（光学工程专业论文）激光加工经济型数控系统.pdf

摘要 摘要 在激光加工系统中很重要的一部分就是数控系统的研究，这一部分设计的好 坏对激光加工系统的应用起着决定性的作用。 本文针对本试验室的装置设备，对单片机的步进电机控制技术、插补算法求 解、计算机接口控制技术、上位机控制软件进行了较详细的讨论。在这个研究过 程中，我力图研究出一套符合本试验室激光加工应用的计算机软硬件控制系统。 本文首先分析了激光加工工艺的特点，从其需求出发确定了本控制系统的总 体框架。然后展开逐项内容研究。 针对步进电机的特性，设计出一套适应于激光加工的步进电机控制器，实现 了对微动台xy 轴的精确运动控制。为了实现通过两轴联动对直线和圆弧图元的 加工，对微加工过程中使用的插补算法理论进行了详细分析。根据激光加工特点 确定了单步追踪法法作为本系统的加工算法。 通过r s 2 3 2 ( 9 ) 脚串口可实现计算机与控制器的双向通信，本系统采用二进 制形式传输数据。 上位机采用s u a lb 6 o 作为控制软件的开发平台，开发了对整个加工运动 系统的可视化控制软件，本部分的核心技术在于采用a c t i v e xa u t o m a t i o n 提取 c a d 图形文件中的图形信息和必要的非图形信息，并加入必要的控制信息，、形 成基于图形文件的加工轨迹，下载到m p c 0 2 运动控制卡和步进电机运动控制器 中，实现激光加工。 关键词：激光加工；步进电机控制器：查补算法； a c t i v e xa u t o m a t i o n 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t av e f yi m p o r t 衄tp a ni nt h el a s c rp r o c e s s i n gs y s t e ：mi st h er c s e a r c ho fn u m e l i c a lc o n n d l s y s t c m t h er e s e a r c ho ft h i sp a np l a y sad e c i s i v er o l et ot h ew h o l es y s t e m 印p l i c a o n b a s e do nt h ee q u i p m e n t s0 fo w n1 i b r a 】嘎t o p i c so ns i n g l e c h i pc o n 扛o l s t e p p i n gi n o t o r t e c h n 0 1 0 9 i e sa 陀d i s c u s s e d i n d e t a i l ，t o g e t h e rw i 血c o n l p u t c ri n t e r f a c cc o n 昀lt e c h n o l o g i c s ， i n t e i p o l a t i o na 1 9 0 r i t h m ，柚dp co t r o ls o f 柳a r e a j lo f0 1 l re f e o r t sa m n c e n 仃a t e di no n e p u i p o s e t oe s t a b h s haa n cs y s t e ms u i t a b l ef o r l a s e rp r o c e s s i n go n0 w n1 i b f a 哆 n eo v e r a l l 矗a m eo ft h en 砌e i i c a lc o n t r o ls y s t e mw a s 柚a l y z e d 曲di l l s t i t u t e db a s e d 仰i t s u n i q u ec h a r a c t c r i s t i c s b a s e d0 nm es t e p p i n gm o t o rc h m c t e r i s t i c s ，d e s i 伊e das t e p p i n gm o t o rc o n n c rf o r l a s e r p r o c e s s i n g ，“s u c c e e d e di nd r i v 吨x ys p i n d l e s t or c a l i z et h e 矗g i l r e si n d u d i n gl i n e 柚da r c p r o c e s s i n gt h r o u g hx ys p i n d l e sl i n ：k a g em o v e m e m ，a n a l ) ，z i n gi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m su df o r m a c h i n i n gp r o c e 踌i nd e t a ni si n d e e d t h es p e c i a lp o i n t b y - p o i n ta 1 9 0 r i 也mf o rp r o c e s s i n gw a s d e v e l 叩e db a do ni 觞e rp r o c e s s i n gc h a n c t e r i s t i c s u s i n gt b