数控激光加工试验台设计与加工斑点计算理论*

马 岩 宋明亮 李 虎 杨春梅

(东北林业大学林业与木工机械技术工程中心 哈尔滨 150040)

数控激光加工试验台设计与加工斑点计算理论*

马 岩 宋明亮 李 虎 杨春梅

(东北林业大学林业与木工机械技术工程中心 哈尔滨 150040)

【目的】 将现代激光加工方法应用到木材加工中，辅以水导配合，设计数控纳秒水导激光束激光加工试验台，为纳秒激光技术加工木材提供一种新的理论和方法。【方法】 以针叶材为例，在分析针叶材结构特点的基础上，基于纳秒水导激光束对针叶材型面包络成形的加工原理，研究数控激光加工试验台的结构配置形式，根据确定的结构配置形式建立试验台的开环运动控制链，从而建立纳秒水导激光束激光加工的运动学模型； 在针叶材三维造型基础上，建立针叶材STL模型，研究激光加工的过切与欠切，得到正确的光斑点计算理论，获得光斑文件，为开发出纳秒水导激光加工试验台的编程系统做铺垫； 基于工控机IPC和PMAC104两级开放式控制系统，开发出纳秒水导激光加工试验台控制系统。【结果】 根据纳秒水导激光加工试验台的配置形式，确定激光加工试验台为COZY的结构配置形式，并建立其运动学模型r0=[y·cosγ，y·sinγ，1+z]； 通过建立的STL模型，得出一系列激光束触点，进而计算出光斑点的方位矢量，根据激光加工的过切与欠切分析，选出符合加工精度的光斑文件。【结论】 通过对纳秒水导激光束激光加工的运动分析、纳秒水导激光加工试验台的结构配置形式分析以及纳秒激光加工斑点计算理论的研究，完成COZY配置形式的针叶材数控纳秒水导激光加工试验台样机1台； 根据纳秒水导激光加工试验台的配置形式建立纳秒水导激光束激光加工的运动学模型,并经相关激光加工试验，验证所建立的模型； 开发纳秒水导激光加工试验台的控制系统，并用实机检验激光加工试验台纳秒水导激光束系统的控制功能。

木材； 纳秒水导激光加工； 运动学模型； 过切与欠切

Abstract： 【Objective】 In order to provide a new theory and method for the processing of wood with nanosecond laster technology,the method of modern laser processing is applied to process wood, and the test bench with numerical control nanosecond water-jet guided laser beam is designed in this study.【Method】 Bassed on the anatomy characteristics of softwood and the processing principle of envelope forming of the softwood with nanosecond water-jet guided laser beam,the structure of the test bench is investigated. The open loop motion control chain of test bench is established based on the determination of structure form. Then,the kinematic model of nanosecond water-jet guided laser beam processing is proposed based on the motion control chain. Furthermore,the softwood STL model is also established and the calculation theory of correct spot points is obtained. Those are ready for the development of programming system of nanosecond water-jet guided laser processing test bench. The control system of nanosecond water-jet guided laser processing test bench is established using the two level open control system with IPC and PMAC104.【Result】 According to the configuration of the nanosecond water-jet guided laser processing test bench, the structure of the laser processing test bench for COZY is determined. Then its kinematic model is established asr0=[y·cosγ，y·sinγ，1+z]. Through the STL model, a series of laser beam contact points are obtained, and the position vector of the spot is calculated. Based on the analysis of overcut and undercut of laser processing, the spot file with the processing precision is selected.【Conclusion】 Based on the motion analysis of laser processing with a nanosecond water-jet guided laser beam, the structure configuration analysis of the nanosecond water-jet guided laser processing test bench, and the calculation theory of sport speckle in nanosecond laser processing, the test bench with COZY configuration of the softwood controlled nanosecond laser processing is completed. The kinematic model of the nanosecond water-jet guided laser beam machining is also established and further verified by the laser processing experiment. The control system of the test bench is developed, and the control function of the laser beam system is tested by the real test bench.

