激光焊接加工机床的四轴步进电机控制系统设计

者的组合。

在实际的开发过程中，将CNc2000数控卡的4个通道分别连接到x、y、z和1个辅助的四转轴步进电机驱动器上，采用输出脉冲和方向电平模式来驱动步进电机，实现步进电机的正转、反转和加减速，从而控制加工平台的移动。CNC2000数控卡丰富的I／O口还可用来实现如机床行程限位控制、检测各轴回零信号、空气压缩机起停、激光器冷却系统的开启和激光的通断等。利用其提供的后台可编程功能，可以检测各种开关量，实现面板操作，以控制程序运行和机床的手动调整。要完成整个激光焊接机床的控制任务，CNC2000数控卡还必须和PC机进行必要的通讯从而及时获取当前机床状态和激光头所处位置，以便实时地显示在桌面上并提供给用户用于交互，如各轴位置、激光器通断状态等。同时在机床加工时，还可以进行加工程序的输入、编辑等。而CNC2000数控卡则需要从PC机处获得加工程序，供DSP解释后进行实际机床动作。文中使用的是基于PCI总线的CNC2000数控卡，PC通过PCI总线与之交换数据。系统整体结构图如图1所示。

图1系统整体结构图

根据设计的系统结构图可知，PC机通过PCI总线与CNC2000数控卡进行通信，PC机通过软件系统进行编程，CNC2000数控卡则需要从PC机处获得加工程序，并供DSP解释后进行实际运动操作，包括四轴步进电机的运动、激光器通断、空气压缩机起停、激光器冷却系统的开启等。该控制系统的运动控制方式是P完全控制式。在PC机的扩展槽中插入运动控制卡CNC2000数控卡来控制步进电机。这种控制方式可以充分地利用PC的软件资源，结构简单，易于进行功能扩展。

CNC2000数控卡到步进电机的连接线可简要表示如图2所示。通过CNC2000数控卡的接口与四轴步进电机驱动器相连接，再将四轴步进电机驱动器与四轴步进电机相连接，从而形成整个步进电机的控制系统。其中步进电机驱动器采用西安伟斯尔精电科技有限公司的wsR-841IGBT驱动器，步进电机采用五相混合式步进电机。

图2 CNc2000数控卡到步进电机的连接线

将CNC2000数控卡与四轴步进电机驱动器及四轴步进电机接线连接好之后便实现了四轴步进电机控制系统。通过编写程序控制四轴步进电机的运动，可实现点位、直线、圆弧等插补的操作，具有循环、跳转等功能。通过简单、清晰的参数设置与程序编写使得四轴步进电机的运动控制方便和快捷。

2 四轴步进电机控制系统的软件结构

运动控制器的软件设计任务就是对DSP器件进行软件设计，DSP软件是整个运动控制系统软件的一个组成部分。因此，首先必须作好运动控制系统的软件规划，划分各个功能模块，才能设计在DSP上运行的程序。

文中的控制系统软件层次结构如图3所示。

图3控制系统软件层次结构

该软件主要分为上位PC机端和下位DSP端软件两大层次。这两层还可以细分成小的层次，其目的是在层和层之间建立比较完善的接口，便于以后物理和功能上的扩展。各层在统一定义的接口上向上一层提供服务。在实现整个系统的过程中，只需定义每层和其他相关层的接口，各层分另分实现自己的功能。而且针对不同的场合，将相应层次稍加修改便可应用，适应性好，也便于进行二次开发。

上位PC机软件先将各模块的信息扫描，并通过传感器导人软件，用软件提供的点、线、圆、圆弧及矩形等几何图形绘制加工轨迹，然后用路径优化算法就加工轨迹进行排序，转成G代码，再将G代码编译成加工指令，发送给CNC2000数控卡完成整个加工过程。上位机软件的难点主要有绘图系统、加工路径优化、G代码生成、G代码编译等。整个控制系统加工过程工作流程图可简要表示成图4所示。

图4控制系统加工过程工作流程图

文中研发的激光焊接加工机床所采用的软件系统为CNC2000数控系统，此软件系统基于聊ndows操作系统，采用DSP技术开发，硬件采用PCI接口， 具有四轴联动功能，可在Win200、WinXP、windows98、WindowsMe或Windows95下运行。

3 激光焊接加工机床的实例

采用激光焊接加工机床，将工件按如图5轨迹进行焊接。可采用CNC2000数控系统进行手工编程，编程代码如下：

图5工件加工轨迹

程序编写完成后可先空运行(试运行)一下，看整个工作平台是否按指定的要求工作，工件是否按给定的轨迹进行加工。如一切正常，可直接运行程序代码，步进电机会按指定的任务移动工作平台从而使得工件的焊接工作圆满完成。

4 结束语

介绍了一种激光焊接加工机床的四轴步进电机控制系统，根据激光焊接加工机床的特征，构造了四轴步进电机控制系统的硬件系统结构图，设计了CNC2000数控卡与四轴步进电机驱动器及四轴步进电机的接线图，并对此系统的软件结构进行了介绍，通过实例