1 引言

激光加工技術(shù)按應(yīng)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(jī)械、冶金、能源、交通等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，與常規(guī)加工技術(shù)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(diào)，因此可以實現(xiàn)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(dǎo)向，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復(fù)雜工件進(jìn)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(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。

但現(xiàn)有的激光加工機(jī)多采用機(jī)械變速或單板機(jī)進(jìn)行控制，存在著操作繁雜、控制單調(diào)、編程困難、程序不易保存、不直觀等缺點，不能適應(yīng)激光技術(shù)的使用要求，因此我們開發(fā)了多功能激光加工機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用主從分布式控制，PC機(jī)作為主控制單元，51系列單片機(jī)作為從控制單元。即控制系統(tǒng)上位機(jī)為PC機(jī)，下位機(jī)為單片機(jī)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(jī)為配置齊全的奔騰二代586微機(jī)，包括VGA彩顯，通用鍵盤，一個20G硬盤，128M內(nèi)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(jī)和8031一單片機(jī)分布控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.1.1 PC機(jī)的功能

作為主控制單元的PC機(jī)，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(zhuǎn)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(jī)的功能

作為從控制單元8031單片機(jī)，主要功能：

（1）接受主控制單元生成的控制信息，將其轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)所需的電脈沖，脈沖的頻率特性和占空比滿足步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的要求。

（2）步進(jìn)電機(jī)的脈沖分配器。脈沖分配器采用軟件實現(xiàn)，因而電機(jī)的升、降頻均實行實時軟件控制，大大降低了電機(jī)運(yùn)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(kuò)展板，直接插人主控單元的擴(kuò)展槽中，通過PC總線直接通訊，從控單元共用主機(jī)電源，這樣不僅優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(jù)需要所選用的空閑的PC機(jī)I/O地址，IORQ1為8031的數(shù)據(jù)I/O口地址。例如，當(dāng)ADDR和IOW同時有效時，就可把要傳送的數(shù)據(jù)傳送到Ul中暫存，當(dāng)8031的RD和IORQ1同時有效時，8031就可由IORQ1口地址中讀人數(shù)據(jù)。當(dāng)IORQ 1和WR同時有效時，就可把要傳送給PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳送到U2暫存，當(dāng)PC的ADDR和IOR同時有效時，PC機(jī)就可由ADDR口地址讀入數(shù)據(jù)。

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(jìn)電機(jī)，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(shù)據(jù)的輸出口IORQ2和IORQ3。如圖3所示：8255的PA口對應(yīng)的是X向步進(jìn)電機(jī)，PB口對應(yīng)的是Y向步進(jìn)電機(jī)，同時8255的PA、PB口分別對應(yīng)于8031的I/O口地址IORQ2,IORQ3。例如,8031要輸出X向電機(jī)的脈沖，那么只要把相應(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)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(jī)的工作電壓是＋5V，而步進(jìn)電機(jī)則工作在幾十伏，甚至一百多伏電壓。處理不當(dāng)，會損壞控制系統(tǒng)，因而接口電路應(yīng)能把控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)回路隔離開來。

（2）電流放大功能：作為步進(jìn)電機(jī)功放電路的前置放大電路，把單片機(jī)輸出的信號進(jìn)行電流放大，以便向步進(jìn)電機(jī)提供足夠大的驅(qū)動電流。

電壓隔離電路如圖4所示，由單片機(jī)輸出的高電平信號經(jīng)反相后，成為低電平，令T1截止，＋5V經(jīng)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(dǎo)通，從而使T2導(dǎo)通，Vout輸出高電平，送到電流放大電路。

2.5 步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是本系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的控制對象就是帶動X向和Y向兩個步進(jìn)電機(jī)。X向和Y向分別選用130BF001型和150BF003型大功率高頻步進(jìn)電機(jī)。

3 應(yīng)用軟件設(shè)計

由上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)來編輯、處理、模擬運(yùn)行以及在線運(yùn)行顯示。這一邵分程序米用TURBO C語言編寫。

3.1 步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)子程序

下面介紹一下利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的軟接口。

130BF001和150BF003電機(jī)均是五相電機(jī)，電機(jī)的工作方式是五相十拍方式，電機(jī)的五相分別為A,B,C,D,E相，那么正轉(zhuǎn)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(yīng)于數(shù)據(jù)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(jī)反轉(zhuǎn)時的通電相序和控制信息串與正轉(zhuǎn)時相反。其程序如下：

在上述程序中，DJAA程序是電機(jī)的正轉(zhuǎn)子程序，DJFA程序是電機(jī)的反轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時，相位值加“1”，從-1到9循環(huán)變化，將電機(jī)相序按正轉(zhuǎn)方向送出，以實現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)時獷相位值減“1”，從10到0循環(huán)變化，將電機(jī)相序按反轉(zhuǎn)方向送出，以使電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.2 單片機(jī)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(jī)相序是將靜止的電機(jī)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(jù)激光器的功率，加工工件的襯料隨時設(shè)定的，由PC機(jī)輸入，再由PC機(jī)傳送給單片機(jī)。