CN202183030U - 激光切割机智能化计算机数控系统 - Google Patents

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王智勇
韩利生
张海波
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Abstract

本实用新型涉及一种计算机数控系统，特别是一种激光切割机智能化数控系统，属于数字控制应用领域。本系统在通用开放式计算机数控系统的基础上，配置了切割状态自动检测单元、激光切割专家系统和激光切割工艺数据库，具备自动检测、自动诊断、自动优化和自动学习功能等智能化特点。配备了智能化计算机数控系统的激光切割机，可以在线检测切割质量，并根据切割质量生成最佳的切割工艺方案，对激光输出功率、各轴运动速度、保护气体压力等参数进行优化处理，确保整个切割过程质量好、速度快、能耗低。

Description

激光切割机智能化计算机数控系统
技术领域
本实用新型涉及一种计算机数控系统，特别是一种激光切割机智能化数控系统，属于数字控制应用领域。 
背景技术
在数字控制领域中，数控系统是一种根据存储器中存储的控制程序来执行部分或全部数值控制功能、并配有接口电路和伺服驱动装置的自动化控制系统。数控系统通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现对一台或多台机械设备的位置、角度、速度等机械量和开关量进行控制，实现自动化作业。 
作为数控技术的最新发展，计算机数控系统是以计算机为硬件基础的一种专用计算机系统。计算机数控系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置、可编程逻辑控制器、电机驱动装置和检测装置等组成。计算机数控系统的运行模式是：数控程序通过输入装置输入到计算机数控装置，计算机数控装置按数控程序进行插补运算，通过输出装置发出控制指令到电机驱动装置，电机驱动装置将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；检测装置检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。 
计算机数控系统中最具发展前景的技术是开放式数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可以被利用，系统软硬件可以随着计算机技术的发展而升级，并且为用户二次开发也带来了方便。开放式数控系统，以工业计算机作为平台，采用实时操作系统，提供数控系统的各种功能，并通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电动机的运动。 
现有激光切割机普遍配置开放式数控系统对机床的各轴电机运动、激光输出功率、保护气体压力以及其它开关量和模拟量进行控制。但是现有激光切割机配置的开放式数控系统的所有控制指令都是由操作者事先编制完成 的，在加工过程中无法进行自动调整，具有以下缺点：1)不具备在线检测功能，无法获知激光切割的实际情况，只能在加工完成后由人工进行检测；2)不具备自动诊断功能，无法根据切割加工的效果对切割工艺参数的合理性进行判断；3)不具备切割工艺参数自动优化功能；4)不具备根据以往切割参数的统计结果，进行智能化分析和自动学习功能。 
中国专利《一种数控激光切割机控制方法》(公开号CN1555956)提供了一种数控激光切割机控制方法，该方法通过数控激光切割机的数控系统控制数控激光切割机、伺服放大器和伺服电机，实现急停状态或非急停、开伺服或关伺服、控制数控程序继续或停止、设置激光频率/占空比/爬升时间、选择激光模式和激光高低频及高低休眠等，但该方法目的在于改进数控激光切割系统的光机电协调性，提高激光切割的效率，并不具备自动检测、自动诊断、自动优化和自动学习功能。中国专利《精密加工激光切割机》(公开号CN1730225)提供了一种利用反射弧光或少量反射激光进行自动调焦的功能，可以将焦点精确定位，从而提高激光切割机的加工精度，但是对于激光输出功率、各轴运动速度、保护气体压力等参数并没有进行自动调节。中国专利《可调谐激光器的闭环反馈智能控制系统》(公开号CN201413925)提供了一种可调谐激光器的闭环反馈智能控制系统，数据采集系统采集分光镜的输出激光参数，主机将采集的激光参数与在主机内预先设置的激光参数进行比较，根据二者之间的差值形成控制信号来控制机械转台的旋角，实现对激光器的输出波长自动定标、自动完成功率检测和调节、波长和功率监测等多种功能，但是，该技术只对激光相关参数进行了检测和调节，并没有对各轴运动速度和气体压力等参数进行调节。中国专利《一种激光加工控制方法、系统及激光切割机加工系统》(公开号CN101862903A)提供了一种激光加工控制方法、系统及激光切割机加工系统，自动采样激光束加工速度，并根据激光束加工速度计算激光发生器的输出功率，但是并没有对各轴运动速度和气体压力等参数进行相应调节。美国专利《Laser cutting machine and method for laser cutting with measurement of resistance between cutting head and work piece》(专利号US 6008465)提供了一种自动检测并调节激光切割头与工件 之间的间隙，确保激光光束的焦点始终与切割表面保持一致的技术，但是该技术并没有对激光输出功率自动调节、各轴运动速度和气体压力等参数调节提出解决方案。 
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述技术缺点，提供了一种激光切割机智能化计算机数控系统。本系统在通用开放式计算机数控系统的基础上，配置了切割状态自动检测单元、激光切割专家系统和激光切割工艺数据库，具备自动检测、自动诊断、自动优化和自动学习功能等智能化特点。 
为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案： 
本实用新型提供的一种激光切割机智能化计算机数控系统，该系统包括切割状态检测与诊断模块19、激光切割专家系统模块20和激光切割综合数据库模块21；所述切割状态检测与诊断模块19对激光切割加工状态信息进行在线实时采集，并向所述激光切割专家系统模块20提供切割质量判断结论；所述激光切割专家系统模块20根据所述切割质量判断结论提供优化的切割工艺方案和加工参数；所述激光切割综合数据库模块21用于存储管理所述激光切割机智能化计算机数控系统的所有程序文件、机床状态、用户程序和加工状态数据。 
该系统还包括数控软件模块3、I/O模块18、多轴控制卡4和激光器系统16；所述数控软件模块3将所述激光切割专家系统模块20)提供的切割工艺方案和加工参数通过所述I/O模块18和所述多轴控制卡4发送到所述激光器系统16和切割机部件完成切割操作。 