er s 2 3 2 ( 9p i n s ) 勰s e i i a li n t e r f a c ec a nc a f r yo u t 也ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o m p u t e ra i i dc o n t r d e lt h i ss y s t c ma d o p t st h eb i n a r yf o 珊t o a n s m i tt h ed a t a n ev i s u a li n t e r f a c ef o rc o n 仃o ls y s t e l nw a sa c h i e v e d ，b a s e do n s u a lb6 0 t h eh m e l t e c h n i q u ei s t 1 1 ea c 廿v e x a u t o m a t i o nw h i c ho b t a i nt h e 群a p hi n f 0 咖a t i o n s 锄dm eo t h e r e c e s s a r y m e a n w h n e ，j o i n i n gt h e 北c c s s a r yc o n t r d ln l e s s a g e s ，t h e nf 0 施i n gt h ep f o c e s s i n gp a t h b a s e do nc a dd a t a 埘e l a s y ，t h el a s e rm i c r op r o c e 锚j gw ma c h i e v ea f l e rd o 砌1 0 a d i n gt h e p a t ht o 也em p 0 0 2m o t o rc a f do rt h es t 印p i n gm o t o rc o n t r o n e l k e y w o r d s ：l a s e rp 攀c e s s j l l g ；s t e 即i n gm o t o rc o n t r o l l c f ：i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ： a c t i v e x ：a u t o m a t i o n i i 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 孤一 关于论文使用授权的说明 日期：加彳s ，以 本人完全了解j e 立王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：骊i 呻导师签名：饰运n 蹶“r “vv 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从梅曼1 9 6 0 年发明世界上第一台红宝石激光器以来，激光技术推动了众 多领域的迅猛发展，应用范围越来越广。早期的激光应用主要分布于军事、工业 等领域，对响应部门的发展起到了不可估量的作用。随着科学技术的飞速发展， 尤其是在近年才逐渐发展并成熟起来的多媒体技术，“慢慢的融入到各种部门， 激光与其结合的技术也相应的得到了发展和促进。激光与计算机技术的结合给各 个工业、商业部门带来了丰厚的利润。国外权威人士把激光应用分为激光加工、 医学诊断、光通讯、检验与测量等1 2 个领域。1 激光u g a 技术广泛应用予激 光微细模具加工中。“”目前快速成型技术已由制造仅用于评价的原型件，向直接 制造可使用的功能件“”及模具发展。“”快速成型技术使指通过特殊加工工艺来实 现一个设计的物理模型。“”激光具有高亮度、高单色性、高柑于性、搞方向性等 优点。激光加工是指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变，或物体性 能改变的过程。按光与物质相互作用的机理大体上可将激光加工分为“激光热 加工”和“激光冷加工”，决定因素是光子能量的大小。0 1 目前日本在上个世纪末， 激光加工己占整个加工业的1 0 以上。一些国际性大公司积极采用先进的激光 加工技术，以提高产品的竞争力，如西门子公司在它的一条流水线上就采用了 4 0 0 多台激光器。1 我国从“六五”到“九五”的攻关项目中，一直把激光加工列 为重点攻关课题之一。1 9 9 4 年国家计委、经贸委、科委把“制造技术”列为国 家七大重点发展项目之一，而又将激光技术列为“制造技术”中的第二项，”3 可 见激光加工技术已受到我国政府部门的高度重视。纵观国外激光加工的发展，正 朝着低成本、高可靠性、多用途、高产业化的方向发展，“”具有很好的市场前景。 1 2 激光加工的特点 激光对被加工对象的材质、形状、尺寸、加工环境的自由度都很大。近年来 激光对被加工对象的材质、形状、尺寸、加： 环境的自由度都很大。近年来 北京工业大学工学硕士学位论文 t 基于三维空间的三维微光加工成型得到了长足的发展。”1 激光的空间控制性( 光 束的方向变化、旋转、扫描等) 和时间控制性( 开、关、脉冲间隔) 灵活，特别适 合于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合，可构成高效自动化加 工设备，为优质、高效、低成本的加工开辟了广阔的前景。