Keywords： wood； nanosecond water jet guided laser processing； kinematic model； overcut and undercut

现阶段，金属和非金属都能加工到纳米级，唯独木材很难实现微米级物理加工。激光是现代先进特种加工技术(Fuchsetal.， 2013； 谭改娟等， 2013)，加工效率高，具有强劲的发展潜力，被誉为“21世纪万能的加工工具”(Pihlavaetal.， 2013； 林尊琪等； 2013)。用激光加工木材，因激光焦点温度高达上千度，会导致木材瞬间气化，同时高温也会导致木材燃烧，出现烧痕，因此需要采用断氧和降温措施保证木材激光切削过程的瞬间不燃烧，而水导是实现非切削区断氧和降温的必要条件。基于此，本文以针叶材为例，根据现代纳秒激光束技术的特点，辅以水导配合，将其应用到木材加工中，进行纳秒水导激光束数控加工试验台的开发研究，并对激光束加工光斑点的关键参数进行计算分析。

1 纳秒水导激光束激光加工运动确定

纳秒水导激光束激光加工的加工形式通常是借助圆柱形激光束相对于针叶材产生相对运动，从而实现对针叶材的加工，因此，针叶材的纳秒水导激光加工过程可视为用一把圆柱形激光束对针叶材型面进行包络成形的过程(马岩， 2003； 任洪娥等， 2014a)。

如图1所示，针叶材纳秒水导激光加工的加工运动包括： 1) 针叶材试件绕自身轴线方向的转动(C轴)； 2) 纳秒水导圆柱激光束沿针叶材轴向进给运动(Z轴)； 3) 纳秒水导圆柱激光束沿针叶材径向进给运动(Y轴)； 4) 纳秒水导圆柱激光束跟随纳秒激光加工点法线的摆动(X轴)。考虑到针叶材的扭曲度较小且其直径梯度不大，为尽量简化激光加工试验台的结构，降低制造成本，本文忽略了纳秒水导圆柱激光束跟随纳秒激光加工点法线方向的摆动，由此所造成的精度损失可通过减小纳秒水导激光束的宽度和优化激光束加工参数来补偿。最终确定纳秒水导激光束激光加工试验台的运动由1根回转控制轴和2根直线控制轴的3轴联动来实现。

图1 纳秒水导激光束激光加工运动分析Fig.1 The moving analysis of nanosecond water-jet guided laser beam machining

2 数控加工试验台的结构配置

任何激光加工试验台都可认为是由激光加工试验台床身和不同运动部件组成的，正是这些运动部件间的相互转动或移动，实现了纳秒水导激光束对针叶材的成形加工(马岩等， 2008； 任洪娥等， 2014b)。激光加工试验台部件间的不同组合，可构成不同的激光加工试验台结构，激光加工试验台运动部件的组成和配置形式是激光加工试验台设计的基础。

根据所确定的纳秒水导激光束激光加工运动，激光加工试验台应由Y轴、Z轴、C轴3个运动部件以及激光加工试验台床身基础件(O)组成，这4个组成部分间的不同组合，可构成4!=24种不同的激光加工试验台结构配置形式。然而，数控激光加工试验台的配置受到如下约束条件的限制(Tutunea-Fatanetal.， 2004)：

1) 若以待加工针叶材到纳秒水导激光束的顺序来配置激光加工试验台各部件，其回转轴C应为第1个运动部件；

2) 在激光加工试验台3根运动控制轴中，要求X轴或Z轴两移动控制轴之一必须与床身O相联；

3) 在X轴、Z轴和床身O之间不应夹有回转运动轴部件。

鉴于上述约束限制，纳秒水导激光束激光加工仅有CZYO、CYOZ、CYZO、COZY、COYZ、CZOY 6种结构配置形式，其中以图2中的CZYO、COZY、CZOY 3种配置方式最为典型。

本文选用COZY形式的激光加工试验台配置结构，研制了如图3所示的纳秒水导激光束激光加工针叶材的数控加工试验台样机。由图3可见，该激光加工试验台由激光发射头、小拖板、大拖板、床身和回转主轴构成；针叶材的回转由激光加工试验台主轴C轴驱动，激光发射头设置于小托板Y轴上，由大拖板Z轴驱动，实现对纳秒水导激光加工轴向和径向的进给运动。试验台样机采用的激光发射头电压为220 V，电流为0～3 000 mA，试验时当激光发射头电压调到300 W时，即能够达到很好的加工效果，所需功率较小。水导系统和激光发射头为一体结构，动力源为额定功率300 W的增压泵，且水导系统具有水流回收装置，水可以循环利用，提高了水的利用率。

图2 3种典型的激光加工试验台配置结构Fig.2 Three typical configurations of laser processing test bench

图3 基于COZY配置的激光加工试验台样机Fig.3 The laser processing test bench based on the COZY configuration

3 纳秒水导激光束激光加工运动模型的建立

针叶材纳秒水导激光加工需要得到一条如图4所示的纳秒水导激光束开环运动控制链的支持，这条控制链由C轴回转运动、Z轴和Y轴直线运动3个运动节点组成，每个节点连接着激光加工试验台的2个组成部件。根据该运动控制链，可建立纳秒水导激光束激光加工的运动学模型。

