（物理电子学专业论文）激光加工机的微机控制技术研究.pdf

中文摘要 激光加工是激光应用技术的重要领域，近年来发展非常迅速。在发达国家 的加工业中，已逐步进入“光加工”时代。激光加工质量好、操作方便，而且 自动化程度高，许多方面都优于传统加工技术。激光加工已经广泛地应用于机 械制造、医疗仪器、汽车、电子电器、电机、国防、航空和航天等领域，具有 良好的发展前景和市场，但同时也有许多技术问题需要深入研究和解决。 本论文在介绍激光加工基本原理的基础上，描述了数控激光加工机的基本 组成，结合y a g 激光焊接机，作者设计出一套经济型数字化控制系统。该系统 实现了激光焊接机工作状态的安全、可靠控制和工作参数根据加工要求的精密 调节，以及数控工作台的高精度运动控制。 控制系统采用嵌入式单片机作为控制核心，既满足了激光焊接机的工作要 求，又提高了整机性能和技术水平，即增强了抗干扰能力，又减小了体积、降 低了成本。系统提供友好的人机交互界面，操作起来简便易学。此外，在对控 制系统进行编程时使用了先进的嵌入式c 语言，程序开发周期显著缩短。软件 系统具有良好的可读性、可移植性，为将来扩展提供了方便。 经过实验，本系统实现了激光焊接机预燃、充电、出光、退压、指向等控 制，充电电压调节精度在1 v ，电压达到设定值时实现自停；出光频率、脉宽 调节方便精确，并满足1 3 占空比保护要求：数控工作台提供手动控制和自动 编程控制，自动编程界面友好，可以十分方便编写平面曲线( 如直线、矩形、 圆弧等) 加工程序；x 、y 轴移动精度0 0 1 r a m ，z 轴转动精度o 1 。实验表 明，激光焊接机工作稳定可靠，工作台运动重复精度高，能够满足各种常见加 工要求。 关键词：激光加工经济型数控系统微控制器k e i lc 5 1 插补算法步进电机 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n td i v i s i o ni nl a s e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , l a s e rp r o c e s s i n gh a s m a d ear a t h e rr a p i dp r o g r e s si nr e c e n ty e a r s n o w a d a y st h ep r o c e s s i n gi n d u s t r yh a s e m b a r k e do nt h e “l i g h tp r o c e s s i n g ”e r a ，e s p e c i a l l yi nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s p o s s e s s i n gt h ea d v a n t a g e ss u c h a sf i n eq u a l i t y , e a s yo p e r a t i o na n d h i g ha u t o m i t i z a t i o n , l a s e rp r o c e s s i n gh a se x c e e d e dt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nm a n y a s p e c t s ，l l i l ei th a sb e e n e x t e n s i v e l ya p p l i e di nm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g ，m e d i c a lf a c i l i t i e s a u t o m o b i l e ，e l e c t r o n i ca p p l i a n c e ，e l e c t r i cm a c h i n e r y , d e f e n e e ，a e r o s p a c ea n d a e r o n a u t i c s ，e t c ，w h i c hd e m o n s t r a t e sg r e a td e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o np o t e n t i a l ， l a s e rp r o c e s s i n ga l s oh a sl o l so f t e c h n i c a l p r o b l e m s t h a tn e e d sf u r t h e rr e s e a r c h i nt h i st h e s i s ，ad e s c r i p t i o na b o u tt h em a i nc o m p o n e n t so ft h ed i g i t a lc o n t r o l l a s e r - p r o c e s s i n gm a c h i n ew a sa d d r e s s e db a s e do nab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i