现代工业生产自动化的关键技术。激光微数控机床是激光技术与数控技术结合的产物，但现有的激光数控机床在微孔加工方面无论从加工精度还是加工效率上都难以达到加工要求，同时还存在加工可靠性低的问题。
技术实现思路
为了克服上述缺陷，本专利技术提供一种高精度、高可靠性、高效率和低缺陷的一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统及其方法。为实现上述目的本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统，包括：工控机，用于根据用户的操作从工艺数据库获取加工参数，根据加工参数发送控制命令至数控系统，发送配置参数至协同控制单元，初始化激光器和加工头；数控系统，用于根据控制命令完成对机床轴运动的控制，并向控制协同控制单元发送加工开始和结束信号即开关量；协同控制单元，用于接收配置参数、数控系统发送的开关量以及加工头的调整电机反馈的位置信息，发送控制信号至激光器，实现圆形恒重叠率扫描螺旋加工控制。所述协同控制单元包括：ARM处理器，用于FPGA模块与工控机之间的通信，接收配置参数并提取所需参数发送给FPGA模块；FPGA模块，用于接收ARM处理器传送过来的参数、驱动上偏旋转光楔的电机B的编码器反馈信息、驱动下偏旋转光楔的电机C的编码器反馈信息、驱动位移旋转光楔的电机A的编码器反馈信息以及同步时钟信号，输出控制激光器脉冲输出的GATE信号。所述FPGA模块包括：半径计算模块，用于接收加工头中电机B和电机C的编码器的反馈信息，根据两个编码器的反馈信息即可得到两个偏转光楔的当前位置，根据该位置计算出孔径控制角度，然后根据孔径控制角算出光束位置相对圆心的半径；角度计算模块，用于接收电机A的编码器反馈信息，根据编码器反馈信息计算当前光斑旋转角度，其中光斑旋转360度则表示光斑扫过一圈；GATE控制模块，用于根据半径模块计算得到的光束位置相对圆心的半径、角度计算模块得到的光斑旋转角以及同步时钟信号来控制GATE信号输出，从而控制当前位置的激光器脉冲输出。一种基于工控机的激光微孔加工协同控制方法，包括以下步骤：工控机，用于根据用户的操作从工艺数据库获取加工参数，根据加工参数发送控制命令至数控系统，发送配置参数至协同控制单元，初始化激光器和加工头；数控系统，用于根据控制命令完成对机床轴运动的控制，并控制协同控制单元的开关；协同控制单元，用于接收配置参数、数控系统发送的开关量以及加工头的调整电机反馈的位置信息，发送控制信号至激光器，实现圆形恒重叠率扫描螺旋加工控制。所述圆形恒重叠螺旋扫描控制包括以下步骤：1)孔径控制角计算：根据加工头中电机B和电机C编码器反馈的信息确定上偏旋转光楔和下偏旋转光楔的位置，根据光楔位置信息即可实时计算得到孔径控制角的大小；2)光束位置相对圆心的半径：加工头控制光束做同心的螺旋扫描，光斑的扫描速度等于旋转速度，此时实际的光束位置和该时刻的孔径控制角度有如下关系：r＝f*tan(k*a*sin(b))其中：r为光束位置相对圆心的半径，f为聚焦镜的焦距；k为常数，根据光学镜片的材质而定；a为光楔角；b为孔径控制角。3)求加工孔的最大半径：加工由圆心向外做螺旋运动，加工开始之前，根据ARM处理器传过来的变半径圈数，并计光斑每旋转360度记一圈；当光斑旋转的圈数等于变半径圈数时，此时半径模块计算得到的光束位置相对圆心的半径r即为加工孔的最大半径记为R；4)确定激光器的加工重复频率：光束位置相对圆心的半径r和加工孔的最大半径R的比值与激光器最大输出频率的乘积即为当前被扫描处应具备的激光器输出的重复频率；5)确定GATE信号输出：根据当前位置激光器应输出的重复频率和同步时钟信号确定GATE信号的输出。本专利技术具有以下有益效果及优点:1、充分利用工控机计算处理能力和存储能力强的优点，加快了加工过程2、协同控制单元协调加工头和激光器工作，能够实时控制整个加工过程，确保了加工的可靠性和高效率，同时加工的工件精度高。3、系统提供友好的人机交互界面，方便了操作。附图说明图1本专利技术的结构框图；图2本专利技术的协同控制单元结构框图；图3本专利技术的激光器脉冲输出时序示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术控制系统结构如图1所示，系统控制结构主要由三部分组成，分别是：工控机控制部分、数控系统部分、协同控制单元部分。这三部分具体通信交互如下：1)工控机和协同控制单元、数控系统通过RS232接口相连，接受来自协同控制单元的相关状态参数并传输给数控系统；同时读取加工头当前的运行参数和状态信息；控制激光器的开关以及接收激光器反馈的状态信息；2)工控机通过RS232接口将工艺数据表的制孔工艺参数传送给数控系统和协同控制单元，通过RS485接口将工艺数据表的制孔工艺参数传送给光束扫描模块和激光器，由协同控制单元控制激光器的重复频率完成微孔加工；3)协同控制单元通过加工头的调整电机的编码器同步输出差分信号获得当前的光斑位置信息；4)协同控制单元通过控制GATE信号，控制激光功率密度。