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[资料] 基于PC机和单片机的激光加工机控制系统

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发表于 2011-7-13 23:52:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1 引言0 G0 ^; M, a# ?+ B9 j/ h9 s: i
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:
% ^0 c3 L* w- V& ^8 O5 H(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;
# t3 ~8 t3 _; y3 |(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 {$ s. m$ d/ W9 u; ?9 R. H/ \(3)激光加工过程中无“刀具”磨损,无“切削力”作用于工件;1 B$ x, }$ I% y
(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;" K# P2 p; x& p2 a8 i" ?4 C/ ^$ B
(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;
  _4 u- @% ^& T, b6 M1 ?(6)使用激光加工,生产效率高,质量可靠,经济效益好。4 r: m# l8 G! m8 A
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。6 O  D6 _2 c( X( T6 W, @7 x
2 系统组成与工作原理
5 l' Y, @# ~+ e+ G9 B, }2 O2.1 系统硬件原理
4 m2 v) o: G; I: I 200761153434.jpg
. P8 N' W2 X- W, P0 ~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。
$ D' l* @% ~4 k2 J2.1.1 PC机的功能
. ~7 o& J8 W# c$ G作为主控制单元的PC机,其主要功能:
7 c3 P( y8 @- U9 c9 P' M(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。
1 }! T, e; e: _3 [# @! I; t(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。; e' U! T; N, j0 V/ _* ~
2.1.2 8031单片机的功能4 @" N7 Q% V$ f. N, L6 u
作为从控制单元8031单片机,主要功能:
* U# m( J3 T4 F1 Y0 Q6 H: o(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。
7 m9 X! m5 h5 Z# s( V6 g9 a(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。6 c& S. Q5 B. L" n+ \# f) {
2.2 主从控制单元的通讯方式
" p! C( n0 |2 F4 Q/ D3 ]6 V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。" d3 S$ e- s! g( S- _
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。
1 ^+ V% `3 _! E. _; u$ a 200761153459.jpg
3 u* ~( o* F1 f2.3 从控单元(8031)系统
$ N6 ~3 q+ m$ [/ ^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。
6 d+ @3 ]. T( R# x. f1 w& r. | 200761153546.jpg , W+ E: X% a3 R- k6 g& I
2.4 接口电路
: y, ^6 B( }  f; L, {/ |6 |, t& A接口电路的主要作用是:" Z8 u3 F- j& }* b+ A$ L6 U' d
(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。
! q- r; A6 t# v( t(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。% U1 X& w3 v" Q+ t/ i" L
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。
, H4 b: v1 m6 `( i6 z6 `- k2.5 步进电机7 v1 d8 X# Z2 y; y
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。
7 _% r8 S# Q2 @7 ^& g3 应用软件设计
% s+ \( R% |" m3 W; g9 ?$ a7 w, T3 d, U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。
; F# Y9 m" |- k- R3 u8 j3.1 步进电机正、反转子程序
4 y, a2 q- M) X6 @/ C下面介绍一下利用单片机控制步进电机的软接口。# z# @! r$ U" T
130BF001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:# E: o' S& R9 u$ y& H8 j5 m, _
200761153631.jpg 7 r0 R+ {4 C0 y9 y, Q8 S. W; h
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。1 x, m; B) X& Z0 V- t
3.2 单片机8031工作程序框图
4 {; \& @8 x; Q. r9 E3.2.1 主程序框图
7 o$ S/ B/ Z+ y2 U$ i9 e/ y, L主程序框图如画5所示! [2 K$ x; w3 c; p! M) O
200761153747.jpg 2 u3 }' J+ T" A1 @; W
3.2.2 初始化子程序框图/ {' ^% C- T4 q9 w8 K
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。
" `" q' ]1 ?  Q" \0 ^( Y1 r) m  z 20076115385.jpg 7 r5 m4 u$ v9 {4 x7 O8 @' z
.2.3 开(关)光闸子程序框图
3 s" @3 @' U! W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。# S0 A; [$ U+ ]. g. W8 I
4 结束语  N3 A. s! Y5 T& D
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:* y* t3 ?* W& x0 ]1 a  T0 ^
(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;
& v5 o5 V: c- [1 ~; t(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;
9 {1 ^) \. J3 H" }7 S9 ^: h(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);
. S$ _9 z: k8 K4 E& V(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;) @2 ~2 n% P% e  t  [$ F
(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;9 s$ Y9 A: S1 P' ]+ N& W4 R* g3 f
(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。- z: c) I( d7 U6 m# U6 ~
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。/ `  j5 B  M' [$ P% l( `! J
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