c t h e o r yo f l a s e rp r o c e s s i n g b yc o m b i n i n gw i t l ly a g l a s e r - w e l d i n gm a c h i n e as e to f e c o n o m i c a l l yd i 酉t a lc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e di n t h i ss t u d y t h es a f e t yo ft h e l a s e r - w e l d i n gm a c h i n e sw o r k i n gs t a t u s ，r e l i a b i l i 够c o n t r o l ，p r e c i s ea d j u s t m e n to f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r su p o np r o c e s s i n gr e q u i r e m e n tc a nb ef u l l yr e a l i z e di n t h i s s y s t e m r e a d a b i l 时a n dp o r t a b i l i t yo f t h es o f t w a r es y s t e mc a ns i g n i f i c a n t l yf a s c i n a t e t h ep o s s i b l em o d i f i c a t i o na n de x t e n s i o ni nt h ef u t u r e a d o 曲n gt h e e m b e d d e dm c ua st h ec o r e p a r ti n t h ec o n t r 0 1 s y s t e m ，t h e p r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s o ft h el a s e r - w e l dm a c h i n ec a nb es a t i s f i e d b e s i d e s t h e p e r f o r m a n c eo f t h ew h o l e s y s t e m c a l lb eg r e a t l ye n h a n c e db y i n c r e a s i n gi n t e r f e r e n c e a v o i d i n ga b i l i t ya n dd e c r e a s i n gt h em a c h i n ev o l u m ea n di nc o n s e q u e n c e ，l o w e r i n g t h ec o s t t h es y s t e mp r o v i d e saf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ew h i e hm a k e st h eo p e r a t i o n e a s ya n dc o n v e n i e n t f u r t h e r m o r e ，a d v a n c e de m b e d d e dc l a n g u a g ew a sa p p l i e di n t l l e p r o g r a m m i n gf o rt h ec o n t r o ls y s t e mw h i c ht r e m e n d o u s l ys h o r t e nt h ep r o g r a m d e v e l o p i n gp e r i o d r e a d a b i l i t y a n d p o r t a b i l i t y o ft h es o f t w a r e s y s t e m c a n s i g n i f i c a n t l yf a s c i n a t et h ep o s s i b l em o d i f i c a t i o na n de x t e n s i o ni nt h ef u t u r e i th a sb e e nt e s t e db ye x p 喇m e n tt h a tt h i ss y s t e mc a nr e a l i z et h ee o n f f o lo f p r e i g n i t i n g ，r e c h a r g i n g ，h e n e o nt h e l a s e r - w e l d i n g m a e h i n e t h e a d j u s t m e n t r e s o l u t i o no fr e c h a r g ev o l t a g ei sa r o u n d1 vt h ev o l t a g ew i l lb em a i