基于PC機和單片機的激光加工機控制系統

　　激光加工技術按應用可分為激光切割、激光焊接、激光熱處理。它已在汽車、電子、電器、航空、航天、機械、冶金、能源、交通等行業中得到廣泛的應用，與常規加工技術相比，激光加工存在如下的優勢：

　　（1）由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調，因此可以實現多種加工的目的；
　　（2）它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、高熔點的材料；
　　（3）激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件；
　　（4）激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位影響極小，因此其熱影響區小，工件變形小，后續加工量小；
　　（5）由于激光束易于導向，極易與數控系統配合，對復雜工件進行加工，因此是一種極為靈活的加工方法；
　　（6）使用激光加工，生產效率高，質量可靠，經濟效益好。

　　但現有的激光加工機多采用機械變速或單板機進行控制，存在著操作繁雜、控制單調、編程困難、程序不易保存、不直觀等缺點，不能適應激光技術的使用要求，因此我們開發了多功能激光加工機的微機控制系統。本系統采用主從分布式控制，PC機作為主控制單元，51系列單片機作為從控制單元。即控制系統上位機為PC機，下位機為單片機系統。

　　2 系統組成與工作原理
　　2.1 系統硬件原理

　　圖1中PC機為配置齊全的奔騰二代586微機，包括VGA彩顯，通用鍵盤，一個20G硬盤，128M內存。考慮到本系統中有多項工作需同時執行，因而選用分布式控制方式，采用PC機和8031一單片機分布控制執行機構。

　　2.1.1 PC機的功能

　　作為主控制單元的PC機，其主要功能：
　　（1）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、漢字加工信息轉換成系統所需要的控制信息。
　　（2）完成加工信息的開環模擬顯示和加工過程中的即時加工軌跡的顯示。
　　2.1.2 8031單片機的功能
　　作為從控制單元8031單片機，主要功能：
　　（1）接受主控制單元生成的控制信息，將其轉化為步進電機所需的電脈沖，脈沖的頻率特性和占空比滿足步進電機驅動電源的要求。
　　（2）步進電機的脈沖分配器。脈沖分配器采用軟件實現，因而電機的升、降頻均實行實時軟件控制，大大降低了電機運行時和升、降頻時的失步、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總線擴展板，直接插人主控單元的擴展槽中，通過PC總線直接通訊，從控單元共用主機電源，這樣不僅優化了系統結構，而且提高了系統可靠性。

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

　　2.3 從控單元（8031）系統
　　由于本系統的控制對象是分別帶動兩個移動軸的步進電機，因而從控單元除了與主控單元的通訊電路外，還有兩個傳送數據的輸出口IORQ2和IORQ3。如圖3所示：8255的PA口對應的是X向步進電機，PB口對應的是Y向步進電機，同時8255的PA、PB口分別對應于8031的I/O口地址IORQ2,IORQ3。例如,8031要輸出X向電機的脈沖，那么只要把相應的脈沖數據寫人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：單片機的工作電壓是＋5V，而步進電機則工作在幾十伏，甚至一百多伏電壓。處理不當，會損壞控制系統，因而接口電路應能把控制系統和步進電機回路隔離開來。
　　（2）電流放大功能：作為步進電機功放電路的前置放大電路，把單片機輸出的信號進行電流放大，以便向步進電機提供足夠大的驅動電流。
　　電壓隔離電路如圖4所示，由單片機輸出的高電平信號經反相后，成為低電平，令T1截止，＋5V經330歐電阻供給發光管，則光電耦合器OT中的發光二極管發光，OT中的光敏三極管導通，從而使T2導通，Vout輸出高電平，送到電流放大電路。

　　2.5 步進電機
　　步進電機是本系統執行機構，系統的控制對象就是帶動X向和Y向兩個步進電機。X向和Y向分別選用130BF001型和150BF003型大功率高頻步進電機。

　　3 應用軟件設計
　　由上述系統結構和原理中得知，系統要加工的圖形或漢字等信息都是通過主控單元PC機來編輯、處理、模擬運行以及在線運行顯示。這一邵分程序米用TURBO C語言編寫。

　　3.1 步進電機正、反轉子程序
　　下面介紹一下利用單片機控制步進電機的軟接口。
　　130BF001和150BF003電機均是五相電機，電機的工作方式是五相十拍方式，電機的五相分別為A,B,C,D,E相，那么正轉時通電的相序為：ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB-ABC。如果A,B,C,D,E五相的相位分別對應于數據線的DO～D4位，那么控制信息串為：07H-06H-OEH-OCH-ICH-18H-19H-11H-13H-03H-07H。電機反轉時的通電相序和控制信息串與正轉時相反。其程序如下：

　　在上述程序中，DJAA程序是電機的正轉子程序，DJFA程序是電機的反轉子程序，相位控制串依次存在以TAB為首地址的存儲空間。正轉時，相位值加“1”，從-1到9循環變化，將電機相序按正轉方向送出，以實現電機正轉；反轉時獷相位值減“1”，從10到0循環變化，將電機相序按反轉方向送出，以使電機反轉。

　　3.2 單片機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，置電機相序是將靜止的電機鎖定在指定的相序，加工速度是由用戶在實際加工過程中，根據激光器的功率，加工工件的襯料隨時設定的，由PC機輸入，再由PC機傳送給單片機。
　　.2.3 開（關）光閘子程序框圖

　　開（關）光閘子程序框圖如圖7所示。激光器的光閘是氣動元件來開（關）的，所以開（關）的信號送出后，需要一段延時，以確保光閘完全開（關）后，再進行其他的操作。注意：對同一激光器，開光閘和關光閘的延時是不一樣的，對不同的激光器，延時也是不一樣的，需作調整。

　　4 結束語
　　本控制系統已經與青島中發激光技術有限公司的GLS-Ⅱ型激光熱處理機、GLS-Ⅲ型多功能加工機配套，實踐證實了其控制是可靠的，其工作是穩定的。該控制系統具備下列功能：
　　（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，具備編輯信息的無級縮放功能；
　　（2）漢字系統使用矢量字庫，可根據用戶需要提供楷體、黑體、仿宋體、宋體、魏碑等十幾種字庫、國標漢字；
　　（3）具有對平面圖（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，用戶可根據需要進行修改、處理，可作精度修改（內外緣）；
　　（4）該系統中的網絡加工功能，可專用于汽車發動機配套的內；
　　（5）具備在屏幕上開環模擬顯示激光光點移動軌跡的功能，在加工過程中，具備顯示激光光點的實際位置的功能，這樣可使用戶監視系統的運行，如果有偏移或異常發生，可即時實行補救措施，確保系統的準確度；
　　（6）由于系統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），可適應于廣告業、裝演業、各種軸、法蘭、套類零件的加工以及模具加工等行業。
　　另外，由于本系統的圖形和文字編輯功能完善，精確度高，完全可以應用于線切割，模具加工等機械的控制。