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★ 深圳市大族智能控制科技有限公司 封雨鑫，李桂勝，朱李成

1　目標和概述

1.1　行業挑戰

國內的研究機構和企業針對激光切割數控系統的研究起步較晚，目前研發出來的主要是基于運動控制板卡的簡易控制系統，結構比較封閉，數據開放性不足，在很多智能制造場合的應用受到限制，只能滿足低端場合的應用。高速高精激光切割數控系統對平臺、架構、算法和工藝等方面的技術要求較高，長期以來國外企業對我們實施嚴格的信息保密和技術封鎖，使得我們在這一領域一直沒有取得實質性的突破。國外供應高速高精激光切割數控系統的廠家有德國西門子、德國力士樂、德國倍福等公司。這些廠家通過多年的積累和產業沉淀，開發出了具有行業代表性的高端激光切割數控系統，其產品不論是在結構、功能還是穩定性方面都有著非常大的市場競爭優勢，占據著激光切割數控系統行業的主要高端市場。

近年來國際形勢的變化給高度依賴進口的高速高精激光切割數控系統帶來了非常大的不確定性，自主研發、自主可控迫在眉睫，高速高精激光切割數控系統關鍵技術的研發也有著非常巨大的社會效益，對于我國激光切割產業的長期穩健發展有至關重要的作用。

1.2　目標和總體概述

激光切割技術近年來在國內高速發展，并迅速普及應用，但激光切割設備最核心的控制系統尤其是高性能的數控系統，一直以來依賴于進口，是一項“卡脖子”技術。本解決方案旨在攻克高實時性數控系統平臺、控制軟件、數控系統配套功能硬件、總線數據通訊等關鍵技術，打破國外對該類產品的技術壟斷，研發出具有全自主知識產權的高速高精激光切割數控系統，以滿足高速發展的激光切割行業對高性能國產數控系統的迫切需求，實現高速高精激光切割數控系統的國產化，并成功應用于工業領域，產品的性能指標達到力士樂、倍福等國外廠家同類產品標準，對國內同類型企業產生良好的帶頭示范效應，并推動我國激光切割控制技術和激光產業向更高的水平發展。

近年來，國內激光切割設備的研制和應用正在高速發展，高端激光設備的應用市場也越來越多地由國內廠商取得，高速高精激光切割數控系統的市場需求日益增加，市場前景廣闊。本系統作為高端激光裝備的核心控制系統，實現產業化之后大批量替代進口，可以節約大量成本，并縮短供貨和服務周期，與國外進口產品相比，在同等性能和質量前提下將會有明顯的價格優勢，在本土競爭將會具有絕對優勢，產業化前景廣闊。此外，隨著全球貿易形勢的惡化，國內廠商對于核心技術的國產化的要求越來越急切，這也將進一步推動本系統的快速應用推廣。本系統將有力地推動我國在高端裝備制造業領域的發展，對我國激光產業的技術進步與發展起到積極的促進作用。

2　方案詳細介紹

激光切割加工具有非接觸性、加工速度快、輪廓復雜多樣、工藝邏輯復雜等特點。激光切割數控系統相比于常規數控系統，其運動控制有著一定的獨特性，因此對控制邏輯有著更高的要求。本系統是全新一代自主知識產權數控系統，采用Intel四核高性能CPU平臺，配合無風扇密閉鰭片散熱工控機，運用高性能運動控制算法，集成自適應軌跡數據處理、S型速度規劃、多軸插補/耦合等功能，在保證穩定的前提下極大提升系統的性能。

2.1　高速高精激光切割數控系統架構（如圖1所示）

圖1 高速高精激光切割數控系統架構

系統采用工業PC架構，通過集成進Windows系統的實時軟件進行數控系統的內核調度。在非實時的應用層運行控制軟件及其他第三方軟件，與內核之間通過共享內存的方式進行通信。系統與外部I/O及伺服通過EtherCAT總線進行數據通信。

系統平臺采用開放式結構，結構靈活，可以依據機床的結構和復雜程度來配置硬件，并允許用戶方便快捷地將其所需要的功能自行集成到數控系統當中，能夠快速響應數控機床的發展和變化。開放式的數控軟件結構，方便用戶將自定義的特殊功能快捷地集成到數控系統中；開放式的數控硬件結構，可以根據數控機床的實際控制需要來配置I/O模塊，能夠以最低的成本和復雜度來適應各種類型數控機床的控制；采用廣泛使用的Windows操作系統，使用方便，資源豐富，便于用戶在此平臺上開發自己的特殊功能和程序；支持多種不同型號、不同檔次的計算機硬件，可以根據用戶對性能、成本的不同要求進行計算機硬件的靈活選配。

2.2　激光切割數控系統控制軟件研發

數控系統控制軟件作為數控系統的人機交互接口，是向外（客戶）展示其功能及特性的窗口，也是客戶操作人員使用最多的系統執行部件。軟件界面美觀大氣、控件豐富，操作便捷、功能齊全且運行穩定，控制精準，響應快速。

控制軟件展示如圖2所示。

圖2 高速高精激光切割數控系統控制軟件

2.3　數控系統配套硬件模塊及接口研發

為實現高速高精激光切割數控系統的精準運動控制，開發了數控系統配套硬件模塊和接口。配套模塊主要包括調高控制系統、軸控模塊、數字I/O模塊、模擬I/O模塊、脈沖控制模塊等，適配激光加工需求。

