一種振鏡式激光掃描大幅面材料成形加工控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于激光加工系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種振鏡式激光掃描大幅面材料成形加工控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]振鏡式激光掃描加工是一種高精度、高效率的先進(jìn)加工方式，利用高能量光束與物質(zhì)的相互作用、及伺服性能優(yōu)異的終端執(zhí)行器(掃描頭)，對各類材料進(jìn)行成形加工，其典型應(yīng)用包括3D打印成形、激光標(biāo)刻、激光焊接、激光切割等。振鏡式掃描頭由有限轉(zhuǎn)角的伺服電機(jī)及其電機(jī)軸上的鏡片構(gòu)成，單套二維振鏡式激光掃描系統(tǒng)包括2個掃描頭，通過2個掃描頭的運(yùn)動配合，實(shí)現(xiàn)激光光斑在材料成形工作面上的運(yùn)動，這種加工方式的主要不足在于單套激光掃描系統(tǒng)的掃描面積有限。
[0003]當(dāng)前，工件尺寸大型化是材料加工的特點(diǎn)之一，對于大幅面材料成形加工，可采用單套分時(shí)加工和多套分區(qū)加工兩種方式。單套分時(shí)加工方式只需單套振鏡式激光掃描系統(tǒng)，如果超出激光掃描系統(tǒng)的有效掃描面積，將材料成形工作臺與雙掃描頭固定位置作相對運(yùn)動，便可實(shí)現(xiàn)大幅面材料成形加工，單套分時(shí)加工的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不足之處在于加工效率低；多套分區(qū)加工需要根據(jù)工件加工尺寸，配以多套振鏡式激光掃描系統(tǒng)，例如:單套激光掃描系統(tǒng)的有效掃描面積為500mm X 500mm，材料成形加工面積為100mmX 1000mm，那么至少需4套激光掃描系統(tǒng)，N套振鏡式激光掃描系統(tǒng)同時(shí)工作，材料成形面積、加工效率均是單套激光掃描系統(tǒng)的N倍，多套分區(qū)加工的優(yōu)點(diǎn)在于加工效率高，能夠適應(yīng)大尺寸工件的高速成形加工需求，但其需保證各套激光掃描系統(tǒng)之間的協(xié)同運(yùn)動，即需解決多套激光掃描控制系統(tǒng)之間的集成問題。
[0004]現(xiàn)有解決多套激光掃描控制系統(tǒng)集成問題的常規(guī)方案是將各激光掃描系統(tǒng)的運(yùn)動控制卡插入上位機(jī)插槽，構(gòu)成控制核心；運(yùn)動控制卡一般基于PCI (PeripheralComponent Interconnect, PCI)總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，上層軟件通過調(diào)用運(yùn)動控制函數(shù)對運(yùn)動控制卡進(jìn)行操作，運(yùn)動控制卡根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的控制指令，輸出符合要求的控制信號，這種基于運(yùn)動控制卡的控制方式在行業(yè)中得到廣泛使用。然而，進(jìn)一步研究，上述控制方式仍然存在以下的缺點(diǎn)或不足:PCI是一種外圍部件互聯(lián)的局部總線，基于該P(yáng)CI總線集成，多塊運(yùn)動控制卡插入上位機(jī)插槽，上位機(jī)體積相對較大、數(shù)控系統(tǒng)的擴(kuò)展性相對較差；其次，PCI總線的工作頻率為33MHz/66MHz，控制卡通過PCI總線和上位機(jī)通信，數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相對不高。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供了一種振鏡式激光掃描大幅面材料成形加工控制系統(tǒng)，結(jié)合采用多套振鏡式激光掃描系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)行加工的特點(diǎn)，相應(yīng)設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)多套振鏡式激光掃描系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)動的激光掃描控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于EtherCAT (Ethernet for Control Automat1n Technology, EtherCAT)總線冗余環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，激光掃描主控制器為通信主站，多個激光掃描從控制器為通信從站；本實(shí)用新型可有效解決現(xiàn)有多套振鏡式激光掃描系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)動的大幅面材料成形激光加工裝備組態(tài)剛性、兼容性差、實(shí)時(shí)性低等問題，同時(shí)還具備平臺兼容性好、穩(wěn)定性高、通信速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于各類振鏡式激光掃描大幅面材料成形激光加工系統(tǒng)中。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提出了一種振鏡式激光掃描大幅面材料成形加工控制系統(tǒng)，其特征在于，該加工控制系統(tǒng)包括激光掃描控制系統(tǒng)、激光掃描光學(xué)系統(tǒng)和上位機(jī)，其中:
[0007]該激光掃描控制系統(tǒng)為主-從結(jié)構(gòu)，包括激光掃描主控制器和激光掃描從控制系統(tǒng)；其中，所述激光掃描從控制系統(tǒng)包括N個激光掃描從控制分系統(tǒng)；所述N個激光掃描從控制分系統(tǒng)的控制核心為N個激光掃描從控制器；所述激光掃描主控制器和N個激光掃描從控制器基于EtherCAT總線冗余環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，所述激光掃描主控制器作為EtherCAT通信主站，與所述第一個激光掃描從控制器以及第N個激光掃描從控制器相連，所述N個激光掃描從控制器作為EtherCAT通信從站，依次相連，其中N為大于I的正整數(shù)；
