摘 要

激光加工技术是一种先进制造技术，而激光切割是激光加工应用领域的一部分，是激光加工行业中最重要的一项应用技术，是当前世界上先进的切割工艺。激光切割设备在业界以其高速、高精度和高可靠度得到了越来越广泛的应用。目前，其控制系统正朝着智能化、网络化、开放化方向发展，而运动控制的执行部件，包括运动控制器和伺服系统，是用来保证其高速高精度的。本课题将以激光切割头为入手点，以CAN总线和以太网为基础，通过LC谐振电路，通过放大和分频电路检测出电容的变化量。根据电容和周期的关系可以换算出变化的周期，通过总线传输相应的数据给伺服驱动器，其中信号的处理方式是电容数字信号控制，设计出一套随动系统，自动实现激光头的距离检测和调节高度。

关键词：激光，切割，随动，新兴技术。

Design of laser cutting with dynamic head

ABSTRACT

Laser processing technology is a kind of advanced manufacturing technology, and laser cutting is a part of the laser processing applications, is one of the application of laser processing industry ，is one of the most important technology, is the current world advanced cutting technology. Laser cutting equipment in the industry with its high speed, high precision and high reliability has been more and more widely used. At present, the control system is developing in the direction of intelligent, network and open, and the implementation of motion control, including motion controller and servo system, is used to ensure its high speed and high precision. This topic will to laser cutting head for the starting point, with CAN bus and Ethernet based, through the LC resonance circuit, by amplifying and frequency detection circuit capacitance variation. According to the relationship between capacitance and cycle can change a conversion cycle, transfer the corresponding data to the servo drive through the bus., the signal processing is digital capacitance signal control to design a servo system,laser detection distance and height adjustment automatically.

Key words：Laser, Cutting, The follow-up, Emerging technology.

目录

第一章 前言 - 2 -

1.1 课题研究背景及意义 - 3 -

1.2 国内外研究动态及发展趋势 - 4 -

1.2.1 国外激光切割头随动系统发展现状 - 4 -

1.2.2 国内激光切割头随动系统发展现状 - 4 -

1.3 本章小结 - 6 -

第二章 随动系统的主要研究内容 - 6 -

2.1 总体设计方案分析 - 7 -

2.1 激光切割头随动系统的工作原理 - 7 -

2.3 控制系统设计目标 - 7 -

2.4 研究方法及技术路线 - 8 -

2.4.1激光切割头随动系统硬件设计 - 8 -

2.4.2 激光切割头随动系统的软件设计 - 10 -

第三章 随动系统的硬件设计 - 10 -

3.1 以太网芯片的选择 - 11 -

3.2 dsPIC的选择 - 12 -

3.3 D/A转换电路的设计 - 15 -

3.4 键盘芯片的选择 - 16 -

3.5 驱动电路电源 - 17 -

3.6 SPI串行接口 - 18 -

第四章 随动系统的软件设计 - 19 -

4.1 MPLAB开发环境介绍 - 19 -

4.2 SPI模块程序设计 - 20 -

4.3 控制模块总体设计 - 21 -

4.4 PID算法流程 - 22 -

致 谢 - 24 -

参考文献 - 25 -

第一章 前言

1.1 课题研究背景及意义

激光作为一门新颖的科学技术发展很快，迄今为止几乎渗透到了所有的自然科学领域中，如遥感、通信、制导、医学等。在工业生产中，激光加工作为一种特殊的加工方式，具有加工质量好、精度高、工艺集成性好、经济效益好等特点，目前激光技术己深入到了国民经济的各行各业，主要有激光切割、激光标记、激光打孔、激光焊接、激光雕刻等方面，其中激光切割是激光加工业中最主要的一项应用，占整个激光加工业的70%以上。与其他切割方法相比，激光切割的最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点，同时还具有切割面质量好、切割时噪声小、割缝细、低污染等优点。所以被广泛用于各工业生产部门中。

在激光切割过程中，为了保证切割质量，需要使切口处的功率密度最大，这要求切割头的喷嘴与被加工表面有一定间隙，而且要保证间隙恒定。但由于前期工序产生装夹误差、工件本身的表面平整度等误差，这就导致喷嘴与工件的间距不能保持恒定不变，从而使切割质量变差，严重时甚至根本不能切割，而且很可能会使切割头与工件表面发生碰撞，损坏切割头零件。所以，设计出一套可以自动实现激光头的距离检测和调节高度的随动系统，能大大提高劳动生产率、提高激光切割质量，是有实用价值的，对激光切割设备的国产化，降低生产成本，减少对国外设备的依赖性，也有一定的意义。

激光切割设备在业界以其高速、高精度和高可靠度得到了越来越广泛的应用。目前，其控制系统正朝着智能化、网络化、开放化方向发展，而运动控制的执行部件，包括运动控制器和伺服系统，是用来保证其高速高精度的。运动控制器主要实现位置控制以及反馈信号处理等功能，但是运动控制器中处理器的执行速度又与数控系统的位控周期、控制轴数相制衡。而基于数字信号控制器的运动控制器能很好的解决这些问题，随着数字信号控制器技术迅猛发展，其性能越来越好，处理速度越来越快，价格也越来越便宜。所以，为适应与日俱增的生产控制要求，数字信号控制器在激光切割系统上的应用也越来越普遍。

在一个完整的数控系统中，需要上位机和下位机的配合，所以就涉及到数据传输问题。传统的总线传输途径有RS-232，RS-485，PCI，USB等，但上述总线具有传输距离短，接口复杂，通信速率低的缺点，所以不适合本设计的要求。然而随着互联网技术的飞速发展，计算机网络已渗透到了人们的生产生活中，同时也带动了网络技术的发展的脚步，其中占网络技术主导地位的以太网技术获得了全球性的重视和支持。在控制系统中，以太网在其通讯中对其进行了实时性地优化和改进，保证了系统的实时性和稳定性。同时在现场总线中，CAN总线是被誉为最有发展前景、最具发展潜力的现场总线之一，作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中。因此，将以太网技术和CAN总线作为控制总线应用到控制系统中已经成为必然趋势。

1.2 国内外研究动态及发展趋势

1.2.1 国外激光切割头随动系统发展现状

国际方面，激光加工在国外已受到政府部门、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。从上世纪50年代开始，美国部分科研机构和高校就致力于微型传感系统的研制。目前用于激光加工机的位移传感系统的尖端技术主要掌握在美国、日本和欧洲的企业手中，例如意大利的Prima公司和德国的Precitec公司都是该领域的龙头企业，其研制的距离跟随传感系统的精度甚至已经达到0.1μm，该系统传感类型主要是电容式，这种类型的传感器结构简单、体积小、分辨力高、本身发热小，这些优点十分适合于激光加工。特别是西方的集成电路技术发展十分迅速，因此在自动控制激光加工领域，其传感系统的优越性进一步体现出来。目前，国外这种带有高度跟随控制机制的激光切割头已成为商品在市场上销售，其中以德国的Precitec公司的LasermaticZ系列最为知名，可用于C0₂一2D切割、C0₂一3D切割和Nd:YAG一3D切割。但其价格不菲，普及受到限制。