光纤激光器（Fiber Laser）是指用掺有稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下，光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）后，便可形成激光振荡输出。

光纤激光器的应用范围非常广泛。作为全球高功率光纤激光器和放大器的领导者，IPG公司正在对其高效光纤激光器和光纤放大器的性能进行革新和突破，以将其应用于材料加工、通信和医疗等行业领域中。

对数控系统而言，要求保持双向同步通信，并确保通信的可靠性和安全性。由于光纤激光器有丰富的接口，且由于光纤总线协议的设计为全数字连接，因而保证了通信传输的安全性和可靠性，同时大大节省了安装和维护的成本。

大连光洋科技集团有限公司自主研发的Glink光纤总线，是以高实时性、高同步性为核心优势的实时以太网现场总线。在Glink总线网络层的设计中，包含完善的时钟定时基准，对数据帧收发的时序进行了严格控制，在提高实时性的同时，还确保了Glink子栈设备的控制时序严格同步（同步误差不超过±270ns）。Glink总线的物理层通讯速率达100Mbps，其传输介质采用了多模光纤，具有抗干扰能力强的特点。Glink总线体系结构中不仅包含OSI参考模型中的应用层、链路层和物理层，还包含了网络层，这在工业现场总线中是很少见的。Glink总线突出设计的网络层，可严格控制数据帧收发的时序。

以下是对光纤激光器接口的详细介绍，其特性在科德数控股份有限公司自主研发的数控系统中得到了验证。

光纤激光器接口

1. 模式“TEST”

（1）手动操作连线模式

在手动操作连线模式中，通过网络接口所用的交叉线，即可连接到主控接口上。若使用HUB，请使用直连线。主控接口通过专用软件连接并控制激光器。

（2）激光编程模式

图1 手动操作模式连接图

（3）外部调制模式

​​​​​​​
图2 外部调制模式连接图

（4）模拟量控制模式

如图3所示，首先，使用PC 连接激光器，启动专业软件，选择模拟量控制方式，然后按照手动操作流程启动，并选择模拟量控制方式。然后，外部设置0-10V模拟电压设置功率，XP2接口24V 电压控制激光开关光。

图3模拟量控制连接图

2.模式“ROBOT”

（1）模拟量控制模式

如图4所示，专业软件在此模式下，只能监视硬线控制的输入输出信号。其中，用户须提供24V电源（B15-24V，B16-GND）和21路24V数字输入信号，另外，应能接收激光器输出的19路24V数字信号。同时，用户须提供0-10V可调的模拟量输入电源。

图4硬线接口模拟量控制连接图

（2）内部控制模式

如图5所示，用户须提供24V（DC）（ B15-24V，B16-0V）硬线接口。使用此模式时，通过硬线接口设置内部控制，可使用专业软件设置激光功率。

图5硬线内部控制模式连接图

（3）激光编程模式

激光编程模式连线与图5 相同，不同之处在于硬线控制接口信号控制时序。

3.通信模式

（1）模式“TEST”通信

在手动模式下，PC 通过网口控制激光器。

若工作于外部调制模式，如图6所示，必须提供专业软件和外部“+4-25V”直流电压信号。高电平为出光，低电平为关光。除外部电压信号外，外部调制模式与手动模式基本相同。只有当外部调制模式处于“TEST”位置时才有效。

图6外部调制时序图

如图7所示，在模拟量控制模式下，“TEST”和“ROBOT”都可以使用。模拟量控制模式与外部控制模式类似，只是功率调节由XP4 接口控制，而不能使用专业软件控制。在模拟量控制模式下，外部调制信号和模拟信号都必须提供。模拟量用于设置输出功率：0VDC 对应于0W，10VDC 对应于标称功率。

图7模拟量控制时序图

（2）模式“ROBOT”通信

模拟量模式通信与“TEST”中的模拟量模式通信方式相同。

如图9所示，对硬线控制模式通信而言，XP1 硬线接口是工业专用的控制接口。依据硬线接口定义，连接机器人控制器。XP1 硬线接口只有在“ROBOT”下有效。专业软件在该模式下具有监控功能，没有激光器的控制功能。使用硬线接口出激光，必须首先激活专业软件。只有如此，才能在后续的流程中区分程序号0和程序1-50。如果没有选择程序号，则程序号0 激活。当A2-program start 设置为高电平时，激光将会出光。当A3-Internal Control 激活时，功率通过专业软件设置。若A6-Analog Control 激活，功率由模拟量控制。如果选择程序号，则程序号1-50被激活，按照设定的程序进行控制。

图9程序号0-内部控制时序

基于激光器的接口和光纤总线在数控驱动系统中的验证

1.硬件平台设计

本试验选用大连光洋科技集团有限公司自主研发的光纤总线式全数字数控系统作为主要硬件平台。该数控系统为光纤总线开放式高档数控系统，采用经过特殊设计制造的工业级PC、Windows系统、实时内核和软件数控等先进技术和体系结构。围绕光纤总线协议，在软硬件方面对数控系统结构进行了全新设计，采用高性能数控专用主板以及基于Glink光纤总线协议的PLC、伺服驱动器和机床键盘，是目前世界上高档数控系统硬件结构最少、最先进的体系。接口设计如图10所示，试验中所选用的光纤总线模块为自主研发的光纤总线通信模块，FPGA选用ALTERA公司的Cyclone系列EP1C12Q240C8，接口电平转换模块选用的是自主研发的PLC数字电平转换模块。

图10设计框图

本设计为数控系统通过光纤总线与激光器的接口进行的连接通信。利用FPGA采集总线的信息，通过再次开发的接口模式对激光器进行控制。图11为再次开发的接口时序。数据格式见表，其中，0x8805表示地址信息，bit0～11表示数据信息。

图11接口时序

表 数据格式

2.实验测试

图13为通过Glink总线连接到数控系统的设备的组态分布图，激光机的接口通过FPGA组态成一个外设设备而映射到系统中。

图13激光器接口在数控系统中的映射

结论

基于总线式的激光器接口应用，提供了安全可靠性高、安装调试方便的优点。光纤总线协议具有其他工业现场协议不可比拟的优势。因此，在未来的工业控制领域中，将激光器以总线式的方式集成于数控系统的控制之中，是更加简单而高效的方式。