1前言

激光切割利用聚焦后的高能量密度的激光作用于加工對象，激光和物體分子相互作用而使加工區的物體熔化。隨著光速的移動，就在物體中產生切縫，從而達到切割的目的。由于激光焦點和加工對象的相對位置決定了作用于加工對象上激光光斑和功率密度的大小，因此，激光焦點和加工對象的相對位置就對加工質量起著至關重要的作用。怎樣在激光切割加工過程中保持激光焦點和加工對象之間的相對位置為一合理而恒定的值，就成為激光切割加工中的一項關鍵技術。

研究激光切割焦點位置自動跟蹤系統可以分兩個方面來考慮：

(1)怎樣穩定、可靠而又方便地檢測出激光焦點和加工對象之間的相對位置

激光加工屬于非接觸加工，無法直接檢測焦點位置，而焦點位置由聚焦鏡和加工對象表面的距離決定。因此，常用的辦法是檢測聚焦鏡和加工對象表面的距離，從而間接檢測激光焦點和加工對象表面的相對位置。

常用的檢測方法分接觸式和非接觸式兩種：

接觸式傳感器采用一機械傳動裝置和一些直線位移傳感器(常用的為電感式傳感器)組成，將聚焦鏡和加工對象表面的相對位移轉換成電壓量供控制系統使用。

非接觸式傳感器是在光頭上裝一個電容和電感渦流式傳感器，利用光頭上傳感器的電容或電感的變化來檢測聚焦鏡和加工對象表面的相對距離。

這兩種檢測方法是為了不同的使用場合而定的，電容式非接觸式傳感器主要是用于三維激光金屬加工場合，因為這種場合不便于使用接觸式傳感器。其他場合則使用接觸式傳感器比較合適。

但這兩種傳感器都是采用模擬信號進行檢測處理的，而在激光切割過程中會在加工區產生電離作用，形成電磁干擾，對檢測結果產生影響；同時，電感型LVDT傳感器的響應頻率低，影響控制系統的動態特性，這些都是當前迫切需要解決的問題。

(2)在檢測出激光焦點和加工對象的位置變化以后，怎樣快速地補償掉偏差即位置隨動系統的設計問題

通常的分離式焦點跟蹤系統是利用單片機的最小系統控制步進電機實現的。由于單片機性能比較簡單，難以實現較為復雜的控制策略，而普通步進電機的動態特性比較差，很難滿足激光焦點跟蹤的快速要求。

為了克服上述缺點，本文介紹一種基于運動控制器的激光焦點自動跟蹤系統，采用光碼盤作為位移傳感器，利用運動控制器的主從跟蹤(電子齒輪)功能實現焦點位置誤差的快速補償。

2 控制系統硬件設計

控制系統由激光焦點位置傳感器——光碼盤，控制器——PARKER500-FOL運動控制器和執行裝置交流伺服系統組成。

光碼盤是在半閉環數控系統中使用最多的位移傳感器，它與電感式位移傳感器相比，具有穩定性好、動態特性好、抗干擾能力強、易于和位置控制器相聯等優點。但由于光碼盤是角度式位移傳感器，故必須經機械部件變換才能檢測激光焦點與加工對象表面的相對位移。我們是采用齒條帶動和光碼盤相聯的齒輪旋轉實現這一轉換的，具體結構在這里不加討論。

PARKER500-FOL運動控制器為一具有位置主從跟蹤功能的單軸運動控制器，它除了具有一般運動控制器的功能外，還具有對一光碼盤信號的位置自動跟蹤功能，利用這一特性可以實現自動加工時的激光焦點位置的自動跟蹤，也可實現在點動調整時的各種操作。

由于500-FOL運動控制器只能輸出兩路脈沖信號或脈沖和方向信號，因此，驅動裝置只能使用帶有脈沖輸入的全數字伺服系統。

整個系統的硬件框圖如圖1所示。

圖1 控制系統硬件框圖

從圖中可以看出，該系統和CNC系統通過I/O口相聯，接受CNC的I/O控制指令進行動作，具有較高的通用性和使用柔性，可以與任何CNC系統相聯接并協調工作。

3 工作流程

由于激光焦點位置跟蹤系統是整個激光加工控制系統的一部分，它必須受控于CNC主控系統，它為從動系統。

(1)系統上電后，500運動控制器自動控制電機回機械原位，等待CNC的控制命令。
(2)CNC可以通過I/O口向500運動控制器發點動調整命令，以調整好激光焦點的初始位置。
(3)通過設定命令設定焦點的初始位置作為焦點位置跟蹤的參考值。
(4)在自動加工時，CNC可以根據需要發布不同的命令，可以讓系統自動跟蹤加工對象表面的變化，也可以結束跟蹤。
(5)為了防止光頭與加工對象碰撞，在跟蹤完成時要將光頭移上一段距離，在下次跟蹤時要慢速自動找到焦點的位置。

一般情況下，點動調整可由面板開關配合完成，而自動狀態則由CNC的M代碼經過PLC處理后輸出控制焦點位置跟蹤系統。

4 控制流程

PARKER500-FOL運動控制器采用的是邏輯控制和運動控制混合編程方法，上電后根據控制程序自動執行。

由于焦點位置自動跟蹤系統和主控制系統通過I/O口交換信息，它是根據I/O口的控制命令執行相應的動作。焦點位置自動跟蹤系統要完成圖2所示流程圖規定的動作。

圖2 焦點位置自動跟蹤系統流程圖

點動子程序主要用于調試工作和初始焦點位置對準。由于不同厚度的鋼板，激光焦點距加工對象表面的距離要求不同，所以每次加工一個新的材料之前，要手動調好焦距，然后通過設定功能記下傳感器的位置，作為焦點位置跟蹤的參考點。

在加工過程中，數控系統根據數控程序的不同的M代碼經I/O口控制焦點位置控制裝置完成跟蹤、保持和注銷功能。考慮到加工過程可能要通過已切掉的部分，此時要關掉焦點位置跟蹤功能，以避免激光切割光頭掉進切割形成的洞中而損壞。另外，考慮到加工對象表面的變化，在關掉跟蹤功能的同時要抬起光頭一段距離，在打開焦點位置自動跟蹤功能時再自動對準焦點。

5 小結

由于光碼盤為數字化位移傳感器，故其檢測的穩定性要高于電感式LVDT位移傳感器；PARKER500運動控制器對光碼盤的采樣頻率非常高，所以，采用光碼盤傳感器和PARKER500運動控制器結合檢測，可以大大提高系統的響應速度；PARKER運動控制器有效的位置控制算法可以保證主從跟蹤誤差在幾個絲之內，完全能滿足激光切割對焦點位置精度的要求。