图4 数控加工试验台的运动传送链Fig.4 The movement transmission chain of numerical control machining test rig

(1)

各个转换矩阵为：

将各转换矩阵代入式(1)，得：

r0=[y·cosγ，y·sinγ，1+z]。

(2)

由式(2)以及针叶材加工点坐标和该激光束矢量，最终可得到针叶材数控加工试验台运动学模型，即激光加工试验台各运动控制轴坐标值：

(3)

4 纳秒水导激光束激光加工的过切与欠切

到目前为止，商用的CAD/CAM系统尚不支持本文所研制的纳秒水导激光束激光加工试验台的数控系统，因此需要自行开发纳秒激光束激光加工试验台的编程系统。研究纳秒水导激光束激光加工针叶材的过切与欠切，得出纳秒水导激光束光斑点的计算方法，是实现纳秒水导激光束激光加工编程的重要环节。

图6 纳秒激光加工光斑计算流程Fig.6 The laser spot calculation process of nanosecond laser processing

如图5所示，纳秒水导激光加工有沿年轮走向加工、沿径切线方向加工等方法，其纳秒水导激光束运动轨迹互不相同，但其光斑点的计算可归纳为如图6所示的计算流程：

1) 针叶材实体模型的转换 在针叶材三维造型基础上，利用STL模型结构简单、处理计算方便的特点，根据针叶材纤维激光加工精度要求，将针叶材实体模型转换为STL模型形式。

2) 激光束触点的计算 所谓激光束触点即为纳秒激光束与针叶材间的激光加工接触点，连接各个激光束触点便构成针叶材纤维的加工轨迹。根据不同的加工方法需分别计算纳秒水导激光加工的激光束触点。

(1)沿年轮走向加工 作垂直于针叶材轴线纤维走向(Z轴)平行截面，根据给定的纳秒水导激光束宽度和激光加工精度确定各截面间距； 依次求解各截面与针叶材STL模型各三角形交点，该交点即为所求的激光束触点，包括该点位置坐标和法线矢量(图5a)。

(2)沿径切线方向加工 由一系列通过针叶材轴线纤维走向的平面与STL各三角形求交，得到一系列交点即为所求的激光束触点(图5b)。

图5 针叶材试件激光加工方法Fig.5 The laser processing method of needle leaf material

3) 光斑点的计算 如图7所示，根据已知的激光束触点，使之沿其法线矢量偏置一个纳秒水导激光束半径矢量，即得到所需的光斑点矢量，并由激光束触点法线矢量确定纳秒水导激光束的方位矢量(任长清等， 2005； 杨冬霞等， 2012)。

4) 激光加工的过切与欠切分析 由于纳秒水导激光束具有一定的宽度，在按光斑点轨迹对针叶材进行加工时，必然会产生过切或欠切的激光加工误差(图8)。因此，尚需检查纳秒水导激光束两端Z1和Z2处过切或欠切量的大小，若在允许误差范围内，则将所得到的纳秒水导激光束光斑点以及纳秒水导激光束方位矢量存入光斑文件； 否则可按图9所示方法适当移动纳秒水导激光束光斑点，使激光束触点处产生适当的欠切或过切来均衡原有误差。这样调整后，若仍不能满足精度要求，则需要通过减小纳秒水导激光束宽度或轴向进给量来满足纳秒水导激光加工精度的要求。

图7 光斑点的计算Fig.7 The calculation of laser spot

图8 纳秒水导激光加工干涉和误差检查Fig.8 The interference and error check of nanosecond water-jet guided laser processing

图9 纳秒水导激光加工误差的调整Fig.9 The adjustment of the error of nanosecond water-jet guided laser processing

5 纳秒水导激光加工试验台控制系统开发

本文研制的针叶材数控纳秒激光加工试验台纳秒水导激光束控制系统是基于工控机IPC和PMAC 104两级控制开放式的纳秒激光束系统，如图10所示。

该系统的执行端由3个交流伺服电机驱动，交流伺服电机由对应的驱动器所控制； 水导激光头由变频器独立控制，能够准确发射所需的加工激光束。这些控制器和接线器相连，最后连接在运动控制卡PMAC上，能实现双向交流； PMAC上连有双端口RAM以及一些信号开关的转换接口，通过ISA总线和工控机IPC相连。该系统具有上下两级的开放性，易于系统的扩展，能够满足纳秒激光束激光加工对运动控制的要求。

6 结论

1) 通过对纳秒水导激光束激光加工的运动分析、纳秒水导激光加工试验台的结构配置形式分析以及纳秒水导激光加工斑点计算理论的研究，完成了COZY配置形式的针叶材数控纳秒水导激光加工试验台样机1台。