与传统加工方法相比 较，激光加工有如下主要特点： ( 1 ) 加工灵活，在同一台机床上可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多种加 工，既可分步加工，又可在几个工位同时进行加工。 ( 2 ) 适应性强，可加工各种材料，包括高硬度、高熔点、高强度及脆性材料。 既可在大气中，又可在真空中进行加工。 ( 3 ) 加工质量好，由于能量密度高和非接触式加工，并可在瞬时间内完成， 工件热变形极小，且无机械变形，对精密小零件的加工非常有利。 ( 4 ) 加工精度高，对微型陀螺转子，采用激光动平衡技术，其平衡精度可达百 分之几毫克的质量偏心值。 ( 5 ) 加工效率高，在某些情况下，用激光切割可提高效率8 2 0 倍；用激光 进行深熔焊接时生产效率比传统方法提高3 0 倍；用激光微调薄膜电阻， 可提高工效1 0 0 0 倍，提高精度l 2 个数量级；用激光强化电镀，其金 属沉积率可提高1 0 0 0 倍。 ( 6 ) 经济效益高，与其他方法相比，激光器打孔的直接费用可节省2 5 7 5 ，间接加工费用可节省5 0 7 5 ；与其他切割法相比，用激光切割钢 件可显著降低加工费用。 节能和节省材科，激光束的能量利用率为常规热加工工艺的1 0 1 0 0 0 倍，激光切割可节省材料1 5 3 0 。 ( 8 ) 无公害和污染，激光束不会发生像电子束那样的x 射线，而且无加工污 染。 1 3 激光加工经济型数控系统 近5 0 年来，数控系统经历了两个阶段六代的发展。【4 】在发展到微处理器时代 后，随着计算技术、信息技术、网络技术的飞速发展，封闭、专用系统越来越暴 露出其固有的问题。不同的操作系统、编程语言、人机界面、通讯接口等，给数 第一章绪论 控系统的设计者和集成者试图在较短的时间内，采用快速的方法、依据集成环境 设计新的系统，或者将现有的系统集成到不同的环境中造成极大的困难。【5 】 经济型数控系统是具有我国特色、符合我国国情的产品。它多以单片机作为 控制核心【6 数码管作为显示器，用步进电机作为执行元件。作为控制核心的c p u 采用8 位或1 6 位单片机，增强了系统抗干扰能力和提高了工作的可靠性。步 进电机驱动从高低压切换控制，逐步经历了高低压恒流斩波及p w m ( 脉宽调制) 的调频调压直到恒流斩波、p w m 及细分驱动，正朝着集恒力矩、p w m 及微步 驱动一体的智能控制驱动发展，其伺服性能将能与交直流伺服系统媲美，并且有 极高的性能价格比。另外，为了提高加工精度，防止失步，较高性能的经济型数 控机床在滚珠丝杠端部装有回转编码器，或者在机床工作台上装有直线编码器进 行反馈补偿，形成闭环控制系统。【7 l 在激光加工系统中，激光为能量提供者，被加工的物体为能量接受者。通过激 光与物体表面的相对运动，从而实现各种方式的加工。这种“相对运动”既可以 是光束的运动也可以是工件的运动。啪1 激光加工系统可分为以下两部分： 光学系统：光学系统是激光加工系统的主要组成部分，它的特性直接影响激 光加工系统的性能。” 数控系统：这一部分设计的好坏对激光加工系统的实际应用特别是工业化、 产业化起着决定性的作用。其中，数控编程是激光加工的重要环节，它影响着加 工质量和生产效率。1 一般的激光加工数控系统主要组成部分如图1 1 所示： 图1 - 1 激光加工数控系统组成部分 f i g1 - 1 1 飞ec o m p o s e n to fc o n 拄o ls y s t e mo fl 觞e rp r o s s i n g - 3 北京工业大学工学硕士学位论文 控制技术的作用是控制一些物理量按照指定的规律变化。通过产生一定规律 的电信号驱动步进电机，使电机按照预期的规律变化，带动平台运动。 运动控制部分包括以下几个部分：o ” ( 1 ) 设定器。设定器的作用是进行控制目标值的设定，设定器是控制系统目标 的来源。在采样控制系统中，设定值往往通过小键盘或上位计算机进行设定，信 号形式为数字量。本系统采用采样控制方法，目标值设定由p c 计算机形成并通 过通讯接口下载至控制器或直接由电控系统中小键盘生成。 ( 2 ) 数字控制器。数字控制器是数控系统的核心部件，它由硬件电路和程序两 部分组成，控制规律以及控制算法由数字控制器完成。数字控制器通过前向通道 完成对未知信号的采集，经数据处理，通过控制算法输出经执行机构完成闭环的 运动控制。 ( 3 ) 输入通道。控制系统的反馈部件。 ( 4 ) 后向通道。数字控制器经过采集位置反馈数据通过数据处理经控制算法确 定信号的输出，经功率放大通过驱动机构驱动x y 平台运动，使x y 平台的位 置跟随设定值。 1 4 本文主要研究内容 本文利用单片机控制技术、串口通信技术、插补算法、a u t o c a d 的二次开发 技术设讦出一套激光加工经济型数控系统：满足本实验室的试验需要。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 利用单片机控制技术设计出步进电机控制器。 ( 2 ) 编写控制器内控制步进电机平台基础运动的相关程序，包括移动速度，方 向，固定距离移动，任意长度平移，限位保护等。 ( 3 ) 编写能够实时显示平台平移距离，控制参数以及交互提示等显示程序。 ( 4 ) 编写插补算法，能够控制二维运动平台走出直线、圆弧和圆等图元。 ( 5 ) 利用计算机通信技术，实现控制器的上位机控制。 ( 6 ) 利用a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术编写a u t o c a d 的二次开发程序，正确提 取图形信息，实现对c a d 图形文件的激光加工。 一4 第二章电控平台的软硬件设计 第二章电控平台的软硬件设计 由于单片机具有高智能化、高可靠性、实时控制、体积小和高性价比等优 点，已经广泛应用于工业控制领域。步进电机可以直接接收数字量，而且具有 动作速度快、精度高等优点。我们以单片机为控制核心，旨在提高自动化程度， 简化电路结构，增强电路抗干扰能力和降低成本，进行了硬件设计。根据数控 系统要求实现的功能，相应的单片机系统包括：单片机( m c u ) 、人机交互界面、 步进电机及其它驱动信号控制、电路运行可靠性保证和与上位p c 机通信等几 部分。自行开发的步进电机驱动器作为数控系统的电控系统，根据已确定的加 工轨迹，发出脉冲，驱动步进电机控制xy 二维平台按照预定的轨迹运动，从而 实现激光加工。其核心技术为单片机的控制技术。 2 1 控制器硬件电路的分析 作为控制器的核心单元，单片机的选择首先考虑的是字长，也就是选用几 位单片机。当前单片机有8 位、1 6 位和3 2 位的。在选择使用何种单片机进行 开发的时候考虑的因素主要有运算速度、功能、片内资源、开发成本、开发周 期、配套开发系统的支持和市场供应等等。虽然1 6 位和3 2 位的单片机在运算 速度、功能和片内资源上都比8 位的强，但是其开发成本和周期以及市场的支 持远远不及8 位单片机。1 6 位和3 2 位单片机主要用在功能复杂。”，操作速度要 求非常高的场合，而8 位的单片机则用在大多数的工业环境，使用较普遍。结 合本系统，我们选择使用了8 位单片机，不仅可靠的满足了控制功能需要，还 充分优化利用了现有资源。m 1 通过筛选，决定采用a t 8 9 c 5 2 单片机，它属于m s c 一5 1 系列，片内含有f 1 a s h 存储器，在应用上具有以下特点： ( 1 ) h a s h 存储器，在系统开发过程中可进行程序的修改，大大缩短了系统开 发周期，同时，在系统工作过程中能有效的保存一些数据信息，即使外界电源 损坏也不会影响到信息的保存。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) m c s 5 1 系列单片机兼容，可不做任何改动直接替换 ( 3 ) f 1 a s hm e m o r y ，所以在编程过程中可以实时修改，不产生废品。用8 9 系 列单片机设计的系统，可以反复地进行系统试验，每次试验可以编入不同的程 序，这样保证了用户系统设计的优化，并可根据用户的需要不断更新系统。 本控制器其它硬件系统：桥式稳压电源为整个电路供电；键盘显示部分采 用常用的8 2 7 9 控制芯片，为用户提供交互；串行通讯采用m a x 2 3 2 芯片实现单 片机与p c 机之间的数据收发。 2 1 1 稳压电源 稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。变压器把市电交 流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳 压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。 本项目的整流电路选用的是桥式整流电路，所以图2 1 对桥式整流电路作简 短的分析说明。 圈2 - 1桥式整流电路 f i g2 - 1n e 晰d g er e c t 匆i n gc 沁u i t 桥式整流电路的工作原理如图2 2 及图2 3 所示：e 2 为正半周时，对d 1 、 d 3 加正方向电压，d l 、d 3 导通；对d 2 、d 4 加反向电压，d 2 、d 4 截止。电路 中构成e 2 、d l 、r f z 、d 3 通电回路，在r f z 上形成上正下负的半波整洗电压， e 2 为负半周时，对d 2 、d 4 加正向电压，d 2 、d 4 导通；对d 1 、d 3 加反向电 压，d 1 、d 3 截止。电路中构成e 2 、d 2 、r f z 、d 4 通电回路，同样在r 亿上形 成上正下负的另外半波的，如此重复下去，结果在r f z 上便得到全波整流电压。 第二章电控平台的软硬件设计 图2 2 原理1图2 - 3 原理2 f 培2 _ 2t h e 呻c i p l e1f i 9 2 _ 3t h e p r i n d p l e 2 整个硬件电路需要5 v 和2 4 v 稳压电源。5 v 供器件m c s 5 1 芯片、8 2 7 9 芯 片、m a x 2 3 2 芯片和限位器使用。2 4 v 供步进电机驱动器。电路原理图如图2 4 所示。 图2 - 4 电源部分电路原理图 f i g2 4 t h ec i r c i i i id i a 口锄o f w h o l ep o w e rs u p p l y 2 1 2 控制器小键盘输入与数码管显示 小键盘是人机对话的纽带，操作人员可以通过键盘向系统输入数据和命令。 小键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种，前者是用软件来识别和产生代码， 后者则用硬件来识别。非编码键盘多采用矩阵的连接方式，如3x8 、4x8 、4 x4 等，键盘矩阵与单片机的连接应用最多的方法是采用m 3 接口芯片。8 2 7 9 是专用键盘、显示控制芯片，能对显示器自动扫描；能识别键盘上按下键的键 号，可充分提高c p u 的工作效率。 