基于微機(jī)的激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：敘述了基于ＰＣ機(jī)的激光雕刻機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和其外圍接口特性。

關(guān)鍵詞：控制 ＣＮＣ 插補(bǔ)原理 計(jì)算機(jī)并口

激光是２０世紀(jì)６０年代初期興起的一項(xiàng)新技術(shù)，由于其具有單色性好，高亮度和方向性好的特點(diǎn)，對(duì)各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。而近年來的基于ＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）的激光雕刻機(jī)作為一種機(jī)、光、電、算相結(jié)合的高科技產(chǎn)品也在市場(chǎng)上出現(xiàn)，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，市場(chǎng)需求量很大。由于該產(chǎn)品大部分是由國外進(jìn)口，其價(jià)格之高，令一般的國內(nèi)消費(fèi)者難以接受。主要同類產(chǎn)品有日本的ＭＩＭＡＫＩ ＰＲＯ的專業(yè)刻字機(jī)，上海長江匯眾企業(yè)發(fā)展有限公司的長江激光雕刻機(jī)和北京開天科技公司的ＦＣ－１５型激光雕刻機(jī)等。本文主要介紹激光雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及主要端口的接口特性。在該激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)中，主要采用基于ＰＣ機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)，通過并口和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)，從而達(dá)到控制工作臺(tái)（或激光束）的走向和速度的目的。

１ 控制軟件的設(shè)計(jì)

1.1 插補(bǔ)原理

在激光雕刻機(jī)中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)激光雕刻機(jī)的控制，主要采用矢量化的方法將控制分成不同種類的基本矢量，其中包括直線、圓弧、橢圓三個(gè)基本矢量。再利用插補(bǔ)原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)基本矢量的數(shù)字逼近。在激光雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)中要求能夠達(dá)到較高的速度和精確度，因此控制軟件的計(jì)算不能太復(fù)雜，花費(fèi)的時(shí)間不能太多，這就是使用插補(bǔ)原理的原因所在。在本系統(tǒng)中所采用的為逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法。所謂逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法，即每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行一次比較，使該點(diǎn)在給定軌跡的上方或下方，或在給定軌跡的里面或外面，從而決定下一步的進(jìn)給方向，使之趨近加工軌跡。如此走一步，比較一次，決定下一步走向，逐步逼近給定的軌跡。逐點(diǎn)比較法是以折線來逼近直線或圓弧曲線的，它與規(guī)定的直線或圓弧之間的最大誤差不超過一個(gè)脈沖當(dāng)量，只要將脈沖當(dāng)量（即每走一步的距離）取得足夠小，就可以達(dá)到加工的精度要求。下面以直線為例來說明插補(bǔ)原理。如圖１所示。

偏差計(jì)算公式假定加工第一象限的直線ＯＡ，取直線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)Ｏ，直線終點(diǎn)坐標(biāo)Ａ（Ｘｅ，Ｙｅ）是已知的。Ｍ（Ｘｍ，Ｙｍ）為加工點(diǎn)（動(dòng)點(diǎn)）。若Ｍ在ＯＡ直線上，則根據(jù)相似三角形的關(guān)系有：

Xm / Ym=Xe / Ye

取Ｆｍ＝ＹｍＸｅ－ＸｍＹｅ作為直線插補(bǔ)的偏差判別式。

若Ｆｍ＝０，表明Ｍ點(diǎn)在直線ＯＡ上。

若Ｆｍ＞０，表明Ｍ點(diǎn)在直線ＯＡ上方的Ｍ′處。

若Ｆｍ＜０，表明Ｍ點(diǎn)在直線ＯＡ下方的Ｍ″處。

對(duì)于第一象限直線從起點(diǎn)(即坐標(biāo)原點(diǎn))出發(fā),

若Ｆｍ＞＝０，沿＋Ｘ軸方向走一步。

若Ｆｍ＜＝０，沿－Ｘ軸方向走一步。

當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)(Ｘｅ,Ｙｅ)相等時(shí)，發(fā)出到達(dá)終點(diǎn)信號(hào)，停止插補(bǔ)。設(shè)在某加工點(diǎn)出現(xiàn)有Ｆｍ＞＝０時(shí)，應(yīng)沿＋Ｘ方向進(jìn)給一步，走一步后的坐標(biāo)值為: Ｘｍ＋１＝Ｘｍ＋１, Ｙｍ＋１＝Ｙｍ