2) 根据纳秒水导激光加工试验台的配置形式建立了纳秒水导激光束激光加工的运动学模型，并经相关的激光加工试验验证了所建立的模型。

3) 开发了纳秒水导激光加工试验台的控制系统，并用实机检验了所开发的激光加工试验台纳秒水导激光束系统的控制功能。

激光加工试验台样机研究分析仅在试验阶段，投入实际使用还有待进一步的研究完善。

图10 纳秒水导激光加工试验台的数控系统原理Fig.10 The principle diagram of the NC system of the nanosecond water-jet guided laser processing test beach

林尊琪, 陈卫标, 楼祺洪, 等. 2013. 我国近期激光前沿若干重要进展评述. 中国科学-技术科学, 43(9):961-978.

(Lin Z Q, Chen W B, Lou Q H,etal. 2013. Review on the recent progress of laser frontiers in China. Sci China Tech Sci, 43(9):961-978. [in Chinese])

马 岩. 2003. 利用微米木纤维定向重组技术形成超高强度纤维板的细胞裂解理论研究. 林业科学, 39(3): 111-115.

(Ma Y.2003.Study on cell break theory of using wood fiber micrometer aligned reconstituted technology forming super high-intensity wood-based panel. Scientia Silvae Sinicae, 39(3):111-115.[in Chinese])

马 岩, 潘承怡. 2008. 微米木纤维模压制品形成的试验装备与工艺.林业科学,44(6)113-117.

(Ma Y, Pan C Y. 2008. Experimental equipment and technology of forming micron wood fiber mould product. Scientia Silvae Sinicae, 44(6):113-117. [in Chinese])

任长清, 杨春梅. 2005. 微米木纤维切削形成机理初步研究. 林业机械与木工设备, 33(2):23-24.

(Ren C Q, Yang C M. 2005. Preliminary study on wood micro-meter fiber cutting formation mechanism. Forestry Machinery & Woodworking Equipment, 33(2):23-24. [in Chinese])

任洪娥, 宋 爽, 官 俊, 等. 2014a. 纳秒激光加工微纳米木纤维的仿真方法研究. 木材加工机械, 25(6):9-12.

(Ren H E, Song S, Guan J,etal. 2014a. Research on the simulation methodology of micro/nano wood fiber processed by nanosecond laser. Wood Processing Machinery, 25(6):9-12. [in Chinese])

任洪娥, 宋 爽, 白 岩, 等. 2014b. 纳秒激光刨切微纳米木纤维的工艺技术研究. 木材加工机械, 25(1):5-7.

(Ren H E, Song S, Bai Y,etal. 2014b. Study on the process technology of nanosecond laser for cutting micro-nano wood fiber. Wood Processing Machinery, 25(1):5-7. [in Chinese])

谭改娟, 谢冀江, 张来明, 等. 2013. 中波红外激光技术最新进展. 中国光学, 6(4):501-512.

(Tan G J, Xie J J, Zhang L M,etal. 2013. Recent progress in mid-infrared laser technology. Chinese Optics, 6(4):501-512. [in Chinese])

杨冬霞, 马 岩, 杨春梅. 2012. 针叶材在超细粉碎过程中细胞壁断裂的理论计算. 西部林业科学, 41(3):42-47.

(Yang D X, Ma Y, Yang C M. 2012. Theoretical calculation of cell wall fracture of coniferous timber. Journal of West China Forestry Science,41(3):42-47. [in Chinese])

Fuchs A N, Schoeberl M, Tremmer J,etal. 2013. Laser cutting of carbon fiber fabrics. Physics Procedia, 41(9):372-380.

Pihlava A, Purtonen T, Salminen A,etal. 2013. Quality aspects in remote laser cutting. Welding in the World, 572(6):179-187.

Tutunea-Fatan O R, Feng H Y. 2004. Configuration analysis of five-axis machine tools using a generic kinematics model. International Journal of Machine Tools and Manufacture,44(11):1235-1243.

(责任编辑 石红青)

DesignofNumericalControlLaserProcessingTestBenchandCalculationTheoryofProcessingSpeckle

Ma Yan Song Mingliang Li Hu Yang Chunmei

(ForestryandWoodMechanicalEngineeringTechnologyCenter，NortheastForestryUniversityHarbin150040)

TS64

A

1001-7488(2017)08-0163-06

10.11707/j.1001-7488.20170819

2016-01-26；

2016-05-16。

中央高校基本科研业务费专项资金(2572015DB02)； 黑龙江省自然科学基金项目(C2016013)。

*杨春梅为通讯作者。