基于PC机和单片机的激光加工机控制系统

1 引言

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：

（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；

（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；

（3）激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；

（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；

（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；

（6）使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。

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。

2 系统组成与工作原理

2.1 系统硬件原理

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。

2.1.1 PC机的功能

作为主控制单元的PC机，其主要功能：

（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。

（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。

2.1.2 8031单片机的功能

作为从控制单元8031单片机，主要功能：

（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。

（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。

2.2 主从控制单元的通讯方式

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。

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。

2.3 从控单元（8031）系统

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。

2.4 接口电路

接口电路的主要作用是：

（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。

（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。

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。

2.5 步进电机

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。

3 应用软件设计

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。

3.1 步进电机正、反转子程序

下面介绍一下利用单片机控制步进电机的软接口。

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：