[0008]該激光掃描光學(xué)系統(tǒng)包括N個激光掃描光學(xué)分系統(tǒng)，所述N個激光掃描光學(xué)分系統(tǒng)包括N個光源、N個光束整形及聚焦組件和N個雙振鏡式掃描頭；所述N個激光掃描光學(xué)分系統(tǒng)對應(yīng)的由所述N個激光掃描從控制器控制；
[0009]該上位機(jī)用于實(shí)現(xiàn)材料成形加工過程的管理與監(jiān)控，其通過總線與所述激光掃描主控制器雙向通信。
[0010]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述第一個激光掃描從控制器具有伺服和通信功能，其包括伺服控制模塊和第一 EtherCAT通信模塊；所述伺服控制模塊控制底層單元，實(shí)現(xiàn)聚焦光斑在大幅面材料成形加工面上的掃描加工；所述第一 EtherCAT通信模塊提供2個EtherCAT數(shù)據(jù)收發(fā)端口，用于所述第一個激光掃描從控制器與所述激光掃描主控制器以及第二個激光掃描從控制器間的基于EtherCAT總線冗余環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接。
[0011]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述激光掃描主控制器包括第二 EtherCAT通信模塊，所述第二 EtherCAT通信模塊提供2個EtherCAT數(shù)據(jù)收發(fā)端口，用于所述激光掃描主控制器與所述第一個激光掃描從控制器以及第N個激光掃描從控制器間的基于EtherCAT總線冗余環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接。
[0012]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述激光掃描主控制器提供多種總線通信接口，包括PCI總線、EtherCAT總線、RS-485總線、USB總線和CAN總線，用于與所述上位機(jī)的雙向通信。
[0013]作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述上位機(jī)包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器和高性能單片機(jī)。
[0014]總體而言，通過本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):
[0015]本實(shí)用新型的振鏡式激光掃描大幅面材料成形加工控制系統(tǒng)，面向大幅面材料成形加工過程中，多套振鏡式激光掃描系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)動的應(yīng)用領(lǐng)域。激光掃描控制系統(tǒng)采用主-從控制結(jié)構(gòu)，由激光掃描主控制器與上位機(jī)雙向通信，簡化了整機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的接線，優(yōu)化了整機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；激光掃描主控制器和多個激光掃描從控制器基于EtherCAT總線冗余環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集成，提升了整機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的擴(kuò)展性、信息通信的速度和可靠性；激光掃描主控制器提供多種總線通信接口與上位機(jī)雙向通信，包括PCI總線、EtherCAT總線、RS-485總線、USB總線和CAN總線，便于構(gòu)建不同框架的整機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，具有良好的開放性和兼容性、組態(tài)靈活。本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有振鏡式激光掃描大幅面材料成形激光加工裝備組態(tài)剛性、實(shí)時(shí)性低等問題，適用于各類振鏡式激光掃描大幅面材料成形激光加工系統(tǒng)，新開發(fā)裝備獲得更優(yōu)異的產(chǎn)品品質(zhì)；同時(shí)，在不改變原裝備數(shù)控系統(tǒng)軟件框架的前提下，快速完成裝備的升級改造。
【附圖說明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型的加工控制系統(tǒng)的激光掃描控制系統(tǒng)方式結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本實(shí)用新型的加工控制系統(tǒng)的光束光路示意圖；
[0018]圖3是本實(shí)用新型的激光掃描控制系統(tǒng)的基于EtherCAT冗余環(huán)型拓?fù)浼墒疽鈭D；
[0019]圖4是本實(shí)用新型的基于EtherCAT通信的激光掃描從控制器原理圖；
[0020]圖5是本實(shí)用新型的基于EtherCAT通信的激光掃描主控制器原理圖；
[0021]圖6是本實(shí)用新型的基于PCI總線的加工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖7是本實(shí)用新型的基于EtherCAT總線的加工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖8是本實(shí)用新型的用于大幅面材料成形激光加工中時(shí)激光掃描控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025]本實(shí)用新型提供的加工控制系統(tǒng)可用于各類振鏡式激光掃描大幅面材料成形加工裝備中，如3D打印成形機(jī)、激光標(biāo)刻機(jī)、激光焊接機(jī)、激光切割機(jī)等，其基本原理是根據(jù)單套振鏡式激光掃描光學(xué)系統(tǒng)的有效掃描面積大小，將大幅面材料加工面劃分為“N”個小于或等于單套激光掃描光學(xué)系統(tǒng)加工幅面的區(qū)域，通常小于單套系統(tǒng)的加工額定幅面，以保證相鄰區(qū)域有重疊，單套激光掃描光學(xué)系統(tǒng)由其對應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，其中，N為大于I的正整數(shù)。
[0026]如圖1-3所示，本實(shí)用新型的一種振鏡式激光掃描大幅面材料成形加工控制系統(tǒng)，其包括上位機(jī)1、激光掃描控制系統(tǒng)4、激光掃描光學(xué)系統(tǒng)5，其中，激光掃描控制系統(tǒng)