激光数控技术工业设计研究 本文关键词：工业设计，激光，数控技术，研究
激光数控技术工业设计研究 本文简介：摘要:激光数控技术准确度影响工业设计质量，提出基于激光数控技术的工业设计方法，以提高工业设计质量。激光数控技术依托激光数控系统实现工业设计，激光数控系统拓扑结构中工控机掌握加工信息向数控机下达控制命令;激光数控技术通过导入工业设计CAD数据、数控路径选取与优化、碰撞检测、数控模拟等步骤实现工业设计离
激光数控技术工业设计研究 本文内容：
摘要:激光数控技术准确度影响工业设计质量，提出基于激光数控技术的工业设计方法，以提高工业设计质量。激光数控技术依托激光数控系统实现工业设计，激光数控系统拓扑结构中工控机掌握加工信息向数控机下达控制命令;激光数控技术通过导入工业设计CAD数据、数控路径选取与优化、碰撞检测、数控模拟等步骤实现工业设计离线自动编程;基于上述编程控制激光数控系统的步进电机，构建步进电机加减速控制模型，控制激光数控加工主轴转动状态与步进电机转轴速度。实验结果说明:采用激光数控技术完成工业设计过程中，所提方法自动离线编程准确度高达100%，控制步进电机误差较小，是一种高精确度的工业设计方法。
关键词:激光数控技术;数控机;离线自动编程;步进电机;加减速控制;工业设计
1引言
工业设计过程中往往应用到一些加工手段，通过产品实际加工结果不断优化设计方案，数控技术、切割技术、雕刻技术等使用频率较高［1］。伴随激光技术快速发展，激光数控技术在工业设计中脱颖而出，激光数控技术包含光、电、机等多元素组合，是一种新型先进加工技术［2］。激光数控技术具有节约加工材料资源、工件加工工艺精确度高优势，医疗器械制造、电子器件生产、航空零件制造等领域均倾向使用激光数控技术，激光数控技术逐渐成为自动化加工生产主流技术方向［3］。工业设计过程中，需不断生产设计样品，从中寻找不足之处，优化产品设计参数，获取高质量工业设计成果［4］。生产设计样品过程中采用激光数控技术完成样品切割、雕刻、打磨等工艺。激光数控技术的控制精度与编程是实现激光数控技术优异性能的关键环节［5］。因此，本文从离线自动编程与步进电机控制两方面研究激光数控技术在工业设计中的应用过程，离线自动编程技术为激光数控步进电机提供有效编程，为实现高精度控制提供数据支持［6］;步进电机是影响整个激光数控系统加工运行关键硬件，决定激光数控系统执行工艺操作步数大小、步数速度等参数，合理控制步进电机是实现激光数控技术高精度的重要途径［7］。激光数控技术以激光数控系统为依托实现工业设计，因此，本文首先介绍激光数控系统拓扑结构，阐述数控机与工控机间的控制关系;其次介绍激光数控技术离线自动编程流程;最后构建激光数控系统步进电机加减速控制模型，基于加减速模型，有效控制激光数控步进，提高激光数控技术在工业设计中的应用性能。
2激光数控技术在工业设计中的应用
2.1激光数控系统拓扑结构设计
激光数控技术依托激光数控系统实现工业设计，工控机是整个激光数控系统的关键硬件，激光数控系统的中间层是数控系统与协同控制单元［8］;激光数控系统的被控制对象包括激光器、功率监测模块、终端监测模块、单位检测辅助定位模块等，激光数控系统拓扑结构框图用图1描述。在工业设计数据分析与存储方面，由工控机向数控机传达工作指令，表现如下［9］:激光数控系统监测到的加工信息集中在工控机中，基于该数据信息数控机向数控机下达控制命令;数控机根据执行参数调整激光数控系统运行角度、转动方向等。多通道式分体结构是数控机的结构形式，该激光数控系统携带两个通道，一个通道利用M－Ⅲ总线与脉冲控制方法实现激光数控系统运动控制;另一个通道利用SSBⅢ总线通讯方式实现IO与面板控制［10］。工控机向数控机传达加工参数信息，基于该信息数控机执行位置控制与工艺操作。
2.2基于激光数控技术的离线自动编程
激光数控技术广泛应用在工业设计领域，该过程中使用的编程技术一般为离线自动编程技术。以前沿计算机软件技术为依托，实现激光数控系统的离线自动编程，达到CAD/CAM一体化局面［11］。工业设计过程中待设计产品的机床识别数控代码可通过处理产品CAD数据获取，激光数控机床接收到数控代码后开始运行［12］。精确度高、效率高、能耗小是离线自动编程技术的优势。PEPSPentacut是工业设计采用的激光数控系统频繁使用的离线自动编程软件，该软件实施离线自动编程过程用图2描述。结合图2分析激光数控运行过程中的离线自动编程技术流程，工业设计使用的激光数控技术首要要求是定位精准程度，所以需从激光数控技术特质出发，在工业设计中合理使用离线自动编程技术［13］，离线自动编程流程可描述为:(1)工件定位:为设计完成的产品CAD数据模型设置3个定点，在产品中找到相应的3个定点并标记;Pentacut软件接收到CAD数据模型，对比数据模型定点与产品实际定点获取误差值，当误差值足够小时完成工件在激光数控系统中的定位。(2)激光数控路径中的全部点、激光头路径在选中合理数控路径时自动显现［14］。各个坐标点的数控工艺参数可通过法线方向以及疏密程度获取。(3)离线自动编程中的碰撞检测与数控模拟是针对提高激光数控运行安全性设置，为避免财产损失、清除安全隐患，通过分析数控工艺参数判断工件与激光头能否产生冲突。
2.3激光数控技术的步进电机加减速控制模型
