基于PC機(jī)和單片機(jī)的激光加工機(jī)控制系統(tǒng)

　　激光加工技術(shù)按應(yīng)用可分為激光切割、激光焊接、激光熱處理。它已在汽車、電子、電器、航空、航天、機(jī)械、冶金、能源、交通等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，與常規(guī)加工技術(shù)相比，激光加工存在如下的優(yōu)勢(shì)：

　?。?）由于它是無(wú)接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的；
　　（2）它可以對(duì)多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的材料；
　?。?）激光加工過(guò)程中無(wú)“刀具”磨損，無(wú)“切削力”作用于工件；
　?。?）激光加工過(guò)程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光照射部位影響極小，因此其熱影響區(qū)小，工件變形小，后續(xù)加工量小；
　?。?）由于激光束易于導(dǎo)向，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法；
　　（6）使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。

　　但現(xiàn)有的激光加工機(jī)多采用機(jī)械變速或單板機(jī)進(jìn)行控制，存在著操作繁雜、控制單調(diào)、編程困難、程序不易保存、不直觀等缺點(diǎn)，不能適應(yīng)激光技術(shù)的使用要求，因此我們開發(fā)了多功能激光加工機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用主從分布式控制，PC機(jī)作為主控制單元，51系列單片機(jī)作為從控制單元。即控制系統(tǒng)上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為單片機(jī)系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)組成與工作原理
　　2.1 系統(tǒng)硬件原理

　　圖1中PC機(jī)為配置齊全的奔騰二代586微機(jī)，包括VGA彩顯，通用鍵盤，一個(gè)20G硬盤，128M內(nèi)存?？紤]到本系統(tǒng)中有多項(xiàng)工作需同時(shí)執(zhí)行，因而選用分布式控制方式，采用PC機(jī)和8031一單片機(jī)分布控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　2.1.1 PC機(jī)的功能

　　作為主控制單元的PC機(jī)，其主要功能：
　?。?）完成信息加工。包括加工信息的輸人、修改、縮放，并且把編輯的圖形、漢字加工信息轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的控制信息。
　?。?）完成加工信息的開環(huán)模擬顯示和加工過(guò)程中的即時(shí)加工軌跡的顯示。
　　2.1.2 8031單片機(jī)的功能
　　作為從控制單元8031單片機(jī)，主要功能：
　?。?）接受主控制單元生成的控制信息，將其轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)所需的電脈沖，脈沖的頻率特性和占空比滿足步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的要求。
　　（2）步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器。脈沖分配器采用軟件實(shí)現(xiàn)，因而電機(jī)的升、降頻均實(shí)行實(shí)時(shí)軟件控制，大大降低了電機(jī)運(yùn)行時(shí)和升、降頻時(shí)的失步、增步、顫抖和噪音。

　　2.2 主從控制單元的通訊方式

　　本系統(tǒng)的主控單元和從控單元不必分開，把從控制單元做成了PC總線擴(kuò)展板，直接插人主控單元的擴(kuò)展槽中，通過(guò)PC總線直接通訊，從控單元共用主機(jī)電源，這樣不僅優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且提高了系統(tǒng)可靠性。

　　主從單元的通訊線路如圖2所示： 本系統(tǒng)采用I/O通訊方式，其中PC總線上的ADDR為根據(jù)需要所選用的空閑的PC機(jī)I/O地址，IORQ1為8031的數(shù)據(jù)I/O口地址。例如，當(dāng)ADDR和IOW同時(shí)有效時(shí)，就可把要傳送的數(shù)據(jù)傳送到Ul中暫存，當(dāng)8031的RD和IORQ1同時(shí)有效時(shí)，8031就可由IORQ1口地址中讀人數(shù)據(jù)。當(dāng)IORQ 1和WR同時(shí)有效時(shí)，就可把要傳送給PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳送到U2暫存，當(dāng)PC的ADDR和IOR同時(shí)有效時(shí)，PC機(jī)就可由ADDR口地址讀入數(shù)據(jù)。

　　2.3 從控單元（8031）系統(tǒng)
　　由于本系統(tǒng)的控制對(duì)象是分別帶動(dòng)兩個(gè)移動(dòng)軸的步進(jìn)電機(jī)，因而從控單元除了與主控單元的通訊電路外，還有兩個(gè)傳送數(shù)據(jù)的輸出口IORQ2和IORQ3。如圖3所示：8255的PA口對(duì)應(yīng)的是X向步進(jìn)電機(jī)，PB口對(duì)應(yīng)的是Y向步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)8255的PA、PB口分別對(duì)應(yīng)于8031的I/O口地址IORQ2,IORQ3。例如,8031要輸出X向電機(jī)的脈沖，那么只要把相應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)寫人IORQ2即可。

　　2.4 接口電路
　　接口電路的主要作用是：
　　（1）電壓隔離功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)的工作電壓是＋5V，而步進(jìn)電機(jī)則工作在幾十伏，甚至一百多伏電壓。處理不當(dāng)，會(huì)損壞控制系統(tǒng)，因而接口電路應(yīng)能把控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)回路隔離開來(lái)。
　　（2）電流放大功能：作為步進(jìn)電機(jī)功放電路的前置放大電路，把單片機(jī)輸出的信號(hào)進(jìn)行電流放大，以便向步進(jìn)電機(jī)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。
　　電壓隔離電路如圖4所示，由單片機(jī)輸出的高電平信號(hào)經(jīng)反相后，成為低電平，令T1截止，＋5V經(jīng)330歐電阻供給發(fā)光管，則光電耦合器OT中的發(fā)光二極管發(fā)光，OT中的光敏三極管導(dǎo)通，從而使T2導(dǎo)通，Vout輸出高電平，送到電流放大電路。

