激光技术被认为是21世纪最伟大的发明之一,为了更好地加快我国激光技术的发展与应用,中国工程院于2018年启动了“我国激光技术与应用2035发展战略研究”。目前,激光切割技术作为应用领域最广泛的激光技术,已成为了当前先进制造技术的研究热点,但是国内技术水平与国外先进技术水平相距甚远,其中特别体现在切割效率,并且国外激光切割控制系统的价格昂贵,阻碍了高速激光切割在我国的推广应用。为此,研发一套可实现高速激光切割的控制系统具有重要意义。本文针对国内激光切割机切割效率远不及国外企业产品的问题,以大行程XY运动平台为宏平台,并串联耦合激光振镜模组作为微平台,增加与XY主轴平行的冗余自由度UV轴,并基于该宏微平台结构的激光切割机,研究宏微平台的冗余自由度运动,开发出一套可实现高速激光切割的控制系统。首先,设计了高速激光切割机的软硬件总体方案。硬件上,研究XY运动平台串联耦合激光振镜模组的宏微平台架构,分析宏微平台的结构特性。软件上,设计了控制系统的整体控制架构与应用程序的软件架构。研究基于Ether CAT总线的全软型开放式控制系统,使用实时扩展方案EC-Win,在Windows环境上扩展RTOS-32实时环境,并使Ether CAT主站运行在实时环境,满足控制系统的实时性需求,通过Ether CAT实现主从站精确同步。应用程序基于分层思想与数控功能分类,分为表现层、业务逻辑层和数据访问层,并结合事件驱动架构实现解耦,使程序易于开发、具备良好的可扩展性。其次,研究宏微平台的冗余自由度运动,设计基于宏微平台的高速高精度激光加工算法。通过FIR三次滤波实现合成运动与宏平台的速度规划,使用矢量减法计算微平台的速度规划,准确实现了宏微平台的运动分解,大行程宏平台负责大幅面运动,高加速度微平台负责速度的快速转向。通过相邻轨迹的速度叠加提高加工效率,并设置约束,使算法不产生轨迹误差,确保宏平台的速度、加速度和加加速度不超限。算法仿真表明,采用宏微平台与单独使用XY运动平台相比,加工效率提升35%以上,可实现高速高精度的激光切割加工。然后,设计实现控制系统的关键模块。在表现层,对开源软件Libre CAD二次开发,并优化图形显示功能。设计系统调度器统一管理业务逻辑层,并实现关键的数据交互模块和运动规划模块。在底层的数据访问层中,设计共享内存数据结构,建立应用程序与Ether CAT主站的跨域通信;解析DXF文件获取图形数据,并对特殊图形进行拟合处理。在Ether CAT主从站中,研究EC-Motion运动库以及XY2-100协议,实现XY运动平台与激光振镜模组的运动控制。最后,结合实际的生产需要,设计并实现激光工艺功能,保证激光的切割质量。通过多组激光加工实验,验证了基于宏微平台的高速高精度激光加工算法的有效性,可大幅提高加工效率。本文的高速激光切割机的控制系统稳定可靠,得到了企业的应用和商用化,已在实际的激光切割生产中投入使用。