基于微机的激光雕刻机控制系统设计

计算机应用

基于微机的激光雕刻机控制系统设计

清 华 大 学 精 密 测 试 技 术 与 仪 器 国 家 重 点 实 验 室 （#\"\"\"MN ） 于 政 涛 北 京 开 天 科 技 公 司 （#\"\"\"M< ）

-28黄新银 王 敏

林喜荣

周云龙

摘

要 ： 叙 述 了 基 于 7% 机 的 激 光 雕 刻 机 运 动 轨 迹 插 补 控 制 软 件 的 设 计 与 实 现 和 其 外 围 接 口 特 性 。 关键词： 控制

%&% 插补原理 计算机并口

激 光 是 !\" 世 纪 $\" 年 代 初 期 兴 起 的 一 项 新 技 术 ， 由 于 其 具 有 单 色 性 好 ， 高 亮 度 和 方 向 性 好 的 特 点 ，对 各个技术领域产生了巨大的影响。而近年来的基于

偏 差 计 算 公 式 假 定 加 工 第 一 象 限 的 直 线 95 ，取 直 线 起 点 为 坐 标 原 点 9 ，直 线 终 点 坐 标 ! = \" # $% # > 是 已 知 的 。& = \" ’$% ’> 为 加 工 点 （动 点 ）。若 3 在 95 直 线 上 ，则 根据相似三角形的关系有：

%&% （%’()*+,- &*(,-./01 %’2+-’1 ） 的 激 光 雕 刻 机 作 为

一 种 机 、光 、电 、算 相 结 合 的 高 科 技 产 品 也 在 市 场 上 出 现 ，其 应 用 相 当 广 泛 ，市 场 需 求 量 很 大 。由 于 该 产 品 大 部 分 是 由 国 外 进 口 ，其 价 格 之 高 ，令 一 般 的 国 内 消 费 者 难 以 接 受 。主 要 同 类 产 品 有 日 本 的 3435 7 的 专 业 刻 字 机 ，上 海 长 江 汇 众 企 业 发 展 有 限 公 司 的 长 江 激 光 雕 刻 机 和 北 京 开 天 科 技 公 司 的 :% ; #< 型 激 光 雕 刻 机 等 。本 文 主 要 介 绍 激 光 雕 刻 机 的 控 制 系 统 的 软 件 设 计 以 及 主 要 端 口 的 接 口 特 性 。在 该 激 光 雕 刻 机 控 制 系 统 中 ，主 要 采 用 基 于 7% 机 的 数 字 控 制 系 统 ，通 过 并 口 和 步 进 电 机 驱 动 器 来 控 制 步 进 电 机 ，从 而 达 到 控 制 工 作 台 （或 激 光 束 ）的 走 向 和 速 度 的 目 的 。

\" ’ ( \" # % ’ % #

取 ) ’ ( % ’ \" # * \" ’ % # 作 为 直 线 插 补 的 偏 差 判 别 式 。

若 ) ’ ? \" ，表 明 3 点 在 直 线 95 上 。

若 ) ’ @ \" ，表 明 3 点 在 直 线 95 上 方 的 3 A 处 。 若 ) ’ B \" ，表 明 3 点 在 直 线 95 下 方 的 3 C 处 。 对于第一象限直线从起点 = 即坐标原点 > 出发 D

若 ) ’ @ ? \" ，沿 E F 轴 方 向 走 一 步 。 若 ) ’ B ? \" ，沿 ; F 轴 方 向 走 一 步 。

当 两 方 向 所 走 的 步 数 与 终 点 坐 标 = \" # $% # > 相 等 时 ， 发 出 到 达 终 点 信 号 ，停 止 插 补 。 设 在 某 加 工 点 出 现 有

! 控制软件的设计

!\"! 插 补 原 理

在激光雕刻机中为了实现对激光雕刻机的控制， 主要采用矢量化的方法将控制分成不同种类的基本

矢 量 ，其 中 包 括 直 线 、圆 弧 、椭 圆 三 个 基 本 矢 量 。 再 利 用插补原理来实现对这三个基本矢量的数字逼近。在 激光雕刻机的控制系统中要求能够达到较高的速度和

精 确 度 ，因 此 控 制 软 件 的 计 算 不 能 太 复 杂 ，花 费 的 时 间 不 能 太 多 ，这 就 是 使 用 插 补 原 理 的 原 因 所 在 。在 本 系 统 中所采用的为逐点比较插补算法。所谓逐点比较插补 算法，即每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行一

次 比 较 ，使 该 点 在 给 定 轨 迹 的 上 方 或 下 方 ，或 在 给 定 轨 迹 的 里 面 或 外 面 ，从 而 决 定 下 一 步 的 进 给 方 向 ，使 之 趋 近加工轨迹。如此走一步，比较一次，决定下一步走

向 ，逐 步 逼 近 给 定 的 轨 迹 。逐 点 比 较 法 是 以 折 线 来 逼 近 直线或圆弧曲线的，它与规 定的直线或圆弧之间的最大 误差不超过一个脉冲当量， 只 要 将 脉 冲 当 量 （即 每 走 一 步 的 距 离 ）取 得 足 够 小 ，就 可 以达到加工的精度要求。下 面以直线为例来说明插补原 理。如图 # 所示。

