1 引言

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(yè)中得到廣泛的應用，與常規(guī)加工技術相比，激光加工存在如下的優(yōu)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(qū)小，工件變形小，后續(xù)加工量小；

（5）由于激光束易于導向，極易與數控系統(tǒng)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(fā)了多功能激光加工機的微機控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)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(tǒng)上位機為PC機，下位機為單片機系統(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(tǒng)中有多項工作需同時執(zhí)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(zhí)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(tǒng)所需要的控制信息。

（2）完成加工信息的開環(huán)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(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(yōu)化了系統(tǒng)結構，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(tǒng)

由于本系統(tǒng)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(tǒng)，因而接口電路應能把控制系統(tǒng)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(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(tǒng)執(zhí)行機構，系統(tǒng)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(tǒng)結構和原理中得知，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(huán)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(huán)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。