2 1 2 1 键盘、显示控制芯片8 2 7 9 工作原理其工作原理如下： 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 w o 控制及数据缓冲线 数据缓冲器是双向缓冲器，连接内、外部线，用于传送c p u 和8 2 7 9 之间 的命令或数据。4 用于区别信息特性：a = 1 时，表示数据缓冲器输入指令、输 出为状态字；4 = o 时，输入、输出皆为数据。即0 x 7 0 0 1 与o x 7 0 0 0 。 ( 控制与定时寄存器及定时控制 控制与定时寄存器用来寄存键盘及显示的工作方式，以及由c p u 编程的其 它操作方式。这些寄存器一旦接受并锁存送来的命令，就通过译码产生的相应 的信号，从而完成相应的控制功能。 ( 3 ) 扫描计数器 按编码方式工作，计数器作二进制计数。4 位计数状态从扫描线乩。乩，输 出，经外部译码器译码后，为键盘和显示器提供扫描线；按译码方式工作，扫 描计数器的最低二位被译码后，从乩。一乩，输出。因此观。一舡3 提供了4 中去1 的扫描译码。 ( 4 ) 回复缓冲器、键盘去抖动及控制 在键盘工作方式中，回复线作为行列式键盘的行列输入线。在逐行列扫描 时，回复线用来搜寻每一行列中闭合的键。当某一键闭合时，去抖动电路被置 位，延时等待1 0 m s 后，在检验该键是否继续闭合，并将该键的地址和附加的位 移、控制状态以其形成键盘数据被送入8 2 7 9 内部f i f o 存储器。键盘数据格式 如下表2 - 1 ： 表2 1键盘数据格式 t 曲l e2 - 1t h ed a 诅f o r i l l a to f k e y b o 削 d 7d 6 d 5d 4d 3d 2 d 1 d o i 控制移位扫描回复 控制和移位的状态由两个独立的附加开关确定，而扫描和回复则是被按键 置位的数据。扫描来自扫描计数器，是按下键的行列编码，而回复则来自行列 计数器，它们是根据回复信息而确定的行列编码。 2 1 。2 2 命令格式与控制字键盘显示方式设置命令字：采用8 个字符显示，左 一8 一 第二章电控平台的软硬件设计 入口，编码扫描电路，双键锁定，即o x 0 0 。 程序时钟命令：采用1 8 ( p p p p p = 1 0 0 l o ) 分频，即o x 3 2 ；写显示r a m 命令： 一共8 个显示模块，0 x 8 0 加x 8 7 ；清除命令：将显示r a m 全部置1 ，执行清除 命令后，h f or a m 被置空，使中断输出线复位，即0 x d f 。 其原理图如下图2 5 所示： 图2 5 8 2 7 9 电路原理图 f i g2 5 1 1 1 en ec i f c u i td i a f a mo f8 2 7 9 2 1 3 串口接口电路设计 2 1 3 1 串行通讯简述数控系统通常采用上、下位机进行通信的机制。上下位 机数据通讯主要采用异步串行通讯方式，常见的通讯接口标准主要有：r s 2 3 2 c 、 r s 4 8 5 等。其中r s 一2 3 2 c 在单向数据传输时，最大数据传输速率为2 0 k b p s ，最 大传输距离为1 5 m ，特别适合于短距离的通讯场合。本系统采用了r s 2 3 2 c 标 准与计算机进行通讯。通讯需要进行r s 2 3 2 电平和盯u c m o s 电平之间的相互 转换，支持这种转换的接口芯片有很多，我们选用了m a x i m 公司生产的 m a x 2 3 2 。m a x 2 3 2 具有两个驱动器和两个接收器，每个接收器将r s 2 3 2 电平 输入转换为5 、唧c 0 m s 电平，这些接收器具有1 3 v 的典型门限，而且可以 接收3 0 v 的输入。每个驱动器将t n c o m s 输入电平转换为r s 2 3 2 电平。 8 9 c 5 1 单片机内部集成有一个功能很强的全双工串行通讯口，属u a r t 方 式。设有2 个互相独立的接收发送缓冲器，可以同时发送接收数据。发送缓冲 器只能写入而不能读出，接收缓冲器只能读出而不能写入，因而两个缓冲器可 以共用有个地址码( 9 9 h ) 。两个缓冲器统称串行通讯特殊功能寄存器s b u f 。 串行通讯有四种工作方式，其中两种方式的波特率是可变的，另两种是固 定的，以供不同应用场合选用。主机可通过查询或中断方式对接收发送进行程 0 北京工业大学工学硕士学位论文 序处理。 8 9 c 5 1 的串行通讯口设有两个控制寄存器：串行控制寄存器s c 0 n 和波特 率选择特殊功能寄存器p c 0 n 。 2 1 3 2 各寄存器控制字设定下面介绍一下本系统的设定值： ( 1 ) 其中s c o n 的格式为表2 - 2 所示： 表2 - 2 s c o n 的格式 1 h b k2 2t h ef o r i n a to fs c o n 7 6 54 3210 s m os m ls m 2 r e n t b 8r b 8nr i 本系统选择串行通讯的工作方式为方式1 ( s m o s m l = 0 1 ) 即8 位u a r t 方 式，一桢信息为1 0 位：1 位起始位，8 位数据位和1 位停止位，波特率可变， t x d ( p 3 1 ) 为发送端发誉信息，r ) ( d ( p 3 o ) 为接收端接收信息，为全双工接收发 送。