解决方案 | 大族智控：高速高精激光切割数控系统

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1目标和概述

1.1行业挑战

国内的研究机构和企业针对激光切割数控系统的研究起步较晚，目前研发出来的主要是基于运动控制板卡的简易控制系统，结构比较封闭，数据开放性不足，在很多智能制造场合的应用受到限制，只能满足低端场合的应用。高速高精激光切割数控系统对平台、架构、算法和工艺等方面的技术要求较高，长期以来国外企业对我们实施严格的信息保密和技术封锁，使得我们在这一领域一直没有取得实质性的突破。国外供应高速高精激光切割数控系统的厂家有德国西门子、德国力士乐、德国倍福等公司。这些厂家通过多年的积累和产业沉淀，开发出了具有行业代表性的高端激光切割数控系统，其产品不论是在结构、功能还是稳定性方面都有着非常大的市场竞争优势，占据着激光切割数控系统行业的主要高端市场。

近年来国际形势的变化给高度依赖进口的高速高精激光切割数控系统带来了非常大的不确定性，自主研发、自主可控迫在眉睫，高速高精激光切割数控系统关键技术的研发也有着非常巨大的社会效益，对于我国激光切割产业的长期稳健发展有至关重要的作用。

1.2目标和总体概述

激光切割技术近年来在国内高速发展，并迅速普及应用，但激光切割设备最核心的控制系统尤其是高性能的数控系统，一直以来依赖于进口，是一项“卡脖子”技术。本解决方案旨在攻克高实时性数控系统平台、控制软件、数控系统配套功能硬件、总线数据通讯等关键技术，打破国外对该类产品的技术垄断，研发出具有全自主知识产权的高速高精激光切割数控系统，以满足高速发展的激光切割行业对高性能国产数控系统的迫切需求，实现高速高精激光切割数控系统的国产化，并成功应用于工业领域，产品的性能指标达到力士乐、倍福等国外厂家同类产品标准，对国内同类型企业产生良好的带头示范效应，并推动我国激光切割控制技术和激光产业向更高的水平发展。

近年来，国内激光切割设备的研制和应用正在高速发展，高端激光设备的应用市场也越来越多地由国内厂商取得，高速高精激光切割数控系统的市场需求日益增加，市场前景广阔。本系统作为高端激光装备的核心控制系统，实现产业化之后大批量替代进口，可以节约大量成本，并缩短供货和服务周期，与国外进口产品相比，在同等性能和质量前提下将会有明显的价格优势，在本土竞争将会具有绝对优势，产业化前景广阔。此外，随着全球贸易形势的恶化，国内厂商对于核心技术的国产化的要求越来越急切，这也将进一步推动本系统的快速应用推广。本系统将有力地推动我国在高端装备制造业领域的发展，对我国激光产业的技术进步与发展起到积极的促进作用。

2方案详细介绍

激光切割加工具有非接触性、加工速度快、轮廓复杂多样、工艺逻辑复杂等特点。激光切割数控系统相比于常规数控系统，其运动控制有着一定的独特性，因此对控制逻辑有着更高的要求。本系统是全新一代自主知识产权数控系统，采用Intel四核高性能CPU平台，配合无风扇密闭鳍片散热工控机，运用高性能运动控制算法，集成自适应轨迹数据处理、S型速度规划、多轴插补/耦合等功能，在保证稳定的前提下极大提升系统的性能。

2.1高速高精激光切割数控系统架构（如图1所示）

图1 高速高精激光切割数控系统架构

系统采用工业PC架构，通过集成进Windows系统的实时软件进行数控系统的内核调度。在非实时的应用层运行控制软件及其他第三方软件，与内核之间通过共享内存的方式进行通信。系统与外部I/O及伺服通过EtherCAT总线进行数据通信。

系统平台采用开放式结构，结构灵活，可以依据机床的结构和复杂程度来配置硬件，并允许用户方便快捷地将其所需要的功能自行集成到数控系统当中，能够快速响应数控机床的发展和变化。开放式的数控软件结构，方便用户将自定义的特殊功能快捷地集成到数控系统中；开放式的数控硬件结构，可以根据数控机床的实际控制需要来配置I/O模块，能够以最低的成本和复杂度来适应各种类型数控机床的控制；采用广泛使用的Windows操作系统，使用方便，资源丰富，便于用户在此平台上开发自己的特殊功能和程序；支持多种不同型号、不同档次的计算机硬件，可以根据用户对性能、成本的不同要求进行计算机硬件的灵活选配。

2.2激光切割数控系统控制软件研发

数控系统控制软件作为数控系统的人机交互接口，是向外（客户）展示其功能及特性的窗口，也是客户操作人员使用最多的系统执行部件。软件界面美观大气、控件丰富，操作便捷、功能齐全且运行稳定，控制精准，响应快速。

控制软件展示如图2所示。

图2 高速高精激光切割数控系统控制软件

2.3数控系统配套硬件模块及接口研发

为实现高速高精激光切割数控系统的精准运动控制，开发了数控系统配套硬件模块和接口。配套模块主要包括调高控制系统、轴控模块、数字I/O模块、模拟I/O模块、脉冲控制模块等，适配激光加工需求。

