激光是指原子受激輻射產生的光，是一種能量密度高、方向性和單色性好的相干光輻射。激光的良好性能使其在工業、通信、醫學、軍事等領域具備較高的應用高價值。激光設備是實現激光加工的工具，具有輸出能量集中、穩定的特點，能夠較好地處理傳統工藝方法較難處理的硬度大、熔點高的材料。激光加工，作為一種高效、精準的加工方式，其應用領域非常廣泛包括工業制造、通訊、信息處理節能環保、航空航天、文化教育以及科研等多個領域。從激光切割到激光打孔，從激光標記到激光焊接等多個方面，激光技術都展現出了其獨特的優勢和價值。而在這些應用中，激光切割無疑是激光加工行業中最重要的一項應用技術，占比超過40%，是激光的主流應用方式。

▲中國工業激光加工應用分布（來源:《中國激光產業發展報告》）

激光切割技術的應用比許多傳統制造技術更具成本效益，使得激光切割設備應用得以迅速普及，中國激光切割設備市場收入保持較快增長。中商產業研究院調研報告顯示，2024年中國激光設備市場規模約為368.5億元，2025年將達到387億元左右。

1激光切割技術原理及通信

激光切割的原理是激光切割機通過精密的光學系統將激光束聚焦到微小的空間內，形成一個高密度的能量點。這個能量點具有極高的溫度，足以將金屬或非金屬材料迅速加熱至熔化或汽化狀態。在這一過程中，激光切割機并不是簡單地依靠激光的能量進行切割，而是巧妙地結合了輔助氣流的動力學作用。當激光將材料加熱至熔化或汽化狀態時，輔助氣流迅速吹過切口，形成強大的拖拽力，將熔化的金屬或非金屬雜質從切口中吹出。這一過程不僅保證了切口的清潔度，還避免了熱影響區的擴大，保證了切割的精度和質量。

▲激光切割過程激光加工技術是智能制造技術的重要組成部分，在激光加工中經常需要針對復雜曲面進行切割、打孔、沖擊強化等加工，而想要在復雜空間曲面上實現這些高精度的加工工藝不僅需要高精度的機械產品更需要的是高精密的多軸聯動系統精準快速的操控。

▲多軸激光切割機床多軸高速激光切割數控系統作為各國制造企業群雄逐鹿之地，反映了一個國家的制造實力、科技水平，開發高效自主、高速度、高精度的激光切割數控系統對促進國家發展影響重大。與此同時，相關的總線通訊方式以及網絡連接控制技術也在多軸激光切割系統的設計制造中得到了廣泛應用。現場總線技術自問世以來已成為自動化領域不可或缺的重要組成部分。隨著工業控制系統的發展和高精尖領域對數據處理要求的提高，從早期的集中控制系統(CCS)到分布式控制系統(DCS)，再到如今廣泛應用的現場總線控制系統(FCS)，傳統的現場總線技術已逐漸顯露出其局限性。由于以太網標準的數據速率提高，為實時以太網協議的創建提供了便利，因此可以很好的解決現場總線的問題。與傳統以太網技術相比，工業以太網在設計上更加符合工業現場復雜環境的需求，具備更強的抗干擾性和實時性。在眾多工業以太網技術中，EtherCAT憑借其卓越的實時性和同步性，成為了備受矚目的典型代表之一。EtherCAT的獨特之處在于其對傳輸接口的精心優化，這種優化不僅極大地提升了數據傳輸的速度，更關鍵的是，它顯著降低了數據傳輸過程中的延遲和抖動，從而確保了激光切割控制系統對實時性的嚴苛要求。并且EtherCAT憑借其獨特的分布式時鐘機制，在多軸控制系統中實現了1微秒以下的同步誤差，確保了各軸動作的幾乎完全同步，極大提升了系統整體性能和精度。