其中，工艺数据库存储在工控机中，工艺数据库的参数、数据类型、单位及取值范围如表一所示。表一说明：1)以上2～6为制孔机床坐标；2)7～10为配合螺旋扫描的Z轴方向进给工艺参数；3)11为制孔时激光器输出功率值；4)12～17为制孔时四光楔光束扫描模块参数；5)18为工序标识，用于标识激光制孔时四光楔扫描头扫描轨迹，包括：螺旋线扫描(标识号：0)、划圆环扫描(标识号：1)以及选择加工(标识号：2)方式，具体可根据配置文件定义或修改，选择加工方式中异形孔各顶点由单独软件界面以极坐标方式定义，该极坐标系中心点与异形孔中嵌套的圆孔中心同心。本专利技术的协同控制单元结构框图如图2所示，协同控制单元包含ARM处理器、和FPGA模块。其中，ARM处理器，用于进行通信处理和参数提取，并将提取的加工参数发送给FPGA模块；提取的加工参数包括光斑旋转速度、变半径圈数。FPGA模块，主要包含三个模块：半径计算模块、角度计算模块、GATE控制模块，具体的：1)半径计算模块，接收来自加工头的驱动上偏旋转光楔的电机B(以后简称电机B)和驱动下偏旋转光楔的电机C(以后简称电机C)的编码器反馈信息，根据电机B和电机C的编码器的反馈信息可得到两个偏转光楔的位置信息，从而可计算得到孔径控制角的大小，再根据光束位置和孔径控制角的关系即可求得此时光束位置相对圆心的半径；光束位置相对圆心的半径：加工头中电机B和电机C通过控制上偏旋转光楔和下偏旋转光楔运动来控制光束相对圆心的半径的变化，此时实际的光束位置相对圆心的半径和该时刻的孔径控制角度有如下关系：r＝f*tan(k*a*sin(b))其中：r：光束位置相对圆心的半径；f：聚焦镜的焦距；k：常数，根据光学镜片的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统，其特征在于包括：工控机，用于根据用户的操作从工艺数据库获取加工参数，根据加工参数发送控制命令至数控系统，发送配置参数至协同控制单元，初始化激光器和加工头；数控系统，用于根据控制命令完成对机床轴运动的控制，并向控制协同控制单元发送加工开始和结束信号即开关量；协同控制单元，用于接收配置参数、数控系统发送的开关量以及加工头的调整电机反馈的位置信息，发送控制信号至激光器，实现圆形恒重叠率扫描螺旋加工控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统，其特征在于包括：工控机，用于根据用户的操作从工艺数据库获取加工参数，根据加工参数发送控制命令至数控系统，发送配置参数至协同控制单元，初始化激光器和加工头；数控系统，用于根据控制命令完成对机床轴运动的控制，并向控制协同控制单元发送加工开始和结束信号即开关量；协同控制单元，用于接收配置参数、数控系统发送的开关量以及加工头的调整电机反馈的位置信息，发送控制信号至激光器，实现圆形恒重叠率扫描螺旋加工控制。2.根据权利要求1所述的一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统，其特征在于，所述协同控制单元包括：ARM处理器，用于FPGA模块与工控机之间的通信，接收配置参数并提取所需参数发送给FPGA模块；FPGA模块，用于接收ARM处理器传送过来的参数、驱动上偏旋转光楔的电机B的编码器反馈信息、驱动下偏旋转光楔的电机C的编码器反馈信息、驱动位移旋转光楔的电机A的编码器反馈信息以及同步时钟信号，输出控制激光器脉冲输出的GATE信号。3.根据权利要求2所述的一种基于工控机的激光微孔加工协同控制系统，其特征在于，所述FPGA模块包括：半径计算模块，用于接收加工头中电机B和电机C的编码器的反馈信息，根据两个编码器的反馈信息即可得到两个偏转光楔的当前位置，根据该位置计算出孔径控制角度，然后根据孔径控制角算出光束位置相对圆心的半径；角度计算模块，用于接收电机A的编码器反馈信息，根据编码器反馈信息计算当前光斑旋转角度，其中光斑旋转360度则表示光斑扫过一圈；GATE控制模块，用于根据半径模块计算得到的光束位置相对圆心的半径、角度计算模块得到的光斑旋转角以及同步时钟信号来控制GATE信号输出，从而控制当前位置的激光器脉冲输出。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，何忠锴，王喆，武南，李博，刘春亮，
申请(专利权)人：沈阳高精数控智能技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21