n t a i n e da tt h e p r e - s e tp a r a m e t e r w h e ni th i t st h i sv a l u e n 圮f r e q u e n c ya n d p u l s ew i d t h c a nh ee a s i l y a n d p r e c i s e l yr e g u l a t e db y t h i ss y s t e ma n di tm e e t st h e p r o t e c t i o nr e q u i r e m e n to f 1 3 m a n u a lc o n t r o la n da u t o p r o g r a mc o n t r o lw i t haf r i e n di n t e r f a c ec a nb er e a l i z e do n t h ed i g i t e d w o r k i n gp a n e l 1 h i l et h em o v e m e n tr e s o l u t i o nf o rxa n dya i s l e si sa ：t o o l m m ，t h er o t a t i o nr e s o l u t i o no fza i s l ei s o 1o o u rr e s u l t s w h i c hd e m o n s t r a t e r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f t h ew o r k i n gs t a t u sf o rt h el a s e r w e l d i n gm a c h i n ea n d h i i g h r e p r o d u c i b i l i t yo f t h ew o r k i n gp a n e l ，s u g g e s tt h a tt h i sp r o c e s s i n gs y s t e mc o nf u l f i la l l k i n d s o f g e n e r a lm a n u f a c t u r i n gr e q u e s t s k e y w o r d s ：l a s e r p r o c e s s i n g ，e c o n o m i c a lc n c ，m c u ，k e i l c 5 1 ，i n t e r p o l a t i o n ， s t e pm o t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘鲎或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名：许望也签字日期：2 弓年。月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：寺年宝甩 导师签名： 旅阂丽 签字日期：捌年。月f 7 日签字日期：；弼年二月，g 百 第一章综述 第一章综述 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。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，其中激光加工是激光应用技 术的重要领域。该领域激光器销售总额占其它1 1 类激光应用的3 0 i i j 。目前， 激光加工已从特殊用途的加工技术变为通用的具有多种加工能力的精加工手 段，在国防工业和民用工业均得到了广泛应用【2 】，已成为衡量个国家工业生产 效率及其发达程度的重要标志【3 】。在发达国家的加工业中，已逐步进入了“光加 工”时代。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l l l 。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 4 j ，可见激光加工技术已受到我国政府部门的高度重 视。 1 1 激光加工原理 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【”。 将激光束照射到金属或非金属工件上，会瞬时使被辐照材料熔化甚至汽化， 以完成各种加工，这种基于热效应的加工称为热加工。c o 。和y a g 激光器均输出 红外光，红外光的光波长而光子能量小。红外光子作用于固体物质，受激电子 通过碰撞使晶格振动，导致被辐照物体温度升高，以至熔化或汽化，从而产生 各种加工效果。在红外光作用下的激光加工过程本质上都是热作用过程，即这 种激光是作为“热加工”工具而使用的。某一类波长的激光束照射到聚合物一 类的材料上，则可产生光化学反应的刻蚀加工，这种加工称为“冷加工”，其作 用机理是光化学作用。“冷加工”可以排除热影响，得到极高的加工质量。准分 子激光器输出紫外光，其光子能量达5 e v 。高于某些物质( 如聚合物) 分子的结合 能。物质在紫外光光子的作用下可以发生电子能带跃迁，对于某些聚合物，还 可以出现互斥的电子状态，打破或削弱分子间的结合键，从而实现对该种材料 进行刻蚀加工。 