激光切割過程中需要實時地獲取工件表面與切割頭之間的距離值，并將該值反饋到系統進行高度調節，以使切割頭與工件表面保持一個固定的距離。調高控制系統是由傳感器-調高模塊-數控系統-電機組成的閉環系統，調高模塊獲取電容傳感器信號，并經過信號處理傳送到數控系統，數控系統輸出控制量對電機進行控制，電機通過機械結構連接傳感器，從而控制割嘴到板材的距離，保證焦點的準確性。軸控模塊用于激光加工機床的軸運動控制。數字I/O模塊和模擬I/O模塊是激光切割機床的數據采集、數據處理、過程控制輸入輸出的通用I/O模塊。調高控制系統架構如圖3所示。

圖3 調高控制系統架構圖

激光切割需要對激光的輸出參數進行控制，要做到響應速度快，同步性要求高。為了實現數控系統運動與對激光參數的控制高度同步，首先對激光參數的控制輸出量直接從數控系統內核產生，并且該輸出與運動控制的輸出同步，脈沖控制模塊接收到數控系統的脈沖寬度調制技術（Pulse Width Modulation，PWM）參數之后，通過內部芯片的計算，從芯片I/O口輸出相應的脈沖波，經過隔離電路和放大電路，最后輸出到激光器，從而控制激光器輸出相應的脈沖光。

2.4　數據通訊設計與接口開放

采用全EtherCAT數字總線通訊設計，調高控制系統、快速I/O模塊、通用I/O模塊、人機界面、操作系統等配套功能硬件均可以通過網線與系統主機連接，接線簡單，高效穩定。

本系統數據高度開放，預留了數據接口，支持外部設備和第三方軟件從系統便捷地獲取各類數據，可以方便地實現設備的互聯互通和數據交互，很好地支持設備物聯網和云服務。

2.5　安全措施設置

高速高精激光切割數控系統采用了安全可靠軟加密和硬加密技術。數控系統設置License許可，用戶在購買數控系統產品獲得授權后，方可使用。系統設置了數據自動保存備份與智能恢復、故障報警機制等諸多安全設置，其中報警機制包括內核報警、PLQ報警和數控（Numerical Control，NC）程序報警。控制軟件具備模式互鎖、操作互鎖、參數閾值防護等保護機制，確保操作安全。在硬件上也巧妙地設置了安全防護，其中工控機上設計了散熱鰭片，配套的操作面板設計了專用的加密模塊。數字I/O模塊、模擬I/O模塊等功能模塊上設計了溫度監控，可及時響應溫度異常故障?？紤]到傳感器散熱問題，由僅對陶瓷環進行冷卻的結構改變為對整個傳感器冷卻的結構，使加工過程的溫升得到有效控制。結合結構流體力學，設計出減弱影響電容感應值的陶瓷環結構，大幅提升了氣壓穩定性。傳感器上增加溫度檢測功能，加工溫度異常時能夠及時停機，有效保護傳感器切割頭。上述設計，大幅提升了高速高精激光切割數控系統的安全性、穩定性和可靠性。

3　代表性及推廣價值

3.1　應用情況及效果

該系統作為高端激光裝備的核心技術，實現產業化之后大批量替代進口，打破了國外進口產品對國內高速高精激光切割數控系統的壟斷局面，可以節約大量成本，并縮短供貨和服務周期，將有力地推動我國在高端裝備制造業領域的發展，普遍提升我國制造業的技術水平和生產效率，產生可觀的經濟效益和社會效益，對我國激光產業的技術進步與發展起到積極的促進作用。

3.2　技術示范效應

高速高精激光切割數控系統的所有軟硬件模塊實現全自主研發，打破激光切割機床在數控系統上對進口技術的依賴?；诩冘浐说拈_放式數控系統結構，系統主機無硬件板卡，算法直接運行在系統處理器上，最大限度提高運算能力，既發揮出通用操作系統的資源和生態優勢，又能夠滿足運動控制對實時性的要求。通過自適應的高性能運動控制算法，提升系統的控制性能；將軟件技術、控制技術與激光加工工藝深度結合，實現光機電一體精細化控制和效率的提升。系統采用全數字化總線通訊，系統硬件結構精簡，安裝調試方便，穩定性高。

3.3　商業價值

激光切割數控系統市場規模非?？捎^。據統計，僅2019年一年，國內市場銷售的激光切割設備就已經超過4萬臺，其中對性能要求較高的、需要配置高速高精激光切割數控系統的設備約2萬臺，市場規模超過10億人民幣。隨著激光切割設備繼續以每年20%以上的速度高速增長，高速高精激光切割數控系統的自主研發將會有著非?？捎^的經濟效益。母公司大族激光科技產業集團的設備研發、制造能力和市場推廣能力也為本系統的測試驗證和產業化提供了強力的支撐。本系統以良好的性價比優勢拓展市場規模、推動高速高精激光切割數控系統在激光行業的應用，現年銷售量已超過1200套，年銷售收入超過5000萬元。

3.4　社會價值

高速高精激光切割數控的成功研發與推廣應用，達到了鍛煉研發隊伍和培養人才的效果，特別是為業界培養了一批激光切割控制系統、激光加工工業軟件研發相關的專業技術人才，為企業、行業乃至國家培養了一批專業化的基礎工業人才，為高端國產數控系統的發展壯大做出積極貢獻。該系統的產業化、規?；l展帶動了基礎工業裝備和智能制造產業的快速發展，有利于產業結構的調整和優化，有利于提升我國工業制造的整體水平，為中國制造的產業轉型和升級提供強勁支撐。

摘自《自動化博覽》2022年6月刊