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基于PC机和单片机的激光加工机控制系统

www.cechina.cn2009.10.22阅读 5312

   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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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www.cechina.cn,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

 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总线直接通讯控制工程网版权所有,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。

主从控制单元结构


  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。

电压隔离电路


  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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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

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