洛源伺服在单台面光纤激光切割机上的应用

设备简介

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图1  设备示意图

光纤激光切割机的工作过程是由激光器发射激光,再通过光纤传导到切割头,由镜片聚焦产生高能量,经切割嘴射出从而完成对金属板材的切割。伺服系统控制Z轴电机带动激光头上下运动,保持喷嘴与板材之间的距离不变,有效保证切割质量。X/Y轴电机带动切割头在工作台面快速移动,切出所需要的图案。


系统构成








系统构成
上位:柏楚FSCUT1000

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X轴:新宝减速机VRBZ-090-5-666-22+齿轮齿条+洛源1KW伺服一套(P1320150NS.0+LZ-1301-HB15-D2MW-NEEN)
Y1轴:新宝减速机VRBZ-090-5-666-22+齿轮齿条+洛源1KW伺服一套(P1320150NS.0+LZ-1301-HB15-D2MW-NEEN)
Y2轴:新宝减速机VRBZ-090-5-666-22+齿轮齿条+洛源1KW伺服一套(P1320150NS.0+LZ-1301-HB15-D2MW-NEEN)
激光发生器:飞博激光1500W
激光切割头:阿斯米特光纤平面切割头
原先方案采用富士1套400W伺服电机,3套850W伺服电机
新方案采用洛源1套400W伺服电机,3套850W伺服电机
方案比较运行更平稳,动态误差更小,小于等于0.01mm。

工艺详解及控制特点

1.工艺详解
序号用途详细说明图示

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激光器产生激光
本系统采用的是国产锐科的光纤激光发生器。输出功率由上位机控制。image.png

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X轴
X轴为单轴,传动机构为齿轮齿条,由上位控制与Y轴一起做差补控制。image.png


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切割头
激光发生器产生激光,通过光纤传导到切割头,再由切割嘴射出后完成切割。切割头就调焦方式可以分成两种类型:自动调焦和手动调焦。本次测试为手段调焦切割头。image.png



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龙门轴Y轴特点
采用龙门结构能确保两边运动的同步性,从而提高设备整体运行速度,但是横梁过长后,由于本身刚性问题,设备运行速度也会受限。采用的回零方式也是特别设计的,确保在横梁偏移后,通过回零让两边完全对称。龙门轴无论是电气还是机械都有一定的要求,两方面都会影响设备的整体运行速度以及平稳性。image.png






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Z轴随动控制
为了保证切割的精度和一致性,需要保证加工件与切割嘴之间的距离保持恒定,由于各种原因板材在工作台面放置后,整个板面不是完全平面,因此就要用到随动功能来保证这个恒定距离,在切割嘴上安装有传感器,测量切割嘴与板面的距离,并转换为模拟量,再将此模拟量传到系统,系统再根据设定的高度与模拟量之间的关系来进行实时的调节,这就需要Z轴的高动态响应,因为响应度越高,高度保持的越好,切割效果也越好。


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工作模式选择
工作模式有正常切割、蛙跳、飞行切割、打标。蛙跳表示Z轴参与插补运动,也就是在XY运行的实施,Z轴同步运行,目的是提高工作效率;飞行切割表示Z轴在切割过程中不动作,一致保持与板面的设定距离,主要用于连续的小孔径的加工;打标要求不将板材完全切割,不穿透板材。



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2. 参数设置

X轴、Y1轴、Y2轴根据上位系统设置10mm对应5000P,经过伺服系统2倍频后为10mm对应10000P。伺服的精度就是1µm/P。根据现场减速比的换算在2倍频前的每圈脉冲数为13326P/R,2倍频后为26652P/R。脉冲仿真的线数是每圈脉冲数的1/4,即为3331。

Z轴采用模拟量速度控制。10V对应额定转速3000RPM。由实际位置脉冲仿真反馈上位控制器当前实际位置。

3. 波形图

3.1电流环响应特性:

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图3.1-1 X、Y1、Y2轴电流环响应特性

3.2 前馈电流

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图3.2-1 X轴前馈电流波形
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图3.2-2 Y1、Y2轴电流环波形

3.3位置误差特性:

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图3.3-1 X轴位置跟随误差

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图3.3-2 Y1、Y2轴位置跟随误差

应用总结

洛源伺服系统应用于中小功率单台面光纤激光切割机,加工速度达到40m/min,加速度0.5g,空跑速度更是达到了100m/min,加速度1g。在此基础上,经实测每分钟可切直径2mm小圆180个以上,精度小于0.01mm,完全超越日系同类产品0.02mm的切割精度。

客户建议&进一步需求

1.待驱动器的总线功能完善采用总线控制方式,并尝试加入上下料结构。

2.提高机器整体性能,X/Y轴运行速度提高到120m/min,加速度提高到2g。

3.驱动器功率段提高后应用于大功率激光切割机。

4. 采用直驱或者直线电机的方案,并采用多圈绝对位置编码器,从而省去回零环节。

5.后期将激光切割机部分工艺添加到伺服驱动器底层,降低系统运算量,提高CNC循环周期。

6.进一步完善调试软件功能。


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