同时只有在接收到有效停止位时才置中断请求标志位r i = 1 ，则s m 2 = 1 允许 串行接收状态，可启动串行接收器i u 开始接受信息，则r e n = 1 另外其余位 都置0 。最终确定s c 0 n 的控制字为7 0 h 。 ( 2 ) p c o n 的格式为表2 3 所示： 表2 - 3p n 的格式 7 r a b l e2 - 3 t h ef 0 册a to fp c o n 7 6 54 3210 s m o dg f lg f op di d l 当s m o d = 1 时，串行口用于工作方式1 ，2 ，3 的波特率加倍。其余位均用 于节电运行方式。最终确定p c 0 n 的控制字为0 0 h 。 ( 3 y r m o d 的格式为表2 _ 4 所示： 一l o 第二章电控平台的软硬件设计 袁2 _ 4 s c 0 曲的格式 n b k2 _ 4t h e 0 皿a td f t m o d 765 4 3 21 0 g a t ec | nm 1m 0g a 弛c 压m 1m 0 定时肼数器1定时计数器0 选择定时模式则c 圹r _ o ，另6 f n i = 0 ，即只需t r x 置位为1 即选通定时计数 器1 。设置定时，计数器1 定时，工作方式2 。则t m o d 的控制字为2 0 h 。 ( 4 ) 当串行通讯工作于方式1 时，其波特率由下式决定： ，s m d df 波特率i 三f 。西i 蔷：而 ( 2 。1 ) 其中f 0 。为系统的时钟频率，n 为计数位数( 1 6 进制) 。 由于本系统单片机的工作时钟为1 1 0 5 9 m h z ，因此要获得9 6 0 0 位秒的波 特率，n 应为f 1 ) h ，即t h l 和t l l 的设定为f d h 。 21 33 原理图2 3 2 串r 电路的接法很简单，如图2 6 2 2 执行单元 目2 62 3 2 申口电路接笺原理图 砘2 6n e n e c h c u i t 曲掣蛐0 f 2 3 2c o n n e c t i 曲 在本课题，激光加工所用平台由两个电机驱动。电机的种类繁多，但攀于 本项目的加工平台要服务于激光器，因此电机的选择要适当，同时对电机控制 的精确度要高，这样才能满足激光加工的要求。 2 2 1 步进电机简介 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到 一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称为“步 北京工业大学工学硕士学位论文 距角”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来 控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制 电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制 用的特种电机，利用其没有积累误差( 精度为1 0 0 ) 的特点，广泛应用于各种开 环控制。m 1 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够 正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生 丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转 动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希 望的高频( 电机转速从低速升到高速) 。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随 着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更 多的领域得到应用。啪1 2 2 2 步进电机驱动器 步进电机的运行要有一电子装置进行驱动，这种装置就是步进电机驱动器， 它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的转速与 脉冲信号的频率成正比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控 制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。 细分的基本概念为：步进电机通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。 如驱动器工作在1 0 细分状态时，其步距角只为电机固有步距角的十分之一， 也就是：当驱动器工作在不细分的整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲， 电机转动1 8 。；而用细分驱动器工作在1 0 细分状态时，电机只转动了0 1 8 。细 分功能完全是由驱动器靠精确控制电机的相电流所产生的，与电机无关。 驱动器细分后的主要优点为；完全消除了电机的低频振荡；提高了电机的 输出转矩，尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约3 0 4 0 ；提高 了电机的分辨率，由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，提高电机的分辨 率是不言而喻的。”