基于PC机和单片机的激光加工机控制系统

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1 引言
激光加工技术按应用可分为激光切割、激光焊接、激光热处理。它已在汽车、电子、电器、航空、航天、机械、冶金、能源、交通等行业中得到广泛的应用，与常规加工技术相比，激光加工存在如下的优势：
（1）由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的；
/ x  m0 x0 S, o% a# H1 ?: H（2）它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、高熔点的材料；
9 k- v" Y0 Y- U# Q# f; k6 g' F（3）激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；
（4）激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位影响极小，因此其热影响区小，工件变形小，后续加工量小；
（5）由于激光束易于导向，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法；
（6）使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。
但现有的激光加工机多采用机械变速或单板机进行控制，存在着操作繁杂、控制单调、编程困难、程序不易保存、不直观等缺点，不能适应激光技术的使用要求，因此我们开发了多功能激光加工机的微机控制系统。本系统采用主从分布式控制，PC机作为主控制单元，51系列单片机作为从控制单元。即控制系统上位机为PC机，下位机为单片机系统。
2 系统组成与工作原理
0 @; D# n8 _4 B* f" m' Z0 |2.1 系统硬件原理
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8 Q4 u9 V- ]7 j' a1 o图1中PC机为配置齐全的奔腾二代586微机，包括VGA彩显，通用键盘，一个20G硬盘，128M内存。考虑到本系统中有多项工作需同时执行，因而选用分布式控制方式，采用PC机和8031一单片机分布控制执行机构。
0 c5 u' M8 \5 X# w# o0 K9 T2.1.1 PC机的功能
3 I& g" K5 y4 U& t- Y作为主控制单元的PC机，其主要功能：
8 q0 j5 ?* c) ]" I! ~- G( t0 O（1）完成信息加工。包括加工信息的输人、修改、缩放，并且把编辑的图形、汉字加工信息转换成系统所需要的控制信息。
（2）完成加工信息的开环模拟显示和加工过程中的即时加工轨迹的显示。
2.1.2 8031单片机的功能
0 d, w0 s# H% D% `6 i5 K作为从控制单元8031单片机，主要功能：
（1）接受主控制单元生成的控制信息，将其转化为步进电机所需的电脉冲，脉冲的频率特性和占空比满足步进电机驱动电源的要求。
（2）步进电机的脉冲分配器。脉冲分配器采用软件实现，因而电机的升、降频均实行实时软件控制，大大降低了电机运行时和升、降频时的失步、增步、颤抖和噪音。
2.2 主从控制单元的通讯方式
本系统的主控单元和从控单元不必分开，把从控制单元做成了PC总线扩展板，直接插人主控单元的扩展槽中，通过PC总线直接通讯，从控单元共用主机电源，这样不仅优化了系统结构，而且提高了系统可靠性。
) O* r3 A& j4 B* ^主从单元的通讯线路如图2所示： 本系统采用I/O通讯方式，其中PC总线上的ADDR为根据需要所选用的空闲的PC机I/O地址，IORQ1为8031的数据I/O口地址。例如，当ADDR和IOW同时有效时，就可把要传送的数据传送到Ul中暂存，当8031的RD和IORQ1同时有效时，8031就可由IORQ1口地址中读人数据。当IORQ 1和WR同时有效时，就可把要传送给PC机的数据传送到U2暂存，当PC的ADDR和IOR同时有效时，PC机就可由ADDR口地址读入数据。
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2.3 从控单元（8031）系统
6 X/ F0 _% W, [由于本系统的控制对象是分别带动两个移动轴的步进电机，因而从控单元除了与主控单元的通讯电路外，还有两个传送数据的输出口IORQ2和IORQ3。如图3所示：8255的PA口对应的是X向步进电机，PB口对应的是Y向步进电机，同时8255的PA、PB口分别对应于8031的I/O口地址IORQ2,IORQ3。例如,8031要输出X向电机的脉冲，那么只要把相应的脉冲数据写人IORQ2即可。
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2.4 接口电路
接口电路的主要作用是：