新的偏差為:Ｆｍ＋１＝Ｙｍ＋１Ｘｅ－Ｘｍ＋１Ｙｅ＝Ｆｍ－Ｙｅ

若Ｆｍ＜＝０時(shí)，應(yīng)沿＋Ｙ方向進(jìn)給一步，走一步后的坐標(biāo)值為: Ｘｍ＋１＝Ｘｍ,Ｙｍ＋１＝Ｙｍ＋１

新的偏差為：Ｆｍ＋１＝Ｙｍ＋１Ｘｅ－Ｘｍ＋１Ｙｅ＝Ｆｍ＋Ｘｅ

上式為簡化后的偏差計(jì)算公式在公式中只有加、減運(yùn)算，只要將前一點(diǎn)的偏差值等于上述的終點(diǎn)坐標(biāo)值。當(dāng)然對(duì)于不同的象限以及不同的矢量插補(bǔ)公式不同，但其基本原理相似，在這里不再贅述。

1.2 對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度的控制

由于國產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)頻率一般為１～２ｋＨｚ，一般步進(jìn)電機(jī)不能一下突變到要求的最大頻率，而在電機(jī)的最大運(yùn)行頻率下也不能立即停止，否則就會(huì)造成電機(jī)的丟步，影響系統(tǒng)的精度。這就需要在程序中有對(duì)電機(jī)的加減速控制，其基本思路如下：

設(shè)電機(jī)每次步進(jìn)的時(shí)間為ｔ，ｔ與電機(jī)的運(yùn)行速度成反比，當(dāng)電機(jī)處于加速階段時(shí)，在電機(jī)的下一步應(yīng)使其時(shí)間為ｔ－洌簦渲袖ｔ是根據(jù)電機(jī)加速度計(jì)算出的時(shí)間減小量，其計(jì)算方式如下：

ｎ＝l / δ，δt=t0-t1 / n-l,tsum=n(t0+t1) / 2

其中ｌ為某段距離的長度，δ為系統(tǒng)的分辨率即最小步進(jìn)距離，n為所走的總瞳數(shù)，tsum為所需走的總時(shí)間，t0為初始速度時(shí)每走一瞳所花費(fèi)的時(shí)間，t1為到達(dá)所要求走的距離時(shí)（即達(dá)到最大速度 時(shí)）每走一走所花費(fèi)的時(shí)間，根據(jù)具體的要求我們可以計(jì)算出以各式的值。

在基于ＰＣ機(jī)的控制系統(tǒng)中，一個(gè)很重要的問題就是如何獲得對(duì)時(shí)間的精確控制。在ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)中系統(tǒng)所提供的時(shí)間函數(shù)只能達(dá)到毫秒級(jí)的精度，很難達(dá)到微秒級(jí)的控制精度。對(duì)于不同配置的ＰＣ機(jī)，執(zhí)行相同的語句其時(shí)間也不會(huì)相同。為此我們利用系統(tǒng)提供的ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ（）函數(shù)，用包括＿ｎｏｐ語句的循環(huán)來達(dá)到微秒級(jí)的控制精度。下面為具體的實(shí)現(xiàn)方法用法：

構(gòu)造ＣＭｉｃｒｏＳｅｃｏｎｄ類：

在類初始化函數(shù)中實(shí)現(xiàn)每微秒包含＿ｎｏｐ語句循環(huán)數(shù)。

ｖｏｉｄ ＣＭｉｃｒｏＳｅｃｏｎｄ：：Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ

{

ＤＷＯＲＤ ｄｗＳｔａｒｔ ＝ ０;

ＤＷＯＲＤ ｄｗＳｔｏｐ ＝ ０;

ｉｎｔ ｎＬｏｏｐＳｅｅｄ ＝ １０００００;

ｄｏ{

ｍ＿ｄｗＬｏｏｐＣｏｕｎｔｅｒ１ ＝ ０;

ｄｗＳｔａｒｔ ＝ ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ;

ｆｏｒ(ｉｎｔ ｉ＝０;ｉ＜ ｎＬｏｏｐＳｅｅｄ;ｉ＋＋)

{

ｍ＿ｄｗＬｏｏｐＣｏｕｎｔｅｒ１＋＋;

＿ａｓｍｎｏｐ;

}

ｄｗＳｔｏｐ ＝ ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ();

ｎＬｏｏｐＳｅｅｄ ＋＝ １０００００;

}ｗｈｉｌｅ ( ｄｗＳｔｏｐ － ｄｗＳｔａｒｔ ＜ ５０ );

ｍ＿ｄｗＬｏｏｐＣｏｕｎｔｅｒ１ ＝ ０;

ｄｗＳｔａｒｔ＝ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ;

ｆｏｒ(ｉｎｔ ｉ＝０; ｉ＜ｎＬｏｏｐＳｅｅｄ;ｉ＋＋)

{

ｍ＿ｄｗＬｏｏｐＣｏｕｎｔｅｒ１＋＋;

＿ａｓｍ{ｎｏｐ}

}

ｄｗＳｔｏｐ ＝ ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ();

／／每毫秒的循環(huán)數(shù)