2 3 以上这些优点，尤其是在性能上的优点，并不是一个量的变化，而是质的飞 一1 2 第二章电控平台的软硬件设计 跃。因此，在性能上的优点是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电 机的相电流，所以对驱动器要有相当高的技术要求。 在本系统环境下，对步进电机的控制，即对驱动器的控制。 两个步进电机x ，y 分别对应两个驱动器。其控制信号对应为： x 脉冲一p 1 0 x 方向p 1 1 y 脉冲一p 1 2 y 方向一p 1 3 在本系统中使用8 细分。 驱动器内部属共阳控制，其输入信号波形和时序图如图2 7 ： 步进脒 船母 舟向估母 艇考l 倍母 图2 _ 7输入信号波形和时序图 f j g2 7 t h ep i c t u r eo fi n p u ts i 弘“w a v c 由图可见脉冲信号低电平有效，脉冲信号下降沿被解释为一个有效脉冲可 驱动步进电机运动一步。且为保证脉冲信号的可靠响应，脉冲低电平的持续时 间不少于1 0 u s 。方向信号高低电平控制电机的转向。但必须注意的是，在控制 电机转向时，应确保方向信号领先脉冲信号至少5 u s 建立，否则将产生驱动器对 脉冲的错误响应。因此每次开机时，应先设定p 1 1 和p 1 3 ，且置p 1 o ，p 1 2 为 高电平。 对持续脉冲的控制可采用两种方法：延时子程序法和定时器中断法。 延时子程序为一自减f o r 循环： v o i dd e l a y ( u n s i 印e di n tt i l l l e ) w h i l e m m e ! = 0 ) 2 2 3 控制器控制功能实现 位置控制： 这里位置控制，指的是控制步进电机带动工作平台从一个位置精确的运行 到另一个位置。它需要两个参数： 第一个参数是平台当前的位置参数，包括 x y 两个电机的位置参数，成为绝对位置。绝对位置是有极限的，其极限是工作 平台的运动范围，超越这个极限电机应停止转动，并向相反方向运动微小距离， 且应在l e d 上提示报警。 第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离，我们可以用折算的方式 将这个距离折算成步进电机的脉冲数。这个参数是外界通过键盘输入的，有相 应的键盘程序进行转换。 对步进电机位置控制的做法是：电机每走一步，脉冲减1 ，如果没有失步存 在，当平台到达目标位置时，脉冲数正好减到0 。因此，用脉冲数等于o 来判断 是否移动到目标位，作为步进电动机停止运行信号。 绝对位置参数可作为显示参数，或越界停止参数。它与步进电动机的转向 有关，当电机正转时，电机每走一步，绝对位置加1 ；反转则减1 。 需要指出的是，软件控制电机越界停止的准确性没有硬件控制好。电机越界转 动会对电机自身造成损害，因此为保护电机，本系统在电机的上下界加限位开 关。如图2 8 所示： 一1 4 第二章电控平台的软硬件设计 设定其工作在常开 1 0 图2 - 9常开模式 f i g2 - 9 t h em o d eo fl i i l l i t a n v es w i t c h 即常开端子接高电：平，在动臂未按下时输出高电平，当动臂按下时输出低 电平。这样可将输出端子接单片机用于检测。) 吖电机高低限位共需4 个微动开 关，对应单片机检测管脚： p 1 4 x 高限位p 1 5 一x 低限位p 1 6 一y 低限位p 1 7 叫高限位 这样在每次脉冲变换时需要检测p 1 4 一p 1 7 是否为低，一但为低要立即停止 电机转动，并反向转动微小距离。程序流程图如图2 1 0 所示： 骑繁南 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 1 0位置控制流程 f i 9 2 1 0 n e n o w s h o w o f p o s i t i o nc o n 仃0 l 同步显示控制： 平台的绝对位置要实时在l e d 上显示。我们定义如下的显示模式x x x x x 。 即三位整数两位小数在加一个小数点共用6 个l e d 显示管。这里遇到一个问题， 当我们选用计数器法作为脉冲控制时，每次计数器溢出进入中断，在中断函数 中要作如下处理：1 、计数器数值重新装入；2 、脉冲信号反相；3 、判断x 、y 电机；4 、判断方向；5 、将绝对位置参数转化为显示参数并送显示l e d 。需要 注意的是如果中断处理执行时间大于计数器溢出间隔就会造成中断程序执行不 完整，进而导致电机定位不准确，平台无法运动到指定位置。鉴于中断中其他 处理语句优化精简的可能性很小，我们只能对实时显示处理语句进行优化。在 上一章节中我们讲到对8 2 7 9 数据口的读写间隔不得小于2 0 u s ，因此我们舍去将 绝对位置参数转化为显示参数的处理，而用一个预先设置好的显示列表代替。 通过计算我们得出每8 个脉冲变化会使一个显示块发生，这样每执行8 次中断 才需改变u m 显示，程序被优化精简，瓶颈解决。显示流程图如图2 1 1 所示： 第二章电控平台的软硬件设计 图2 - 1 1 显示流程图 f i g2 - 1 1 t h en o ws h o wo fd i s p l a y 速度控制： 步进电机的速度控制是通过控制单片机发送步进脉冲频率来实现的。因此 其调速的方法可由发送脉冲的方法而决定，亦分为延时子程序法和定时器中断 法。 