激光切割过程中需要实时地获取工件表面与切割头之间的距离值，并将该值反馈到系统进行高度调节，以使切割头与工件表面保持一个固定的距离。调高控制系统是由传感器-调高模块-数控系统-电机组成的闭环系统，调高模块获取电容传感器信号，并经过信号处理传送到数控系统，数控系统输出控制量对电机进行控制，电机通过机械结构连接传感器，从而控制割嘴到板材的距离，保证焦点的准确性。轴控模块用于激光加工机床的轴运动控制。数字I/O模块和模拟I/O模块是激光切割机床的数据采集、数据处理、过程控制输入输出的通用I/O模块。调高控制系统架构如图3所示。

图3 调高控制系统架构图

激光切割需要对激光的输出参数进行控制，要做到响应速度快，同步性要求高。为了实现数控系统运动与对激光参数的控制高度同步，首先对激光参数的控制输出量直接从数控系统内核产生，并且该输出与运动控制的输出同步，脉冲控制模块接收到数控系统的脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation，PWM）参数之后，通过内部芯片的计算，从芯片I/O口输出相应的脉冲波，经过隔离电路和放大电路，最后输出到激光器，从而控制激光器输出相应的脉冲光。

2.4数据通讯设计与接口开放

采用全EtherCAT数字总线通讯设计，调高控制系统、快速I/O模块、通用I/O模块、人机界面、操作系统等配套功能硬件均可以通过网线与系统主机连接，接线简单，高效稳定。

本系统数据高度开放，预留了数据接口，支持外部设备和第三方软件从系统便捷地获取各类数据，可以方便地实现设备的互联互通和数据交互，很好地支持设备物联网和云服务。

2.5安全措施设置

高速高精激光切割数控系统采用了安全可靠软加密和硬加密技术。数控系统设置License许可，用户在购买数控系统产品获得授权后，方可使用。

系统设置了数据自动保存备份与智能恢复、故障报警机制等诸多安全设置，其中报警机制包括内核报警、PLQ报警和数控（Numerical Control，NC）程序报警。控制软件具备模式互锁、操作互锁、参数阈值防护等保护机制，确保操作安全。在硬件上也巧妙地设置了安全防护，其中工控机上设计了散热鳍片，配套的操作面板设计了专用的加密模块。

数字I/O模块、模拟I/O模块等功能模块上设计了温度监控，可及时响应温度异常故障。考虑到传感器散热问题，由仅对陶瓷环进行冷却的结构改变为对整个传感器冷却的结构，使加工过程的温升得到有效控制。结合结构流体力学，设计出减弱影响电容感应值的陶瓷环结构，大幅提升了气压稳定性。

传感器上增加温度检测功能，加工温度异常时能够及时停机，有效保护传感器切割头。上述设计，大幅提升了高速高精激光切割数控系统的安全性、稳定性和可靠性。

3代表性及推广价值

3.1应用情况及效果

该系统作为高端激光装备的核心技术，实现产业化之后大批量替代进口，打破了国外进口产品对国内高速高精激光切割数控系统的垄断局面，可以节约大量成本，并缩短供货和服务周期，将有力地推动我国在高端装备制造业领域的发展，普遍提升我国制造业的技术水平和生产效率，产生可观的经济效益和社会效益，对我国激光产业的技术进步与发展起到积极的促进作用。

3.2技术示范效应

高速高精激光切割数控系统的所有软硬件模块实现全自主研发，打破激光切割机床在数控系统上对进口技术的依赖。基于纯软核的开放式数控系统结构，系统主机无硬件板卡，算法直接运行在系统处理器上，最大限度提高运算能力，既发挥出通用操作系统的资源和生态优势，又能够满足运动控制对实时性的要求。通过自适应的高性能运动控制算法，提升系统的控制性能；将软件技术、控制技术与激光加工工艺深度结合，实现光机电一体精细化控制和效率的提升。系统采用全数字化总线通讯，系统硬件结构精简，安装调试方便，稳定性高。

3.3商业价值

激光切割数控系统市场规模非常可观。据统计，仅2019年一年，国内市场销售的激光切割设备就已经超过4万台，其中对性能要求较高的、需要配置高速高精激光切割数控系统的设备约2万台，市场规模超过10亿人民币。随着激光切割设备继续以每年20%以上的速度高速增长，高速高精激光切割数控系统的自主研发将会有着非常可观的经济效益。母公司大族激光科技产业集团的设备研发、制造能力和市场推广能力也为本系统的测试验证和产业化提供了强力的支撑。本系统以良好的性价比优势拓展市场规模、推动高速高精激光切割数控系统在激光行业的应用，现年销售量已超过1200套，年销售收入超过5000万元。

3.4社会价值

高速高精激光切割数控的成功研发与推广应用，达到了锻炼研发队伍和培养人才的效果，特别是为业界培养了一批激光切割控制系统、激光加工工业软件研发相关的专业技术人才，为企业、行业乃至国家培养了一批专业化的基础工业人才，为高端国产数控系统的发展壮大做出积极贡献。该系统的产业化、规模化发展带动了基础工业装备和智能制造产业的快速发展，有利于产业结构的调整和优化，有利于提升我国工业制造的整体水平，为中国制造的产业转型和升级提供强劲支撑。

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