（1）电压隔离功能：单片机的工作电压是＋5V，而步进电机则工作在几十伏，甚至一百多伏电压。处理不当，会损坏控制系统，因而接口电路应能把控制系统和步进电机回路隔离开来。
（2）电流放大功能：作为步进电机功放电路的前置放大电路，把单片机输出的信号进行电流放大，以便向步进电机提供足够大的驱动电流。
电压隔离电路如图4所示，由单片机输出的高电平信号经反相后，成为低电平，令T1截止，＋5V经330欧电阻供给发光管，则光电耦合器OT中的发光二极管发光，OT中的光敏三极管导通，从而使T2导通，Vout输出高电平，送到电流放大电路。
8 F7 n. k; f1 @, T4 v' y/ \3 K2.5 步进电机
$ d- m( A+ C! W6 H步进电机是本系统执行机构，系统的控制对象就是带动X向和Y向两个步进电机。X向和Y向分别选用130BF001型和150BF003型大功率高频步进电机。
3 应用软件设计
4 k5 M7 F5 ~' h' Q5 ]由上述系统结构和原理中得知，系统要加工的图形或汉字等信息都是通过主控单元PC机来编辑、处理、模拟运行以及在线运行显示。这一邵分程序米用TURBO C语言编写。
8 p4 ?1 b3 x( }: \( H9 k7 h3.1 步进电机正、反转子程序
4 U+ ?  y+ n- k0 Z2 T下面介绍一下利用单片机控制步进电机的软接口。
+ k/ j8 y& N; J% ^( N% c130BF001和150BF003电机均是五相电机，电机的工作方式是五相十拍方式，电机的五相分别为A,B,C,D,E相，那么正转时通电的相序为：ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB-ABC。如果A,B,C,D,E五相的相位分别对应于数据线的DO～D4位，那么控制信息串为：07H-06H-OEH-OCH-ICH-18H-19H-11H-13H-03H-07H。电机反转时的通电相序和控制信息串与正转时相反。其程序如下：
" p- W7 Q2 m& Q' ~0 `5 U& s. L
7 O- ^; T; Q4 ?在上述程序中，DJAA程序是电机的正转子程序，DJFA程序是电机的反转子程序，相位控制串依次存在以TAB为首地址的存储空间。正转时，相位值加“1”，从-1到9循环变化，将电机相序按正转方向送出，以实现电机正转；反转时犷相位值减“1”，从10到0循环变化，将电机相序按反转方向送出，以使电机反转。
3.2 单片机8031工作程序框图
: a2 N% `, i* ^$ J* L5 A9 a3.2.1 主程序框图
- A/ @8 O+ w; l主程序框图如画5所示
$ I( C- ^, t; P3 _1 a$ x3 p
3.2.2 初始化子程序框图
初始化子程序框图，如图6所示。其中，置电机相序是将静止的电机锁定在指定的相序，加工速度是由用户在实际加工过程中，根据激光器的功率，加工工件的衬料随时设定的，由PC机输入，再由PC机传送给单片机。

6 p: w* R5 q# |, s8 @1 n+ y* r.2.3 开（关）光闸子程序框图
# {) P- X8 h- m) X: _# h8 H开（关）光闸子程序框图如图7所示。激光器的光闸是气动元件来开（关）的，所以开（关）的信号送出后，需要一段延时，以确保光闸完全开（关）后，再进行其他的操作。注意：对同一激光器，开光闸和关光闸的延时是不一样的，对不同的激光器，延时也是不一样的，需作调整。
4 结束语
本控制系统已经与青岛中发激光技术有限公司的GLS-Ⅱ型激光热处理机、GLS-Ⅲ型多功能加工机配套，实践证实了其控制是可靠的，其工作是稳定的。该控制系统具备下列功能：
& P: h( t" k9 r) M（1）可完成要用激光加工的汉字、图形的编辑功能，采用全屏幕编辑，直观、方便，具备编辑信息的无级缩放功能；
（2）汉字系统使用矢量字库，可根据用户需要提供楷体、黑体、仿宋体、宋体、魏碑等十几种字库、国标汉字；
" O* f( a7 ]9 X2 m（3）具有对平面图（直线、斜线、圆、圆弧、椭圆、双曲线、正余弦曲线、螺旋线）的编辑功能，用户可根据需要进行修改、处理，可作精度修改（内外缘）；
（4）该系统中的网络加工功能，可专用于汽车发动机配套的内；
9 H: E0 h8 D' {) L+ S/ g9 E! V（5）具备在屏幕上开环模拟显示激光光点移动轨迹的功能，在加工过程中，具备显示激光光点的实际位置的功能，这样可使用户监视系统的运行，如果有偏移或异常发生，可即时实行补救措施，确保系统的准确度；
（6）由于系统图形和文字编辑功能完善，精确度高（角精度为0.0375度，线精度为0.0lmm），可适应于广告业、装演业、各种轴、法兰、套类零件的加工以及模具加工等行业。
另外，由于本系统的图形和文字编辑功能完善，精确度高，完全可以应用于线切割，模具加工等机械的控制。
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