第一章综述 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。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i 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。 7 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 激光加工的应用 激光束经过光学系统聚焦，形成合适光斑，提高其功率密度，当工件吸收 光能后，瞬时升温，在适于金属材料产生相变时，即移动光斑，由工件基体传 热，形成淬火，即机械工业中的热处理；当温度再高，使工件照射区熔化即可 完成焊接；温度更高，使工件照射区达到汽化时，若辅以气体吹动，可以完成 切割、打孔等工序。 激光加工还可用于动平衡、划片、调阻、雕刻、标记、毛化等同。近年来在 微电子工业生产中激光加工应用发展很快，目前正在开拓用激光加工微光学、 第一章综述 微机械的零件。 1 4 经济型数控加工系统 经济型数控系统是具有我国特色、符合我国国情的产品，对促进我国数控 机床的发展起到了很大的作用。它多以单片机作为控制核心1 7 j ，数码管作为显示 器，用步进电机作为执行元件。由于结构简单，价格便宜，很适合我国中小型 企业使用。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f 5 。 1 5 本论文内容及完成的工作 经济型数控系统在我国发展很快，应用面也很广。本课题的目的就是要设 计以单片机为控制核心的经济型数控激光加工系统，具体包括以下内容及工作： 1 控制电路实现数字化，替代原有的模拟控制电路，简化电路结构，提高 自动化水平，使操作更加方便。通过数控系统实现对充电电压、出光重 复频率、脉冲宽度等工作参数和预燃、充电及开关激光等工作状态的 控制。 2 对执行机构步进电机的运动控制。控制分手动和自动两种，手动实现了 十字工作台x 、y 轴正负向直线、转台z 轴顺逆时针旋转的运动，并可 以随时进行速度调节：自动实现了工作台走任意平面曲线( 直线、矩形、 圆弧以及它们的组合图形) ，这只需要通过简单的人机界面编程即可实 现。另外，对预留r s 一2 3 2 c 串行接口与上位p c 机通信进行了研究。 第二章数控激光加工系统的组成 第二章数控激光加工系统的组成 数控激光加工系统应能够提供实现激光加工过程中所要求的光束和工件间 的相对运动，保证必需的精度，且具有良好的静态、动态特性和热稳定性。激 光加工机以光束为“刀具”，靠导光系统传输加工用能量，不存在切削力，但因 运动速度和加速度很高，也存在很大的惯性负荷。作为“刀具”的激光束还需 通过附加运动来保持和工件表面垂直。因而，激光加工机在组成上与普通金属 切削机床有很大的不同。本章以y a g 激光焊接机为例分析数控激光加工系统的 组成，并重点介绍主要受控对象激光电源。 2 1 数控y a g 激光焊接机的组成 图2 1 为数控y a g 激光焊接机示意图，它主要由激光头、导光系统、工件 运动系统、控制系统以及光学元件的冷却系统等组成。另外，系统在工作的过程 中还需要一些辅助材料和安全装置，如在激光焊接过程中吹加的氮气，在切害4 过程中吹加的氧气等，安全装置的作用是保护操作者免受激光辐射，并保证系 统的安全运行。 图2 - 1 数控激光加工机系统组成 l 激光头2 导光系统3 工件运动系统4 激光电源5 控制系统及人机界面6 冷却系统 激光头。激光头产生加工用激光，它主要由工作物质、光学谐振腔和泵浦系 统三部分组成。工作物质是激光器的核心，依工作物质的不同，激光器又可 以分固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。在固体激光 笙三主墼丝堂堂塑：! 墨堑塑塑堕 一 一 器中，工作物质通常加工成圆柱形，所以习惯称为激光棒。谐振腔由全反镜 和部分反射镜组成，是激光器的重要部件，它不仅是形成激光振荡的必要条 件，而且还对输出的模式、功率、光束发散角等均有着很大影响【8 1 。泵浦系 统是为了实现粒子数反转提供外界能量的系统。激光器的选用首先决定于所 要求的波长、功率和模式，以及加工对象。此外，激光器还应该满足对一般 工业设备提出的要求，如较高的稳定可靠性，结构紧凑占地少，易于维护， 运行费用低等。目前用于激光加工的激光器主要有二氧化碳激光器( c 0 0 和掺 钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 激光器两种。据资料统计，国际商用激光加工系统的 产值中，c o ：激光加工系统约占三分之二，y a g 激光加工系统约占三分之一h 。 表2 一l 列出了c 吼激光器和y a g 激光器的主要性能对比情况。由于c 0 2 激光 器输出波长1 0 6 u m 红外光，非金属材料一般能很好的吸收，但金属材料则 强烈反射，所以c o 。激光器在金属材料加工上有很大的限制。n d ：y a g 激光器 输出激光的波长为1 0 6 p r o ，波长较短对聚焦、光纤传输和金属表面的吸收 有利。考虑到本课题所使用的激光器主要用来加工金属材料，所以采用 n d ：y a g 激光器，以脉冲方式工作。 