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小线段高速激光加工衔接研究 陈益民 (上海市激光技术研究所 上海200030) 摘要：本文以直线加减速为例，推导出衔接进给速度的全部约束条件，建立了小线段高速加 工速度衔接数学模型．在此基础上，以进给速度最大为目标，提出了一种求解衔接进给 速度近似最优解的新方法．推出“自适应预读功能一，可以在实时情况下，预处理几百 个Nc程序段，并且可以根据相应的进给速率自动调整加、减速控制． 关键字：速度衔接、加减速控制、高速加工、自适应预读功能、程序段 激光具有高相干性、方向性、高强度的特质，很容易获得很高的光通量密 度，将强的激光束聚焦到介质上，利用激光束与物质相互作用的过程来改变物 质的性质，这就是激光加工。激光加工技术随着光、机电、材料、计算机、控 制技术的发展已经逐步发展成为一项新的／j口z．技术。激光加工具有／j．z．对象 广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优 点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材 料消耗等的作用愈来愈重要。激光加工主要应用在电子、汽车、机械制造、钢 铁冶金，右油、轻工、医疗器械。包装、礼品工业、钟表、民爆．服装，化妆 品、烟草、航空航天等行业，而且应用范围越来越扩大，在激光打孔、激光毛 化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、激光雕刻等方面已得到广 泛应用。 激光雕刻、切割是用聚焦而成的高能量激光束将工件熔化或汽化，并用辅 助气体将熔化或氧化物吹出而形成切口。激光切割是激光加工中发展最成熟、 应用最广泛的激光加工技术之一。激光切割具有以下优点：切缝窄：节省切割 材料，还可以切不穿透的盲槽；能方便地切割易碎、脆、软、硬材料和合成材 料；切割速度高；无工具磨损；易于数控或计算机控制；噪音低，无公害。使 ，上O 用计算机CNC软件控制工件或激光束运动。 目前国内CNC软件可以实现两种单段轨迹运动方式：直线插补、圆弧插补。 运动控制平台所提供的轨迹运动都是在正交坐标系中描述的。当空间直线段的 起始和结束点被给定后，则整个线段就会以插补方式并可以结合TIS型加减速 运行。 要真正实现一个雕刻、切割方案，仅依靠上述几个特性(单段插补、圆弧 插补)是不够的，当加工数据的运动轨迹比较理想时，在运动的轨迹和速度上 没有跳变的存在，如图1所示，则按照上述的处理就很方便高效，而且不会带 来机械振动和马达丢步，也就不会形成加工工件的不合格。 图1： 当加工的轨迹不理想时，比如1000段小线段组成了一个连续轨迹，但这个 轨迹上有两处不平滑，形成了两个大锐角，如下图2所示。那么用连续插补直 接完成整个轨迹的运动就会在两个n急拐弯”的锐角处因为速度太高，造成机械 振动太大，马达失步重。而要将1000彀按每段单个的处理并赋以一起停n处理， 振动、失步会解决，而加工的速度过低，也不符合要求。 图2： 另外，实际加工中，连续轨迹一般都是由小线直线段捏合成的，应用圆弧 轨迹的比较少。因此用直线段逼近任意曲线就存在精度的问题了。很多CAD／CA M软件处对图形理后，所得出的加工文件，数据精度就不够。 如图3所示的轨迹，用不够精度的直线段模拟出的结果就变成了图4情况 图3： 图4： 这样的情况下，无论在轨迹加工的速度多么连续、多么柔甚至很慢，被加 工工件的轮廓和外型就不会光滑了，因为原本就如此!而且在机械振动的规避 上更难处理。 雕刻、切割运动控制系统方案，比如激光切割、广告／模具雕刻系统，其关 键点是对连续轨迹加工的处理，以实现平面或空间内任意曲线加工。一般实现 方式是用小线段来模拟实际的轨迹。由于实际加工中的轨迹往往不是很平滑， 所以要控制系统达到快、准、柔的高性能标准，就对运动控制软件高效实现提 出了很高的要求。目前，国外的一些高档数控系统和先进运动控制器已经具备 Look．ahead功能，该功能能够提前预测加工路径的情况，给出近似最优的衔接 进给速度，大大提高了小线段加工效率。但是其核心算法是严格必威体育官网网址的，而国 内对小线段高速加工的研究甚少，还处于起步阶段。徐志明等从动力学角度提 出了相邻路径段夹角对进给速度的限制，但是没有给出完整的数学模型和