H

) ’ @ ? \" 时 ，应 沿 E F 方 向 进 给 一 步 ，走 一 步 后 的 坐 标 值

为 G \" ’ E# ? \" ’ E # D % ’ E# ? % ’

新 的 偏 差 为 G ) ’ E# ? % ’ E# \" # ; \" ’ E# % # ? ) ’ ; % #

若 ) ’ B ? \" 时 ，应 沿 E H 方 向 进 给 一 步 ，走 一 步 后 的 坐 标 值 为 G \" ’ E# ? \" ’ D % ’ E# ? % ’ E #

新 的 偏 差 为 ： ) ’ E# ? % ’ E# \" # ; \" ’ E# % # ? ) ’ E \" # 上式为简化后的偏差计算公式 D 在公式中只有

加 、减 运 算 ，只 要 将 前 一 点 的 偏 差 值 等 于 上 述 的 终 点 坐 标 值 。当 然 对 于 不 同 的 象 限 以 及 不 同 的 矢 量 插 补 公 式 不 同 ，但 其 基 本 原 理 相 似 ，在 这 里 不 再 赘 述 。

!\"# 对 电 机 运 行 速 度 的 控 制

由 于 国 产 步 进 电 机 的 最 高 启 动 频 率 一 般 为 #I!JKL， 一 般 步 进 电 机 不 能 一 下 突 变 到 要 求 的 最 大 频 率 ，而 在 电 机 的 最 大 运 行 频 率 下 也 不 能 立 即 停 止 ，否 则 就 会 造 成 电 机 的 丢 步 ，影 响 系 统 的 精 度 。 这 就 需 要 在 程 序 中 有 对 电 机 的 加 减 速 控 制 ，其 基 本 思 路 如 下 ：

设 电 机 每 次 步 进 的 时 间 为 + ，+ 与 电 机 的 运 行 速 度

5=F,DH,>

H(

(A

F(

成 反 比 ，当 电 机 处 于 加 速 阶 段 时 ，在 电 机 的 下 一 步 应 使 其 时 间 为 + ; ! + ， 其 中 ! + 是 根 据 电 机 加 速 度 计 算 出 的 时 间 减 小 量 ，其 计 算 方 式 如 下 ：

( = F( D H( > ( AA

F

\"

, ? - D ! + ? + \" * + # D + . /’ ? , = + \" 0 + # >

! ,*- !

其 中 - 为 某 段 距 离 的 长 度 ，! 为 系 统 的 分 辨 率 即

图 # 直线插补示例

《电子技术应用》!\"\"\" 年第 #! 期

四通工控

研华加值商 （$!$）%#&%!!%%

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计算机应用

最 小 步 进 距 离 ，! 为 所 走 的 总 步 数 ，\" #$% 为 所 需 走 的 总 时 间 ，\" \" 为 初 始 速 度 时 每 走 一 步 所 花 费 的 时 间 ，\" # 为 到 达 所 要 求 走 的 距 离 时 （即 达 到 最 大 速 度 时 ）每 走 一 步 所 花 费 的 时 间 ，根 据 具 体 的 要 求 我 们 可 以 计 算 出 以 上 各 式 的 值 。

在 基 于 $% 机 的 控 制 系 统 中 ， 一 个 很 重 要 的 问 题 就 是 如 何 获 得 对 时 间 的 精 确 控 制 。 在 & ’()*&+ 操 作 系 统 中 , 系 统 所 提 供 的 时 间 函 数 只 能 达 到 毫 秒 级 的 精 度 ，很 难 达 到 微 秒 级 的 控 制 精 度 。 对 于 不 同 配 置 的 $% 机 ，执 行 相 同 的 语 句 其 时 间 也 不 会 相 同 。为 此 我 们 利 用 系 统 提 达到微秒 级的控制精度。下面为具体的实现方法用法：

构 造 %6’17*8.1*() 类 ：

在类初始化函数中实现每微秒包含 4(*5 语句循环数。

M M

因此所得到的时间也并不是非常精确的时间。 但对于一

般 的 $% 机 来 说 完 全 可 以 达 到 几 十 微 妙 的 精 度 ，而 对 于 一 般 的 控 制 系 统 来 说 ，这 个 精 度 是 足 以 达 到 控 制 要 求 的 。

由 于 赋 值 语 句 、J*7 语 句 、 函 数 的 调 用 等 要 消 耗 时 间 ，

! 外围接口特性

在本系统中我们通过计算机的并口来实现对步

进 电 机 驱 动 器 的 控 制 。我 们 知 道 并 行 口 适 配 器 的 具 体

供 的 -./0 ’12%*3(/ （）函 数 ，用 包 括 4(*5 语 句 的 循 环 来 形 式 是 多 种 多 样 的 ， 但 是 在 $% 系 列 微 机 中 分 配 给 它