　　2.5 步進(jìn)電機(jī)
　　步進(jìn)電機(jī)是本系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的控制對(duì)象就是帶動(dòng)X向和Y向兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。X向和Y向分別選用130BF001型和150BF003型大功率高頻步進(jìn)電機(jī)。

　　3 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
　　由上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理中得知，系統(tǒng)要加工的圖形或漢字等信息都是通過(guò)主控單元PC機(jī)來(lái)編輯、處理、模擬運(yùn)行以及在線運(yùn)行顯示。這一邵分程序米用TURBO C語(yǔ)言編寫。

　　3.1 步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)子程序
　　下面介紹一下利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的軟接口。
　　130BF001和150BF003電機(jī)均是五相電機(jī)，電機(jī)的工作方式是五相十拍方式，電機(jī)的五相分別為A,B,C,D,E相，那么正轉(zhuǎn)時(shí)通電的相序?yàn)椋篈BC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB-ABC。如果A,B,C,D,E五相的相位分別對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)線的DO～D4位，那么控制信息串為：07H-06H-OEH-OCH-ICH-18H-19H-11H-13H-03H-07H。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的通電相序和控制信息串與正轉(zhuǎn)時(shí)相反。其程序如下：

　　在上述程序中，DJAA程序是電機(jī)的正轉(zhuǎn)子程序，DJFA程序是電機(jī)的反轉(zhuǎn)子程序，相位控制串依次存在以TAB為首地址的存儲(chǔ)空間。正轉(zhuǎn)時(shí)，相位值加“1”，從-1到9循環(huán)變化，將電機(jī)相序按正轉(zhuǎn)方向送出，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)時(shí)獷相位值減“1”，從10到0循環(huán)變化，將電機(jī)相序按反轉(zhuǎn)方向送出，以使電機(jī)反轉(zhuǎn)。

　　3.2 單片機(jī)8031工作程序框圖
　　3.2.1 主程序框圖
　　主程序框圖如畫5所示

　　3.2.2 初始化子程序框圖
　　初始化子程序框圖，如圖6所示。其中，置電機(jī)相序是將靜止的電機(jī)鎖定在指定的相序，加工速度是由用戶在實(shí)際加工過(guò)程中，根據(jù)激光器的功率，加工工件的襯料隨時(shí)設(shè)定的，由PC機(jī)輸入，再由PC機(jī)傳送給單片機(jī)。
　　.2.3 開（關(guān)）光閘子程序框圖

　　開（關(guān)）光閘子程序框圖如圖7所示。激光器的光閘是氣動(dòng)元件來(lái)開（關(guān)）的，所以開（關(guān)）的信號(hào)送出后，需要一段延時(shí)，以確保光閘完全開（關(guān)）后，再進(jìn)行其他的操作。注意：對(duì)同一激光器，開光閘和關(guān)光閘的延時(shí)是不一樣的，對(duì)不同的激光器，延時(shí)也是不一樣的，需作調(diào)整。

　　4 結(jié)束語(yǔ)
　　本控制系統(tǒng)已經(jīng)與青島中發(fā)激光技術(shù)有限公司的GLS-Ⅱ型激光熱處理機(jī)、GLS-Ⅲ型多功能加工機(jī)配套，實(shí)踐證實(shí)了其控制是可靠的，其工作是穩(wěn)定的。該控制系統(tǒng)具備下列功能：
　　（1）可完成要用激光加工的漢字、圖形的編輯功能，采用全屏幕編輯，直觀、方便，具備編輯信息的無(wú)級(jí)縮放功能；
　　（2）漢字系統(tǒng)使用矢量字庫(kù)，可根據(jù)用戶需要提供楷體、黑體、仿宋體、宋體、魏碑等十幾種字庫(kù)、國(guó)標(biāo)漢字；
　?。?）具有對(duì)平面圖（直線、斜線、圓、圓弧、橢圓、雙曲線、正余弦曲線、螺旋線）的編輯功能，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行修改、處理，可作精度修改（內(nèi)外緣）；
　?。?）該系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)加工功能，可專用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配套的內(nèi)；
　　（5）具備在屏幕上開環(huán)模擬顯示激光光點(diǎn)移動(dòng)軌跡的功能，在加工過(guò)程中，具備顯示激光光點(diǎn)的實(shí)際位置的功能，這樣可使用戶監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行，如果有偏移或異常發(fā)生，可即時(shí)實(shí)行補(bǔ)救措施，確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確度；
　?。?）由于系統(tǒng)圖形和文字編輯功能完善，精確度高（角精度為0.0375度，線精度為0.0lmm），可適應(yīng)于廣告業(yè)、裝演業(yè)、各種軸、法蘭、套類零件的加工以及模具加工等行業(yè)。
　　另外，由于本系統(tǒng)的圖形和文字編輯功能完善，精確度高，完全可以應(yīng)用于線切割，模具加工等機(jī)械的控制。