表2 - 】c 0 2 激光器与y a g 激光器主要性能对照表 性能c 0 2 激光器y a g 激光器 波长( u m )1 0 6i 0 6 光子能虽( e v )0 1 2 1 1 6 最高( 平均功率)5 0 k w4 0 0 0 w 输出方式连续或脉冲连续或脉冲 脉冲频率( k h z ) s o ，说明x 方向间隔小，应朝x 方向进给一步，x ，方向进给一步后， 间隔增大t x ，q = x 产匕，那么 e + i = 0 ( o y ) 一毛7 o 一( x + 1 ) 】 = c y ( 0 一y 。) 一t x ( o x ) 一匕 = e x 。( 4 1 6 ) x 方向迸给一个脉冲后，对坐标值进行修正，再沿切线按直线插补进行运算， 就能够得到圆弧轨迹。修正后，新的动点坐标值为： i 以“b lx 。| - 1 ，lk ，i - le l ， 考虑修正后， c + l = e i 以“i ， 若f o ，进给一步+ y ，新的动点坐标修正为： ix 川卜ix 。i 1 + 。 iei + 1 整婴童堇型墨鉴鏊堡堡生一 e + 。= 只+ l e + - l 初始值匕= ，瓦= x q ，则 p o ：坠掣 ( 4 _ 1 7 ) 第二象限顺圆弧单步追踪法插补流程如图4 7 所示。 图4 7 第二象限顺【圆弧单步追踪法插补流程图 为了使该程序适应于处于各个象限的大小不同的圆弧，程序作了修正，不 考虑符号，用绝对值参与运算，使各象限可以采用同样的判别函数和f 修正函 数，根据符号选择不同的标记进给。 4 4 软件模块说明 4 4 1 界面显示子程序 l c d 在使用之前，必须先对其初始化，将其显示方式和显示缓冲区( 即内部 字符发生器c g r a m ) 的各单元分配好。其具体流程见图4 - 8 。l c d 的显示包括文 本显示和图形显示两种方式。文本显示是指数字、字母和标点符号等的显示。 而图形显示主要是指不规则图形的显示，如曲线、图形、汉字等。文本显示和图 形显示方式可以只使用其中一种，也可以两种一起使用，它们的逻辑关系有 “或”、“异或”和“与”。本系统采用的l c d 点阵矩阵为2 4 0 x 6 4 ，l c d 的内部字 符r o m ( c g r o m ) 中，已有英文字母、阿拉伯数字和部分标点符号，显示方式是 8 8 点阵，整个液晶屏可以显示8 行，3 0 列字母或数字。由于界面需要使用大 第四章控制系统软件设计 量汉字，而c g r o m 中没有汉字字模，所以我们用专用软件从计算机字库中提取 字模。提取完以后存储在数组中，在初始化时写入c g r a m 。 设置文本区首地址 上 设置文本区大小 上 设置图形区首地址 上 设置图形区大小 上 设置文本和图形区之 间的显示方式：“或” l i 汉字字模写入c g r a i v l 图4 - 8l c d 初始化流程图 初始化完成以后，对l c d 清屏，即把所有显示地址单元内容清零。这样做 就使得l c d 显示的内容为空，防止了因为随机数据而产生的乱码显示或花屏。 最后，将工作状态和运行可调参数显示在l c d 上。 4 4 2 按键处理子程序 按键的作用是接受参数输入调整、自动运行编程和过程控制，系统采用2 4 键行列式矩阵键盘。按键处理程序的关键是如何识别键码，单片机对键盘控制 的方法是扫描，常见的扫描方法有程控扫描法、定时扫描法和中断扫描法。后 两种方法较前者减少了c p u 的开销，因为系统的两个外部中断已有它用，所以 我们选用了定时扫描法。定时器选用的是t 1 ，每隔2 0 m s 对键盘完成一次扫描， 扫描的主要任务是： 1 确定是否有键按下： 2 消除按键抖动； 3 对按键进行译码； 4 0 第四章控制系统软件设计 4 若按下的是数字键，便送显示缓存单元，若为功能键，即转到对应的键 服务程序。 其中按键消抖是程序设计的重点和难点。通常按键所用开关为机械弹性开 关，均利用了机械触点的合、断作用。一个按键开关在闭合时不会马上稳定地 接通，在断开时也不会一下子断开，这期间均伴随有一连串的抖动，抖动的时 间通常为5 1 0 m s 。设计中若不做消抖处理，系统会把这种抖动误认为是开关的 多次合、断而产生错误的动作。常用的软件消抖方法是在检测到有键按下时， 执行一段延时子程序( 2 0 m s 左右1 ，对按键再次检测，若仍有按键保持在闭合状 态，则认为是真正有键按下，从而消除了抖动的影响。这种方法下，每次扫描 2 0 m s 的延时白自浪费掉，c p u 开销过大。我们在设计中使用了两次定时器扫描 按键消抖的方法，第一次扫描用来确定是否有键按下，若有键按下，置键按下 标志，在紧接着的第二次扫描中再次进行判断，若仍有键按下，则认为真正有 键按下。我们的定时器间隔是2 0 m s ，程序中没用软件延时就达到了消抖的目的。 软件消抖流程如图4 - 9 所示，其中p ae i = 0 x f f 表示有键按下，b k e y d o w n = 0 表 示第一次键盘扫描，b k e y d o w n = l 表示第二次扫描，k e y c o d e 取值即键码。 