ｍ＿ｄｗＬｏｏｐＣｏｕｎｔｅｒ１＝ｍ＿ｄｗＬｏｏｐＣｏｕｎｔｅｒ１／ｄｗＳｔｏｐ－

ｄｗＳｔａｒｔ;

／／每微秒的循環(huán)數(shù)

ｍ＿ｎＬｏｏｐＣｏｕｎｔＰｅｒＭｉｃｒｏＳｅｃｏｎｄ＝ｉｎｔｍ＿ｄｗＬｏｏｐ

Ｃｏｕｎｔｅｒ １／１０００;

}

實(shí)現(xiàn)固定時(shí)間的延時(shí)：

ｖｏｉｄ ＣＭｉｃｒｏＳｅｃｏｎｄ::ＭｉｃｒｏＤｅｌａｙ( ｉｎｔ ｕＳｅｃ )

{

ｎ＝０;

ｆｏｒ(ｉｎｔ ｉ＝０;ｉ＜ｕＳｅｃ*ｍ＿ｎＬｏｏｐＣｏｕｎｔＰｅｒＭｉｃｒｏＳｅｃｏｎｄ;ｉ＋＋)

{

ｎ＋＋;

＿ａｓｍ{ｎｏｐ}

}

}

由于賦值語句、ｆｏｒ語句、函數(shù)的調(diào)用等要消耗時(shí)間，因此所得到的時(shí)間也并不是非常精確的時(shí)間。但對(duì)于一般的ＰＣ機(jī)來說完全可以達(dá)到幾十微妙的精度，而對(duì)于一般的控制系統(tǒng)來說，這個(gè)精度是足以達(dá)到控制要求的。

２ 外圍接口特性

在本系統(tǒng)中我們通過計(jì)算機(jī)的并口來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制。我們知道并行口適配器的具體形式是多種多樣的，但是在ＰＣ系列微機(jī)中分配給它的最多有四個(gè)口，常用的是三個(gè)口，其地址為：０３ＢＣＨ － ０３ＢＥＨ：并口一（ＬＰＴ１），０３７８Ｈ － ０３７ＡＨ：并口二（ＬＰＴ２），０２７８Ｈ － ０２７ＡＨ：并口三（ＬＰＴ３）。這里可以看到每個(gè)并口包括了三個(gè)口地址其中第一個(gè)為基地址，是因?yàn)橐粋€(gè)并口具有數(shù)據(jù)口狀態(tài)口和控制口的緣故。不過值得注意的是，最好不要直接用上述口的地址去讀寫并口，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中很少有三個(gè)并行口都同時(shí)有效的，而且多功能卡和單色顯示卡上的并行口地址是有差別的。單色顯示卡上的并口地址一般是０３ＢＣＨ，而多功能卡上的并口基地址一般可以在０３７８Ｈ和０２７８Ｈ之間進(jìn)行選擇。因此如果直接對(duì)某一并口地址進(jìn)行操作，萬一ＰＣ機(jī)上的并口適配器用的不是這個(gè)口地址那就要出錯(cuò)了。

熟悉ＰＣ機(jī)的讀者都知道，ＰＣ機(jī)內(nèi)存最低端ＢＩＯＳ數(shù)據(jù)區(qū)的４０：０８Ｈ，４０：０ＡＨ，４０：０ＣＨ三個(gè)字是被設(shè)計(jì)用來存放上述三個(gè)并行口的基地址的，４０：０８Ｈ － ０９Ｈ ＬＰＴ１基地址；４０：０ＡＨ － ０ＢＨ ＬＰＴ２基地址；４０：０ＣＨ － ０ＤＨ ＬＰＴ３基地址。這三個(gè)字中的基地址是在ＰＣ機(jī)啟動(dòng)過程中根據(jù)實(shí)際存在的并行口地址存放的，使用它們來讀寫并行口就不會(huì)出錯(cuò)，所以在使用時(shí)一定要通過檢查這三個(gè)字來得到并行口的基地址。在對(duì)并口的讀寫操作用到的語句為＿ｏｕｔｐ(并口地址,數(shù)據(jù))和 ＿ｉｎｐ( 并口地址 )(＿ｉｎｐ返回值為讀到的數(shù)據(jù))。

３ 系統(tǒng)特點(diǎn)及結(jié)果分析

在本文所述的激光雕刻機(jī)系統(tǒng)中，我們通過動(dòng)態(tài)連接庫的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，我們將對(duì)基本矢量元素的控制都封裝在了一個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫中，這樣使系統(tǒng)的控制軟件具有一定可移植性。而這種通過ＰＣ機(jī)并口實(shí)現(xiàn)對(duì)激光雕刻機(jī)控制的方法簡單而且易于實(shí)現(xiàn)，可以大大的縮短開發(fā)周期。如果我們配上相應(yīng)的激光雕刻機(jī)作圖軟件，就可以成為一個(gè)商用化的產(chǎn)品了。