2基于EtherCAT的激光切割機控制系統

典型的EtherCAT的激光切割機控制系統主要由工業PC、ADS路由器，IO系統、伺服系統和EtherCAT總線協議構成。采用工業PC機設計并搭建人機交互界面平臺、并且對 NC代碼解釋導入到 CAM軟件中并根據插補運算實現相應的工作流程；以軟PLC作為下位機，通過連接 I0 輸入輸出模塊負責伺服驅動器的控制以及其他外設控制等，并且基于EtherCAT 總線技術并通過以太網通訊實現上下位機之間的信息交互。工控機讀取待切割圖形的G代碼文件(由套料軟件生成)，對G代碼進行釋義，按照代碼的不同含義進行分別處理，控制電機移動、得到反饋數據、設置運動參數等。通過建立工藝參數庫和自適應控制系統來調節不同加工材質和不同加工速度下激光器的輸出功率各種不同的切割參數由界面輸入，操作人員通過人機界面圖標選擇帶切割圖形、啟停等操作。通過工控機將運動控制卡、調高器控制盒、激光器控制盒、比例閥控制盒以及預留功能 IO 口擴展板協作起來，完成激光切割機床的高效切割任務。

▲基于EtherCAT的激光切割數控系統框架

多路IO端口

多路的IO端口模塊是連接工控機和伺服運動控制器，伺服電機，調高器模塊，激光器模塊，比例閥模塊和其他外設模塊的通道。工控機和端子模塊的連接主要依靠的就是網線，遵循的是 EtherCAT 總線的通訊協議。而端子模塊和伺服運動控制器，伺服服電機，調高器模塊，激光器模塊，比例閥模塊和其他外設模塊的連接主要是通過上面的觸點進行數據導線的連接。這樣就將工控機和其他的外設模組相連接，保證能夠實現對它們的操作控制。

伺服系統

伺服系統包含的主要是伺服驅動器和伺服驅動電機。其中，伺服服驅動器通過以太網線和工控機相連接，工控機發送控制指令給伺服驅動器，伺服驅動器通過電纜和伺服驅動電機相連接，將工控機所接收到的控制指令發送到伺服驅動電機，電機帶動驅動軸進行加工。與此同時，電機也會將位置速度信息等反饋到伺服驅動器上并反饋至工控機上，實現實時檢測與控制。

EtherCAT總線

EtherCAT從站控制器負責處理EtherCAT數據幀，報文數據的提取和插入都是由數據鏈路層的硬件完成，并使用雙端口存儲器(DPRAM)實現 EtherCAT主器件與本地應用之間進行數據交換。EtherCAT主站使用標準以太網接口卡；而從站使用專用的EtherCAT從站控制器，在主從站之間使用標準的以太網物理層器件進行連接。

▲EtherCAT設備內部框架

EtherCAT總線的實時性很強，通過這個總線的協議就能夠和伺服運動控制器，伺服電機，調高器模塊，激光器模塊，比例閥模塊和其他外設模塊進行信息交互。在使用EtherCAT總線進行信息傳輸的時候，可以直接通過DMA直接存儲單元和工控機內部完成信息的傳輸，不需要工控機CPU，這樣就能夠大大地減少了工控機CPU在工作時的負載，從而加快了處理的速率。而如果使用的是傳統現場總線卡的話，首先需要用較長的時間對CPU中的數據進行復制，這樣就大大減緩了傳輸的速度。

3碼靈半導體激光切割控制系統EtherCAT解決方案

碼靈半導體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片為激光切割控制系統EtherCAT通信帶來全新的整體解決方案。可顯著降低激光切割控制系統和調高器間通信延遲，有利于增強切割過程的精度和靈敏度，提高了工作效率。

▲ 碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖CF110x系列產品獲得德國倍福公司（Beckhoff）官方正式授權，已通過ETG官方的一致性測試認證，符合EtherCAT通信協議標準；內置8個現場總線內存管理單元（FMMU）、8個同步管理器（SM），產品支持三種數據接口（PDI）-數字I/O，SPI和8/16 位uC接口；內置64位分布式時鐘（DC），可實現EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）；可選擇性集成32位ARM Cortex-M3內核微控制器（MCU）或2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強、信號完整性高和穩定性好的優點。CF110x系列可廣泛應用于激光切割控制系統的IO模塊、伺服電機驅動器等場景。

▲碼靈半導體32路獨立式IO應用方案框圖

▲碼靈半導體32路獨立式IO應用方案實物

▲碼靈半導體刀片式IO應用方案框圖

▲碼靈半導體刀片式IO（含耦合器）應用方案實物碼靈半導體針對EtherCAT激光切割控制系統提供的應用參考方案，涵蓋完整的軟硬件設計，可提供全功能軟件固件和上位機PC調試工具。方案配有詳細使用指南，方便工程師快速進行上手使用、性能評估以及二次開發。