机床状态信息、工件信息、程序信息数据在所述激光切割综合数据库模块21中进行存储管理。 
所述的切割状态检测与诊断模块19由混合滤波器22、切割参数处理器23和切割缺陷及加工状态模型库24组成。 
所述混合滤波器22将获取的切割状态信息进行混合滤波处理，去掉噪声和其它背景干扰信号，生成加工状态数字化信息。所述切割参数处理器23对 所述混合滤波器22生成的加工状态数字化信息进行模型化处理，并参照所述切割缺陷及加工状态模型库24中所存储的典型模型对现有加工状态进行判断，给出所述切割质量判断结论。 
所述的激光切割专家系统模块20包括激光切割工艺方案知识库25和推理机模块28。所述激光切割专家系统通过推理机模块28根据切割状态检测与诊断模块19提供的切割质量判断结论，调用激光切割工艺方案知识库25中的现有工艺方案及加工参数。 
所述的激光切割专家系统模块20还包括知识获取模块26和规则解释模块27。当激光切割工艺方案知识库25中没有该加工状态所对应的工艺方案及加工参数时，所述激光切割专家系统模块20通过人机界面通知操作者进行人工处理，并通过所述知识获取模块26和规则解释模块27把操作者的输入生成新的知识，完成激光切割工艺知识的自动获取过程。 
本实用新型提供的激光切割机智能化数控系统可以在线检测切割质量，并根据切割质量生成最佳的切割工艺方案，对激光输出功率、各轴运动速度、保护气体压力等参数进行优化处理，确保整个切割过程质量好、速度快、能耗低。 
附图说明
图1系统架构及功能模块图； 
图2切割状态自动检测与诊断模块图； 
图3激光切割专家系统模块图； 
图4激光切割工艺数据库模块图； 
图中：1、人机界面，2、工业计算机，3、数控软件模块，4、多轴控制卡，5、数据采集卡，6、检测信号变送器，7、多轴驱动模块，8、X轴电机，9、Y轴电机，10、Z轴电机，11、横梁及X轴传动链，12、切割状态采集器，13、工件，14、工作台，15、纵梁及Y轴传动链，16、激光器系统，17、I/O光电隔离模块，18、I/O模块，19、切割状态检测与诊断模块，20、激光切割专家系统模块，21、激光切割综合数据库模块，22、混合滤波器，23、切割参数处理器，24、切割缺陷及加工状态模型库，25、激光切割工艺方案知识 库，26、知识获取模块，27、规则解释模块，28、推理机模块，29、综合数据库，30、综合数据库管理模块。 
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实施例的工作过程。 
图1所示激光切割机智能化计算机数控系统中，人机界面1由键盘、鼠标、控制板和显示器组成，作为操作者对激光切割机进行参数设置、程序编制、加工操作等作业的接口，并通过信号线与工业计算机2连接；工业计算机2预装了操作系统软件，并在此基础上安装了数控软件模块3，此外，所述激光切割机智能化计算机数控系统还包括：切割状态检测与诊断模块19、激光切割专家系统模块20和激光切割综合数据库模块21；另外还在PCI扩展槽安装了多轴控制卡4、数据采集卡5和I/O模块18，并这些模块分别激光切割机相应的硬件进行连接，完成硬件功能；其中，多轴控制卡4与多轴驱动模块7连接，通过多轴驱动模块7给电机8、9、10供电，并完成预定的运动控制；数据采集卡5与检测信号变送器6连接，将切割状态采集器12传回来的信号进行放大和采集接收；I/O模块18与激光器系统和切割机的开关、按钮、限位、指示等开关量信号源进行连接，完成机床状态采集和逻辑动作等功能。 
图2中，切割状态采集器12位于激光切割头附近，用于在线实时采集切割面的加工状态信息，该信息通过检测信号变送器6进行电路滤波和放大后传送到位于工业计算机2中的数据采集卡5中，信号在数据采集卡5中进行A/D转换后送入切割状态检测与诊断模块19；切割状态检测与诊断模块19由混合滤波器22、切割参数处理器23和切割缺陷及加工状态模型库24组成；混合滤波器22将数据采集卡5传来的切割状态信息进行混合滤波处理，去掉噪声和其它背景干扰信号，生成加工状态数字化信息，切割参数处理器23对加工状态数字化信息进行模型化处理，并参照切割缺陷及加工状态模型库24中所存储的典型模型对现有加工状态进行判断，给出切割质量判断结论。 
图3中，激光切割专家系统模块20由激光切割工艺方案知识库25、知识获取模块26、规则解释模块27、推理机模块28组成。根据切割状态检测与 诊断模块19对当前切割状态和切割质量的判断，激光切割专家系统通过推理机模块28调用激光切割工艺方案知识库25中的现有工艺方案及加工参数，并通过软件数控模块发送到相应的I/O模块18和多轴控制卡4，由此完成对各轴运动速度和轨迹、激光输出功率、保护气体压力等参数的控制；如果激光切割工艺方案知识库25中没有该加工状态所对应的工艺参数，则专家系统通过人机界面通知操作者进行人工处理，并通过知识获取模块26和规则解释模块27把操作者的输入生成新的知识，完成激光切割工艺知识的自动获取过程，新生成的知识作为以后加工的参考。 
图4中，激光切割综合数据库21由综合数据库29和综合数据库管理模块30组成，对所有程序文件、机床状态、用户程序、加工状态等数据进行存储管理。 
切割状态采集器12在激光切割头进行切割处理的同时，在线实时采集切割面的表面粗糙度、飞边、氧化情况的有关加工状态信息，该信息通过检测信号变送器6进行电路滤波和放大后传送到位于工业计算机2中的数据采集卡5中，信号在数据采集卡5中进行A/D转换后送入切割状态检测与诊断模块19；切割状态检测与诊断模块19中的混合滤波器22将数据采集卡5传来的切割状态信息进行混合滤波处理，去掉噪声和其它背景干扰信号，生成加工状态数字化信息；切割状态检测与诊断模块19中的切割参数处理器23对加工状态数字化信息进行模型化处理，并参照切割缺陷及加工状态模型库24中所存储的典型模型对现有加工状态进行判断，给出切割质量判断结论。 
根据切割状态检测与诊断模块19对当前切割状态和切割质量的判断，激光切割专家系统通过推理机模块28调用激光切割工艺方案知识库25中的现有工艺方案及加工参数，并通过软件数控模块发送到相应的I/O模块18和多轴控制卡4，由此完成对各轴运动速度和轨迹、激光输出功率、保护气体压力等参数的控制；如果激光切割工艺方案知识库25中没有该加工状态所对应的工艺参数，则专家系统通过人机界面通知操作者进行人工处理，并通过知识获取模块26和规则解释模块27把操作者的输入生成新的知识，完成激光切割工艺知识的自动获取过程，新生成的知识作为以后加工的参考。 
配备了智能化计算机数控系统的激光切割机，可以在线检测切割质量，并根据切割质量生成最佳的切割工艺方案，对激光输出功率、各轴运动速度、保护气体压力等参数进行优化处理，确保整个切割过程质量好、速度快、能耗低。 

