1 引言

　　中小功率激光加工機(jī)的加工材料大多為非金屬板材，面向的用戶多為廣告、裝飾及裝璜行業(yè)，因此能針對(duì)這些用戶群體設(shè)計(jì)出方便、實(shí)用及低價(jià)的激光加工數(shù)據(jù)控編程軟件，一直是激光加工能否在該行業(yè)廣泛應(yīng)用而急需解決的課題。

　　目前，國(guó)內(nèi)外研制的激光加工機(jī)用于二維切割與雕刻的數(shù)控編程，大多采用以下幾種編程操作方式：采用國(guó)外專用的激光加工數(shù)控系統(tǒng)軟件，如英國(guó)的APS或以色列的CASMATE等；將AUTOCAD等專用軟件或機(jī)械加工(銑床、線切割等)數(shù)控系統(tǒng)軟件移植到激光加工的數(shù)控編程上。上述兩情況對(duì)研制者及用戶都存在著一些制約：第一種方式雖然完全可以滿足中小功率激光加工的數(shù)控編程，但此類軟件價(jià)格昂貴，增加了研制者的整機(jī)成本；第二種方式是以機(jī)械等專用系統(tǒng)軟件編程界面并配以硬件轉(zhuǎn)換接口電路，可用于一般的數(shù)控激光加工，由于行業(yè)的不同要掌握此類編程軟件難度較大，此外，在字符編輯加工、激光加工自動(dòng)排序及仿真等方面也很不完善。

　　如果在用戶熟悉使用的某種平面設(shè)計(jì)軟件環(huán)境下，設(shè)計(jì)出一種能夠滿足激光加工特點(diǎn)要求的數(shù)控驅(qū)動(dòng)軟件(類同于打印機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件)，一定會(huì)使用戶在激光加工機(jī)數(shù)控編程和操作上感覺非常方便，新型的中小功率激光加工機(jī)數(shù)控軟件的設(shè)計(jì)思路就在于此。

2 設(shè)計(jì)方案

　　將廣告、裝飾及裝璜行業(yè)使用非常普遍的矢量繪圖平面設(shè)計(jì)軟件CorlDRAW系統(tǒng)作為操作平臺(tái)，通過對(duì)加工部件編輯并生成矢量繪圖PLT文件格式，將此類的文件格式轉(zhuǎn)換成滿足激光加工的驅(qū)動(dòng)程序并輸出，完成了激光加工數(shù)控驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)，主程序框圖如圖1所示。解決了如下幾方面的問題：

圖1主程序框圖

　　(1)解決了CorlDRAW系統(tǒng)中生成的PLT繪圖文件格式?jīng)]有繪圖路徑自動(dòng)排序的功能(按先內(nèi)后外原則)；

　　(2)為保證激光切割工件切口的均勻或雕刻表面的平整，解決了各種激光加工路徑上運(yùn)行速度均衡一致(直線，曲線，銳弧線等)的問題；

　　(3)將已編輯PLT文件格式的激光加工指令轉(zhuǎn)換為步進(jìn)脈沖信號(hào)，由PC計(jì)算機(jī)并口輸出，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

3 有關(guān)算法

　　(1)激光加工路徑自動(dòng)排序的算法(先內(nèi)后外原則)

　　程序?qū)LT文件讀入，根據(jù)下筆和抬筆的動(dòng)作，將激光路徑分為切割和空程兩種，每一次切割形成一個(gè)輪廓。對(duì)每個(gè)輪廓找到其最小的X值、最大的x值、最小的y值及最大的y值。對(duì)每個(gè)輪廓進(jìn)行判斷，如圖2所示。對(duì)于輪廓A和B，A的最小X值大于B的最小X值，A的最大X值小于B的最大X值，A的最小y值大于B的最小y值，A的最大y值小于B的最大y值，則B包含A。

圖2輪廓判斷圖

　　根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果，可以形象比喻成一棵包含關(guān)系的樹，先對(duì)樹的次序排列，再對(duì)每個(gè)輪廓在該樹上均處于某個(gè)層次上進(jìn)行排列。我們定義，根為第一層，其下為第二層，這樣每個(gè)輪廓均可得到一個(gè)層次號(hào)，層次號(hào)越高則越處于內(nèi)部。