图4 - 9 键盘软件消抖流程图 第四章控制系统软件设计 4 4 3m a ) ( 1 9 7 采样子程序 m a x l 9 7a d 转换器的工作过程如下：首先写入控制字，确定采样的电压范 围( 0 1 0 v ) 、采样方式和采样通道，打开外部中断1 ，然后m a x l 9 7 开始采样转 换，待采样转换结束，m a x l 9 7 给出一个信号由高电平跳变为低电平，该信号与 单片机的外部中断1 相连接，即给单片机一个中断信号，此时单片机响应中断， 将采样值读取进来，一旦读取完毕，重新写入控制字，m a x l 9 7 又开始新的采样。 由于a d 转换器是1 2 位的，所以采样值用2 个字节共1 6 位表示。m a x l 9 7 编程 设定的采样电压范围是0 1 0 v ，也就是说，输入的最大采样电压只能为1 0 v 。 本系统应用到的充电电压最高为8 0 0 v ，为了计算上的方便，按照充电电压采样 电压：i 0 2 4 1 0 的比例，设计了采样网络，对充电电压的1 i 0 2 4 进行采样，再 输入m a x l 9 7 进行a d 变换。为了消除采样通道中干扰产生的误差，除了在硬件 上采取了将其余未用通道输入接入到模拟地的措施，在软件上采用了数字滤波 的方法。 所谓数字滤波，即通过一定的计算程序，对采样信号进行平滑加工，提高 其有用信号，消除或减少各种干扰和噪音，其优点是在不增加任何硬件的条件 下，提高了系统的可靠性。针对本系统采样数据起伏不定及采样速率要求高的 特点，我们选用了滑动平均值滤波法。该方法先在r a m 中建立一个数据缓冲区， 依顺序存放n 次采样数据，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢弃 掉，而后求包括新数据在内的n 个数据的算术平均值。每进行一次采样，就可 以计算出一个新的平均值。滑动平均滤波法采样流程见图4 一l o ，其中b u f n 数 组保存了采样数据，a 为静态变量，初始值为0 。 图4 1 0 滑动平均值法采样流程图 第四章控制系统软件设计 4 4 4 参数调整子程序 系统运行过程中可调的参数有充电电压、出光开关的频率和脉宽、工作台 移动的速度，以及系统工作状态的切换等。系统要求充电电压不能超过8 0 0 v ， 在已有硬件限压的同时，增加了软件限压提供双重保护；频率变化范围是l l o o h z ，频率值以1 h z 为单位增减；脉宽不能超过周期占空比的1 3 ，且最高只 能为l o m s ，脉宽值以0 1 m s 为单位增减。由于有周期占空比保护的要求，重复 频率和脉宽之间是互相制约，相互联系的。 参数调整只需要三个按键操作，各参数的变化实时在l c d 上显示出来。在 参数调整模块中，定义了一个标志字s e l e c t ，初始值为0 ，选择按键按下一次， s e l e c t 加1 。根据s e l e c t 的不同取值，由上下调节键进行电压、频率、脉宽、 出光状态和速度的调节。当s e l e c t 等于7 时，s e l e c t 清零，并且把调整好的参 数存储在x 5 0 4 5 的串行存储器中，方便下一次使用。参数调节流程见图4 一1 1 。 参数调整 s e l e c t + + 参数调节 $ e l e c t = l ：电压： s e i e c t = 2 ：频率： s e l e c t = 3 ：脉宽 s e i o c t = 4 ：手动自动 s e i e c t = 5 ：单次连续 s e f e c t = 6 ：速度： 图4 - 1l 参数调整子程序流程图 4 4 5 占空比保护子程序 激光器对斩波出光脉冲有不超过1 3 占空比的要求，否则注入能量过高，会 引起泵浦灯的损坏。常见的模拟控制电路结构复杂、调试起来不方便，而且精 度不高。在我们的系统中，软化了这一硬件电路，程序流程图如图4 - 1 2 所示， 坐 d塑t 磊 存一 一嘲一 数一 一判一茎 第四章控制系统软件设计 其优点是简单、方便、精确。 图4 1 2 占空比保护流程图 4 5 6 机间通信协议设计 m c u l 把工作电压传送给m c u 2 ，由m c u 2 负责电压监控。m c u l 与m c u 2 采用串 行口通信的方式，其中m c u l 采用查询方式发送数据，m c u 2 以串口中断方式进行 数据接收。图4 一1 3 和4 1 4 分别是发送和接受数据程序框图。 当 l c u l 开始发送时，先送一个o x a a 信号，m c u 2 收到后回答一个o x b b ，表 示同意数据接收。当m c u l 收到o x b b 后，开始发送数据，每发送一次求校验和， 当数据全部发送完毕后，马上向m c u 2 发送校验和。m c u 2 接收数据并将其存储到 数据缓冲区，每接收到一个数据后，也计算一下校验和。通过与m c u l 发送过来 的校验和进行比较，若两者相等，说明接收数据正确，向m c u l 发送数据o x d d ； 若两者不等，说明数据接收不正确，向m c u l 发送数据o x e e ，请求重发。m c u l 收到o x d d 的回答后，结束发送。若受到o x e e ，则将数据再重发一次。双方约定 的传输波特率为2 4 0 0 b p s 。 第四章控砖l 系统软件设计 图4 1 3m c u l 数据发送程序框图 4 4 7 步进电机的升降速控制 步进电机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。