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金属激光切割机焦点控制系统的任务是对激光焦点与工件之间的距离进行实时采集以及控制， 使其始终处于最佳切割位置从而提高切割质量， 同时与机床运动控制卡进行数据交换协同完成整个金属切割流程。 通过电容传感器对激光焦点与工件之间距离进行采集， 并通过信号处理电路以数字量形式传给主控制器 TMS320F28335； 主控制器对此距离信号进行数字滤波以及最小二乘法曲线拟合， 从而得到焦点距离与电容值之间的对应关系曲线； 主控制器通过模糊 PID 算法以焦点距离以及焦点距离变化率作为输入， 输出控制电压给驱动器接口电路以驱动伺服电机运动使得激光焦点与工件之间距离始终处于最佳，由此提高切割质量以及效率； 机床运动卡主要实现 XY 平面上的运动轨迹规划， 焦点控制系统则是实现 Z 方向上的切割距离恒定， 二者之间通过 I ／ O 口进行运动状态的数交换协同完成整个金属切割流程。
焦点位置控制模块由主控模块、 驱动器接口电路以及开关量输入输出处理电路三部分组成。 主控模块接收焦点位置检测模块发给的电容信号， 并根据电容值与焦点距离的标定关系得到此时的焦点距离， 并输出通过模糊 PID 控制算法得到的对电机的控制电压信号。 驱动器接口电路对 DSP 输出的焦点位置控制模拟量电压信号与电机驱动器输入范围进行匹配。 开关量输入输出处理电路的功能是接收机床运动控制卡发送的指令信号，并将焦点位置控制模块的状态反馈给机床运动控制卡，从而使焦点位置控制模块处于正确的工作流程。 焦点位置控制模块结构图如图 3 所示。
对于金属激光切割机而言， 机床运动控制卡实现的是 XY平面的切割轨迹规划， 焦点控制系统实现的是 Z 方向的激光焦点位置的恒定，焦点控制系统要受机床运动控制卡的控制。 在金属切割过程中，机床运动控制卡会发送随动、穿孔、加工完成等信号给焦点控制系统， 而焦点控制系统也需要将反映当前切割头位置的信号如上升到位信号、 下降到位信号以及切割报警信号等发送给机床运动控卡， 机床运动控制卡接收到这些信号后对其进行分析从而决定可否进行下一步的切割操作。 由于不同机床运动控制卡的开关量输入输出方式可能存在差异， 考虑到机床运动控制卡不同的电平电压， 需要有一个相对适用范围更广的输入输出处理电路。 开关量输入输出处理电路原理图如图 6 所示，与机床运动控制卡通信信号全部进行光耦隔离，并通过指示灯进行示意。
主控制器中还有一个 2ms 定时中断，其包含 3 个子程序：焦点位置检测子程序，焦点位置控制子程序和系统与机床运动控制卡通信子程序。 焦点位置检测子程序实现主控 DSP 对电容检测单元的电容值读取； 焦点位置控制子程序实现主控 DSP 对电机的控制电压输出；系统与机床运动控制卡通信子程序接收到的指令信号对应着系统不同的工作状态，其决定着焦点位置检测子程序中程序的走向。 2ms 定时中断子程序流程图如图 9 所示。
在系统测试平台上， 对系统的具体功能和性能指标进行详的测试。 设置完激光切割参数后 （激光焦点位置参数设置为1mm），系统执行回零操作使切割头位于高处 ，按下数据标定按钮系统进行自动标定；标定完成后，系统接收到机床运动控制卡发送过来的跟随信号后会自动进行焦点位置调节。为了便于系统控制效果的定量分析，通过主控 DSP 输出一路与焦点位置值成正比的模拟电压信号， 并采用运算放大器对信号进行适当放大后再接入示波器进行观测。 在测试过程中，主要是观测在阶跃信号输入下系统响应速度以及跟随稳定性。经过实际切割和示波器波形观测，系统的测量精度要很高，偏差低于 0．05mm，焦点距离控制的精度也达到了 0．1mm，并且在启动 2 个交流伺服电机模拟电磁干扰的情况下系统仍然能够正常稳定工作；焦点控制系统满足设计预期，符合金属激光切割机的切割要求。