　　以切割一組字體為例：如果定義加工軌跡為按層次號(hào)的大小來排序，勢(shì)必導(dǎo)致加工效率的低。下，因?yàn)槎嘧旨庸r(shí)會(huì)跳字加工，從而導(dǎo)致多余的空走。事實(shí)上如果不是錯(cuò)誤的話，每個(gè)字的最外層輪廓均處在第二層上，即邊框(邊框是虛擬出來的，把加工界面的最大尺寸作為整個(gè)圖形的最外層，其層號(hào)為1)的里面一層，這樣完全可以一個(gè)字一個(gè)字的加工，因此我們定義的力n-c_軌跡是對(duì)每個(gè)處于第二層上的輪廓進(jìn)行順序加工，而對(duì)于該輪廓的加工則采用對(duì)該輪廓包含的所有輪廓按層次號(hào)大小進(jìn)行排序加工，先大后小。

　　(2)速度均衡處理

　　實(shí)際加工時(shí)，按照一段一段直線來運(yùn)行。如果對(duì)于每一段直線均采取同樣的加工速度，勢(shì)必導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行丟步。因?yàn)楫?dāng)加工路徑出現(xiàn)銳角時(shí)，電機(jī)加速度要求過高，必然導(dǎo)致丟步。如果對(duì)于每一段直線均采取加速、勻速、減速3段方式執(zhí)行的話，有如下缺點(diǎn)：首先是加工質(zhì)量下降，由于電機(jī)行走速度不穩(wěn)，導(dǎo)致加工斷面的不平整；其次是很短的直線不夠加減速的行程；再次是加工效率低下。

　　我們采用的方案是根據(jù)當(dāng)前要加工直線的下一段直線與本直線的夾角來決定。本段直線是否需要減速，減速到什么速度，根據(jù)當(dāng)前的速度(即當(dāng)前要加工直線的起點(diǎn)的速度，也是上一段直線加工結(jié)束時(shí)的速度)的大小及方向決定本段加工直線是否需要加速以及從什么速度加速。這樣在加工平滑路徑時(shí)能保持較均勻的速度，而加工銳角路徑時(shí)又能夠加減速，從而保證步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行而不會(huì)產(chǎn)生丟步。

　　如圖3所示，我們定義在一個(gè)直線段的終點(diǎn)的速度與本直線段下一直線段的夾用成一函數(shù)關(guān)系。根據(jù)對(duì)各種步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線及負(fù)載大小情況，我們提供了多種函數(shù)，以適應(yīng)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)參數(shù)。以下舉幾個(gè)例子：

圖3程序處理流程圖

　　在AB、BC段，&alpha;1<&pi;／2，一般不需要加減速處理；在BC、CD段，鈍角(&alpha;12&ge;&pi;／2)加工路徑時(shí)要根據(jù)不同的電機(jī)特性進(jìn)行加減速處理，提供了直線方程、二次方程和自定義方程的3種加減速方式，可以滿足任意加減速要求。

　　根據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用c語言編制了激光加工運(yùn)行程序，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)取得了理想的效果。

　　對(duì)某一組矢量輪廓曲線，經(jīng)過以上程序軟件的自動(dòng)排序及速度設(shè)置后，將分別作用在X、Y分量上的路徑通過轉(zhuǎn)換輸出程序，生成能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖代碼，直接經(jīng)過計(jì)算機(jī)并口輸出。由于對(duì)激光加工運(yùn)行方式從軟件程序上進(jìn)行了較精確的處理，因此在輸出方面取消了傳統(tǒng)的位控板輸出方式(見主程序框圖)。

4 結(jié)束語

　　新型的激光加工數(shù)控軟件在實(shí)用性方面做了進(jìn)一步改進(jìn)，如增加了自動(dòng)回零定位、局部重復(fù)加工及動(dòng)態(tài)運(yùn)行速度的調(diào)整等功能。該軟件現(xiàn)已裝備在天津市激光技術(shù)研究所生產(chǎn)的多臺(tái)中小功率激光加工設(shè)備上，并受到用戶的一致好評(píng)。