延时子程序法是通过改变延时的时间长度来改变输出脉冲频率的，但这种 方法使c p u 长时间等待，占用大量机时。而运用定时器中断法，可通过在中断 服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这 种方法占用c p u 时间较少，是一种比较实用的调速方法。 我们需要注意的是，由于空载启动频率的限制，电机的运行不可能是恒速 不变的，就要有加、减速的控制。 步进电机驱动电移平台从a 到b 的移动时，要经历升速、恒速和减速的过 程。如果启动时一次将速度升到给定的速度，由于启动频率超过极限启动频率， 步进电机要发生失步现象，因此会造成不能正常启动。如果到终点时突然停下 来，由于惯性的作用，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度的下降。如 果非常缓慢的升降速，步进电机虽然不会产生失步和过冲现象，但影响了平台 的工作效率。所以，对步进电机的加减速应有严格的要求，那就是在保证不失 步和过冲的前提下，用最快的速度( 或最短的时间) 移动到指定位置。 为了满足加、减速的要求，步进电机运行通常按照加、减速曲线进行。 加、减速曲线没有一个固定的模式，一般是通过试验得到的。 北京工业大学工学硕士学位论文 j 最简单的是匀加速和匀减速曲线。因其加减速曲线都是直线，因此容易编 程实现。按直线加速时，加速度是不变的，因此要求转矩也应该是不变。但是， 由于步进电机的电磁转矩与转速是非线性的关系，因而加速度与频率也应该是 非线性的关系。因此实际上当转速增加时，转矩下降，所以按直线加速时，有 可能造成因转矩不足而产生的失步现象。 采用指数加减速曲线或s 形加减速曲线是最好的选择。因为电机的电磁转 矩与转速的关系接近指数规律。 另外电机的运行也可以根据距离长短分如下3 种情况处理。 ( 1 ) 短距离 由于距离较短，来不及升到最高速，因此，在这种情况下，步进电机可以 接近启动频率的速度运行，运行过程中没有加减速。如图2 。1 2 所示： 匀加勾碱自战 姘鼍适目最 图2 1 2 短距离速度曲线 f i g2 - 1 2 1 h es p e e dc u e0 f s h o r t - d i s t 姐c e ( 2 ) 中、短距离 在这样的距离里，步进电机只有加、减速过程，而没有恒速过程。 ( 3 ) 中、长距离 在这样的距离里，步进电动机不仅有加减速的过程，还有恒速的过程。由 于距离较长，要尽量缩短用时，保证快速反应性。因此，在加减速时，要尽量 用接近启动频率启动；在恒速时，尽量工作在最高速度。 单片机在用定时器法调速时，用改变定时常数的方法来改变输出的步进脉 冲频率，达到改变转速的目的。对于m c s 5 1 系列单片机，其定时器属加1 定 时器。因此，在步进电机加速时，定时常数应增加；减速时，定时常数应减小。 如采用非线性加减速曲线，要用离散法将加减速曲线离散化。将离散所得 1 8 第二章电控平台的软硬件设计 到的转速序列所对应得定时常数序列，做成表格存储在程序存储器中。在程序 运行中，使用查表的方式重装定时常数，这样做比用计算法节省时间，提高系 统的响应速度。 在激光微加工过程中，速度的大小对工件轮廓的均匀度有直接影响。光束 在工件上停留的时间过长会造成图形线条过粗；反之则过细。因此电机的转动 速度应根据工件的形状轮廓而定。 2 3 控制程序中的插补算法 数字运动控制系统分为点位控制和连续轨迹控制两大类。点位控制是要求 控制系统软件设计点到点定位准确，对于点间的轨迹没有精度要求。因而它是 在允许加速度下，以最大速度从源坐标位置运动到目标坐标位置。而本系统所 采用的连续轨迹控制包括直线运动控制和平面、空间曲线运动控制。这类控制 对于运动轨迹上的每一坐标点都有一定的精度要求，它的定位控制复杂，需要 采用各种插补技术。0 1 + 插补算法属计算机图形学范畴。如今计算机图形学已广泛应用于计算机辅 助设计与制造。凡涉及图形的生成都必然要用到图形的生成算法。基于目前众 多技术资料上都有比较成熟的图形生成算法，选择其中的典型算法应用至本系 统的开发中。同时基于本系统的特殊环境进行算法优化。 目前常用的软件插补算法有逐点比较法、最小偏差法、数字积分法( d d a 法) 、单步追踪法、时间分割法等。“叮各种方法各有优缺点，各有其用途。以积 分原理为基础的数字积分法，可以灵活地实现各种函数的插补和多坐标的直线 插补，但是由于其溢出脉冲频率与被积函数值大小有关，所以存在速度调节不 便的缺点，而且圆弧插补时，插补误差较大；逐点比较法由于以判别原理为基 础，其进给脉冲跟随指定的运算频率，因而速度平稳，调节方便，正好克服了 数字积分法的缺点，插补误差在1 个脉冲之内，运算简单，但是要进行多坐标 插补或其它函数曲线的插补则较困难；单步追踪法吸收了上述两种插补方法的 优点，其特点是运算简单，多坐标直线插补容易，速度控制方便，直线和圆弧 插补时的误差都小于o 7 3 个脉冲当量。n 1 1 结合本系统的控制要求，我们在步进 电机连续运动控制上选择了单步追踪法。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 1 单步追踪法直线插补原理 直线、圆弧每插补一次( 步进电机走一步) 要经过偏差判别、进给、偏差计 算及终点判别四个节拍：1 ( 1 ) 偏差判别：判别加工点对规定图形的偏离位置，决定进给的方向。 ( 2 ) 进给：控制x 或y 方向上步进电机进给一步，向规定图形靠拢。 ( 3 ) 偏