控制速 度的常用方法有两种【2 5 】：( 1 ) 软件延时，改变延时的时间长度就可以改变输出脉 冲的频率，但这种方法长期占用c p u 时间，没有实用价值。( 2 ) 定时器中断，在 中断服务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。我们的控制系统采 用了另外一种速度控制方法：外扩8 2 5 4 定时计数。此时c p u 的工作就是送入定 时器计数初值和启动或停止8 2 5 4 计数。其优点是控制简单，既提高了c p u 工作 效率，又节省了其紧张的中断资源占用。 在步进电机的速度控制中，速度并不是一次升到位的。以步迸电机执行机 构从a 点到b 点移动时，要经历升速、恒速和减速过程。如果启动时一次将速 箜婴主量型墨竺竺堡堡盐 图4 1 4m c u 2 中断接收数据程序框图 度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率二，步进电机要发生失步现象， 甚至不能启动。如果到终点突然停下来，由于惯性作用，步进电机会发生过冲 现象，造成位置精度低。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，但影响了执行机构的工作效率。所以，对步进电机的加减速度要 有严格的要求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、减速要求，步进电机运行通常按照加、减速曲线进行。实验 表明，采用指数规律台阶式加、减速是最好的选择【2 6 1 ，因为步进电机的电磁转 矩与转速的关系接近于指数规律。在实际程序控制设计中，我们首先将加、减 速曲线进行了离散化，将离散所得的转速序列所对应的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。使用了查表的方式重装定时常数，这样 做既节省了时间，又提高了系统响应速度。图4 1 5 为加减速控制程序框图。 第四章控制系统软件设计 图4 一1 5 加减速控制程序框图 第六章工作总结及展望 第五章控制系统性能测试与分析 5 1 性能测试与分析 控制系统软、硬件调试完毕后，与激光焊接机一起进行了联合调试。实验 结果表明，整机运行良好，工作稳定可靠，参数调整方便且精确，自动编程界 面友好、操作简便、容易上手。 表5 - 1 是激光焊接机的一些工作参数： 表5 - 1 系统工作参数 充电电压o 8 0 0 v重复频率 1 9 9 h z 脉冲宽度 o 1 9 9 m s 工作方式手动运行、单次连续出光自动运行、连续出光 x y 轴行程 o 一1 5 0 m r a x y 轴精度 o 1 m m 移动速度1 一】o m _ l s z 轴0 3 6 0 0z 轴精度0 1 0z 轴速度5 - 4 0 0 s 激光焊接机在打开锁开关后，其控制权就教给了控制系统。由控制系统进 行预燃、充电、出光和工作台运动控制。 充电实验表明，在o 8 0 0 v 电压范围内，l c d 上显示电压与设定电压值及电 容上实际测量电压相差3 v ，且保持着良好的线性关系。误差的存在是由于电 压取样网络上电阻精度不高所致。激光焊接机在工作过程中，在单脉冲出光时， l c d 上电压显示基本没有变化，电容上实际测量电压有1 v 的波动；在脉宽3 8 m s ， 频率3 0 h z 连续出光时，电压波动起伏1 v 。所有这一切都说明了采样控制准确 与逆变充电信号工作可靠、稳定。软件能可靠地实现8 0 0 v 限压，图5 - 1 a 和图 5 1 b 是实验测得的电压充到5 0 0 v 和7 5 0 v 时，串联谐振回路的电流波形。 _ l 1 ：i j i | l 。r r 。；j t： ： j 亡 ：。： ， 巍一 r f ，瓢 雕 毡： ：i ： 。n j 1 、 ? f ： - lf、 ： 、 ： r 胍j l 匪骣! 鬻 目 叭 ： 【f 州 。；y _ _ f n c l q l 五 2 5 血l 上上主。l 。i ；j 图5 一l a 电压充到5 0 0 v 时谐振电流波形 4 9 第六章工作总结及展望 图5 1 b 电压充到7 5 0 v 时谐振电流波形 单次连续出光信号由8 2 c 5 4 产生，经7 4 l s 0 4 反向和光耦隔离后，输入i g b t 驱动电路e x b 8 4 1 ，e x b 8 4 1 的输出波形即为出光开关波形( 控制电路参见图3 1 8 所示) 。图5 - 2 a 和图5 2 b 是用示波器分别测得的频率和脉宽设定在5 h z 、l m s 和l o h z 、3 m s 时的波形。实际得到的频率和脉宽分别是4 9 9 h z 、l m s 和9 9 9 h z 、 3 m s ，经长时间测试后，频率和脉宽能够保持稳定，从而保证了精度的稳定性， 对激光功率做到了精确控制。 表5 - 2 是手动控制下测得的数据。从表中可以看出手动控制下x 、y 轴误差 较小。十字工作台滚珠丝杠的螺距为4 m m ，在8 m m s 的速度下，步进电机的转速 为1 2 0 r p m ，即使不做加减速控制，也不会发生丢步现象。误差的存在是由于工 作台间隙而引起的。而z 轴由l ：6 0 蜗轮蜗杆进行传动，在4 0 。s 的速度下， 步进电机的转速达到4 0 0 r p m ，- 1 1 a 的误差应是由刚开始升速时丢步引