Claims (4)

1.一种激光切割机智能化计算机数控系统，其特征在于：该系统包括切割状态检测与诊断模块(19)、激光切割专家系统模块(20)和激光切割综合数据库模块(21)；
所述切割状态检测与诊断模块(19)对激光切割加工状态信息进行在线实时采集，并向所述激光切割专家系统模块(20)提供切割质量判断结论；
所述激光切割专家系统模块(20)根据所述切割质量判断结论提供优化的切割工艺方案和加工参数；
所述激光切割综合数据库模块(21)用于存储管理所述激光切割机智能化计算机数控系统的所有程序文件、机床状态、用户程序和加工状态数据。
2.根据权利要求1所述的一种激光切割机智能化计算机数控系统，其特征在于：该系统还包括数控软件模块(3)、I/O模块(18)、多轴控制卡(4)和激光器系统(16)；
所述数控软件模块(3)将所述激光切割专家系统模块(20)提供的切割工艺方案和加工参数通过所述I/O模块(18)和所述多轴控制卡(4)发送到所述激光器系统(16)和切割机部件完成切割操作。
3.根据权利要求1所述的一种激光切割机智能化计算机数控系统，其特征在于：机床状态信息、工件信息、程序信息数据在所述激光切割综合数据库模块(21)中进行存储管理。
4.根据权利要求1所述的一种激光切割机智能化计算机数控系统，其特征在于：所述的切割状态检测与诊断模块(19)由混合滤波器(22)、切割参数处理器(23)和切割缺陷及加工状态模型库(24)组成；
所述混合滤波器(22)将获取的切割状态信息进行混合滤波处理，去掉噪声和其它背景干扰信号，生成加工状态数字化信息；
所述切割参数处理器(23)对所述混合滤波器(22)生成的加工状态数字化信息进行模型化处理，并参照所述切割缺陷及加工状态模型库(24)中所存储的典型模型对现有加工状态进行判断，给出所述切割质量判断结论。 
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