的 最 多 有 四 个 口 ，常 用 的 是 三 个 口 ，其 地 址 为 ：\"T U%V

O \"T UWV ：并 口 一 （H$0 # ），\"TXY V O \"TX ZV ：并 口 二

（H$0 ! ），\"!XY V O \"!X ZV ：并 口 三 （H$0 T ）。 这 里 可 以 看到每个并口包括了三个口地址 ? 其中第一个为基地

址 @ ，是 因 为 一 个 并 口 具 有 数 据 口 状 态 口 和 控 制 口 的 缘 故 。 不 过 值 得 注 意 的 是 ，最 好 不 要 直 接 用 上 述 口 的 地 址 去 读 写 并 口 ，因 为 在 实 际 应 用 中 很 少 有 三 个 并 行 口 都 同 时 有 效 的 ，而 且 多 功 能 卡 和 单 色 显 示 卡 上 的 并 行 口 地 址 是 有 差 别 的 。单 色 显 示 卡 上 的 并 口 地 址 一 般 是 \"T U%V ， 而 多 功 能 卡 上 的 并 口 基 地 址 一 般 可 以 在

9*’) %6’17*8.1*() : : ;(’/’<=’>. ? @ A

BCDEB )&8/<7/ F \" G BCDEB )&8/*5 F \" G ’(/ (H**58..) F #\"\"\"\"\" G )* A

I4)&H**5%*3(/.7 # F \" G

)&8/<7/ F -./0’12%*3(/ ? @ G

J*7 ? ’(/ ’ F \" G ’ K (H**58..) G ’ L L @ A

I4)&H**5%*3(/.7 # L L G 4<+I A (*5 M M

)&8/*5 F -./0’12%*3(/ ? @ G (H**58..) L F #\"\"\"\"\" G

M &N’=. ? )&8/*5 O )&8/<7/ K P\" @ G I4)&H**5%*3(/.7 # F \" G

)&8/<7/ F -./0’12%*3(/ ? @ G

J*7 ? ’(/ ’ F \" G ’ K (H**58..) G ’ L L @ A

I4)&H**5%*3(/.7 # L L G 4<+I A (*5 M M

)&8/*5 F -./0’12%*3(/ ? @ G Q Q 每毫秒的循环数

I4)&H**5%*3(/.7 # F I4)&H**5%*3(/.7 # Q ? )&8/*5 O )&8/<7/ @ G Q Q 每微秒的循环数

I4(H**5%*3(/$.76’17*8.1*() F ? ’(/ @ I4)&H**5 %*3(/.7 # Q #\"\"\" G M

实现固定时间的延时：

\"TXY V 和 \"!XY V 之 间 进 行 选 择 。因 此 如 果 直 接 对 某 一

并 口 地 址 进 行 操 作 ， 万 一 $% 机 上 的 并 口 适 配 器 用 的 不是这个口地址那就要出错了。

熟 悉 $% 机 的 读 者 都 知 道 ，$% 机 内 存 最 低 端 U;D8 数 据 区 的 [\" ：\"YV ，[\" ：\"ZV ，[\" ：\"%V 三 个 字 是 被 设 计 用 来 存 放 上 述 三 个 并 行 口 的 基 地 址 的 ，[\" ：\"YV O \"\\V

H$0# 基 地 址 ；[\" ：\"ZV O \"UV H$0! 基 地 址 ；[\" ： \"%V O \"BV H$0T 基 地 址 。这 三 个 字 中 的 基 地 址 是 在 $% 机 启 动 过 程 中 根 据 实 际 存 在 的 并 行 口 地 址 存 放 的 ，

使 用 它 们 来 读 写 并 行 口 就 不 会 出 错 ，所 以 在 使 用 时 一 定 要 通 过 检 查 这 三 个 字 来 得 到 并 行 口 的 基 地 址 。在 对 并 口 的 读 写 操 作 用 到 的 语 句 为 4*3/5 ? 并 口 地 址 , 数 据 @ 和

4 ’(5? 并 口 地 址 @?4 ’(5 返 回 值 为 读 到 的 数 据 @ 。

\" 系统特点及结果分析

在 本 文 所 述 的 激 光 雕 刻 机 系 统 中 ，我 们 通 过 动 态 连 接 库 的 方 式 对 系 统 进 行 控 制 ，我 们 将 对 基 本 矢 量 元 素 的 控 制 都 封 装 在 了 一 个 动 态 连 接 库 中 ，这 样 使 系 统 的 控 制 软 件 具 有 一 定 可 移 植 性 。 而 这 种 通 过 $% 机 并 口实现对激光雕刻机控制的方法简单而且易于实现，

可 以 大 大 的 缩 短 开 发 周 期 。如 果 我 们 配 上 相 应 的 激 光 雕刻机作图软件，就可以成为一个商用化的产品了。

参考文献 9*’) %6’17*8.1*() : : 6’17*B.=A # 廖 效 果 ，朱 启 述 ] 数 字 控 制 机 床 ] 华 中 理 工 大 学 出 版 社 ，

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J*7 ? ’(/ ’ F \" G ’ K 38.1SI4(H**5%*3(/$.76’17*8.1*() G ! 王 全 国 ，任 晨 光 ] 软 件 狗 加 密 技 术 透 视 ] 北 京 ：清 华 大 学 ’LL@

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