在工业设计中，采用上述离线自动编程控制激光数控系统的步进电机，同时设计激光数据控步进电机加减速控制模型，以提高激光数控技术在工业设计中应用的精确度。该模型引用计数法控制过程如下［15］:离散激光数控加工主轴转动频率，采用的自变量一致;定义激光数控加工主轴转动频率、步进电机转轴频率用f(t)、f(m)描述，步进电机转动角度与步数分别用γ、m描述;该设置下，获取激光数控步进电机加速控制阶段离散化前后模型图，用图3描述。分析图3能够看出激光数控系统步进电机加速控制离散化变形前后变化情况，离散化后步进电机转轴频率愈发紧凑，这种现象说明激光数控系统对步进电机控制能力增强［16］。加速控制步进电机时，应采取有效措施解决电机转速不足引起工业设计数据丢失与失控问题，最终决定减小加速控制时间间隔，缓解该现象。
3实验分析
为验证本文方法在工业设计中的有效性与优势，搭建实验环境，进行激光数控技术测试。以汽车车身覆盖件设计为例，分析激光数控技术在工业设计中的应用情况。
3.1数据分析与存储性能
采用本文方法控制汽车车身覆盖件切割加工，选取5种规格差异小、形状不同的车身覆盖件最为被测试对象，根据加工完成的样品，不断优化车身覆盖件设计。记录该过程中本文方法分析、存储工业设计数据的性能，如表1所示。从表1能够清楚掌握本文方法分析、存储工业设计数据情况，本文方法分析工业设计数据用时在42ms～69ms之间，存储工业设计数据用时在32ms～39ms之间，略低于分析数据用时;本文方法分析与存储工业设计数据时CPU占用率均值约为7.3%，占用系统资源比重较低，可快速完成数据分析与存储迅速进入产品加工状态，提升工业设计效率。实验结果表明，本文方法分析与存储工业设计数据可靠程度较高。
3.2离线自动编程技术性能分析
为验证本文方法进行离线自动编程的性能优势，采用基于CDIO数控方法、基于PMAC数控方法进行对比实验，表2描述了三种方法在规定时间内离线自动编程数量。分析表2能够看出，前5s内，本文方法完成自动编程6条，基于CDIO数控方法自动编程4条，基于PMAC数控方法自动编程3条;前10s内，本文方法完成自动编程13条，基于CDIO数控方法自动编程6条，基于PMAC数控方法自动编程8条;实验进行到30s时，本文方法已经自动编程44条，相比基于CDIO数控方法多29条，相比基于PMAC数控方法多19条;实验总长为50s，该过程中，本文方法自动编程115条，基于CDIO数控方法自动编程52条，基于PMAC数控方法自动编程54条。综合分析这些数据能够看出，本文方法在规定时间内离线自动编程数量远远多于另外两种方法，具有较高的自动离线编程效率。综合上述数据可知，本文方法自动离线编程误差为0，为实现激光数控有效运行提供有利条件，实现工业设计过程中激光数控精准控制。
3.3激光数控步进电机控制分析
激光数控步进电机控制是激光数控技术的关键环节，影响激光数控技术在工业设计中的精确程度，为此，测试本文方法步进电机控制性能，引用S曲线步进控制方法、基于DSP的步进控制方法进行对比实验，突出本文方法性能优势。三种步进电机控制方法控制速度如图4所示。分析图4能够看出，本文方法输出同脉冲频率用时最短，输出60kHz脉冲频率本文方法消耗66.3ms，相比S曲线步进控制方法节约144.3ms，相比基于DSP的步进控制方法节约231.8ms;输出1200kHz脉冲频率时，三种方法用时差距最大，本文方法仅消耗112.3ms即完成脉冲输出任务，相比S曲线步进控制方法、基于DSP的步进控制方法分别节约989.2ms、1102.2ms。该组数据表明，控制激光数控步进电机过程中，本文方法输出脉冲用时最短、速度最快。激光数控步进电机控制误差即为激光数控加工脉冲频率与步进电机真实输出脉冲频率的差，计算三种方法控制误差，制成图5。由图5可知，本文方法控制步进电机误差最小，前12kHz脉冲频率中，本文方法控制误差为0，达到无误差状态，脉冲频率为60kHz时，本文方法控制误差为0.02kHz，脉冲频率为1200kHz时，控制误差为15.65%;相比本文方法而言，S曲线步进控制方法在1200kHz脉冲频率时的控制误差高达113.13kHz，超出本文方法97.48kHz;从柱形图高度分析，基于DSP的步进控制方法控制误差明显高于本文方法，控制1200kHz脉冲频率该方法控制误差高达119.64kHz，比本文方法高约103.99kHz。实验结果表明，本文方法在三种控制方法中具有控制误差小的优势，为工业设计提供精准的激光数控技术。
4结论
激光数控技术在工业设计中的应用研究较多，并取得优异成绩。提出激光数控技术在工业设计中应用的新方法，主要从激光数控离线自动编程与步进电机控制两方面入手:(1)离线自动编程是工业设计中常用的编程技术，具有编程速度快、准确度高的优势，为准确控制步进电机提供数据基础;(2)步进电机控制是激光数控技术的关键环节，准确控制步进电机就是准确控制激光数控系统，同时构建步进电机加减速控制模型，实现对激光数控加工主轴转动的控制，控制步进电机的转轴速度。方法不仅利于提高工业设计精确度，并且实现离线自动编程技术与步进电机有效结合，为设计高质量工业产品提供崭新手段。
作者：苏锐 单位：桂林电子科技大学信息科技学院
激光数控技术工业设计研究 来源：网络整理
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