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2023-11-29

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”液晶电视作用于工件;

(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机作为主新郑控制单元,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A1些大型乙烯生产装置相继进入停车检验期或将进1步推高乙烯市场报价DDR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,还有两个传聚脲技术被青岛理工大学教授黄微波引入中国送数据的输出口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,则光电耦防爆灯具合器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、处理、模拟运行以及运行显示。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,传打号机递负荷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:

在上述程序中,DJAA程序是电机的正转子程序,DJFA程序是电机的反转子程序,相位控制串依次存在以TAB为首地址的存储空间。正转时,相位值加“1”,从-1到9循环变化,将电机相序按正转方向送出,以实现电机正转;反转时犷相位值减“1”,从10到0循环变化,将电机相序按反转方向送出,以使电机反转。

3.2 单片机8031工作程序框图

3.2.1 主程序框图

主程序框图如画5所示

3.2.2 初始化子程序框图

初始化子程序框图,如图6所示。其中,置电机相序是将静止的电机锁定在指定的相序,加工速度是由用户在实际加工过程中,根据激光器的功率,加工工件的衬料随时设定的,由PC机输入,再由PC机传送给单片机。

.2.3 开(关)光闸子程序框图

开(关)光闸子程序框图如图7所示。激光器的光闸是气动元件来开(关)的,所以开(关)的信号送出后,需要一段延时,以确保光闸完全开(关)后,再进行其他的操作。注意:对同一激光器,开光闸和关光闸的延时是不一样的,对不同的激光器,延时也是不一样的,需作调整。

4 结束语

本控制系统已经与青岛中发激光技术有限公司的GLS-Ⅱ型激光热处理机、GLS-Ⅲ型多功能加工机配套,实践证实了其控制是可靠的,其工作是稳定的。该控制系统具备下列功能:

(1)可完成要用激光加工的汉字、图形的功能,采用全屏幕,直观、方便,具备信息的无级缩放功能;

(2)汉字系统使用矢量字库,可根据用户需要提供楷体、黑体、仿宋体、宋体、魏碑等十几种字库、国标汉字;

(3)具有对平面图(直线、斜线、圆、圆弧、椭圆、双曲线、正余弦曲线、螺旋线)的功能,用户可根据需要进行修改、处理,可作精度修改(内外缘);

(4)该系统中的络加工功能,可专用于汽车发动机配套的内;

(5)具备在屏幕上开环模拟显示激光光点移动轨迹的功能,在加工过程中,具备显示激光光点的实际位置的功能,这样可使用户监视系统的运行,如果有偏移或异常发生,可即时实行补救措施,确保系统的准确度;

(6)由于系统图形和文字功能完善,精确度高(角精度为0.0375度,线精度为0.0lmm),可适应于广告业、装演业、各种轴、法兰、套类零件的加工以及模具加工等行业。

另外,由于本系统的图形和文字功能完善,精确度高,完全可以应用于线切割,模具加工等机械的控制。(end)

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