摘要：敘述了基于ＰＣ機的激光雕刻機運動軌跡插補控制軟件的設(shè)計與實現(xiàn)和其外圍接口特性。

    關(guān)鍵詞：控制  ＣＮＣ  插補原理  計算機并口

    激光是２０世紀６０年代初期興起的一項新技術(shù),由于其具有單色性好,高亮度和方向性好的特點,對各個技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。而近年來的基于ＣＮＣ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）的激光雕刻機作為一種機、光、電、算相結(jié)合的高科技產(chǎn)品也在市場上出現(xiàn),其應(yīng)用相當(dāng)廣泛,市場需求量很大。由于該產(chǎn)品大部分是由國外進口,其價格之高,令一般的國內(nèi)消費者難以接受。主要同類產(chǎn)品有日本的ＭＩＭＡＫＩ ＰＲＯ的專業(yè)刻字機,上海長江匯眾企業(yè)發(fā)展有限公司的長江激光雕刻機和北京開天科技公司的ＦＣ－１５型激光雕刻機等。本文主要介紹激光雕刻機的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計以及主要端口的接口特性。在該激光雕刻機控制系統(tǒng)中,主要采用基于ＰＣ機的數(shù)字控制系統(tǒng),通過并口和步進電機驅(qū)動器來控制步進電機,從而達到控制工作臺（或激光束）的走向和速度的目的。

１ 控制軟件的設(shè)計

1.1 插補原理

    在激光雕刻機中為了實現(xiàn)對激光雕刻機的控制,主要采用矢量化的方法將控制分成不同種類的基本矢量,其中包括直線、圓弧、橢圓三個基本矢量。再利用插補原理來實現(xiàn)對這三個基本矢量的數(shù)字逼近。在激光雕刻機的控制系統(tǒng)中要求能夠達到較高的速度和精確度,因此控制軟件的計算不能太復(fù)雜,花費的時間不能太多,這就是使用插補原理的原因所在。在本系統(tǒng)中所采用的為逐點比較插補算法。所謂逐點比較插補算法,即每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行一次比較,使該點在給定軌跡的上方或下方,或在給定軌跡的里面或外面,從而決定下一步的進給方向,使之趨近加工軌跡。如此走一步,比較一次,決定下一步走向,逐步逼近給定的軌跡。逐點比較法是以折線來逼近直線或圓弧曲線的,它與規(guī)定的直線或圓弧之間的最大誤差不超過一個脈沖當(dāng)量,只要將脈沖當(dāng)量（即每走一步的距離）取得足夠小,就可以達到加工的精度要求。下面以直線為例來說明插補原理。如圖１所示。

    偏差計算公式假定加工第一象限的直線ＯＡ,取直線起點為坐標原點Ｏ,直線終點坐標Ａ（Ｘｅ,Ｙｅ）是已知的。Ｍ（Ｘｍ,Ｙｍ）為加工點（動點）。若Ｍ在ＯＡ直線上,則根據(jù)相似三角形的關(guān)系有：

    Xm / Ym=Xe / Ye

    �。疲恚剑伲恚兀澹�ＸｍＹｅ作為直線插補的偏差判別式。

    若Ｆｍ＝０,表明Ｍ點在直線ＯＡ上。

    若Ｆｍ＞０,表明Ｍ點在直線ＯＡ上方的Ｍ′處。

    若Ｆｍ＜０,表明Ｍ點在直線ＯＡ下方的Ｍ″處。

    對于第一象限直線從起點(即坐標原點)出發(fā),

    若Ｆｍ＞＝０,沿＋Ｘ軸方向走一步。

    若Ｆｍ＜＝０,沿－Ｘ軸方向走一步。

    當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點坐標(Ｘｅ,Ｙｅ)相等時,發(fā)出到達終點信號,停止插補。設(shè)在某加工點出現(xiàn)有Ｆｍ＞＝０時,應(yīng)沿＋Ｘ方向進給一步,走一步后的坐標值為: Ｘｍ＋１＝Ｘｍ＋１, Ｙｍ＋１＝Ｙｍ

    新的偏差為:Ｆｍ＋１＝Ｙｍ＋１Ｘｅ－Ｘｍ＋１Ｙｅ＝Ｆｍ－Ｙｅ

    若Ｆｍ＜＝０時,應(yīng)沿＋Ｙ方向進給一步,走一步后的坐標值為: Ｘｍ＋１＝Ｘｍ,Ｙｍ＋１＝Ｙｍ＋１

    新的偏差為：Ｆｍ＋１＝Ｙｍ＋１Ｘｅ－Ｘｍ＋１Ｙｅ＝Ｆｍ＋Ｘｅ

    上式為簡化后的偏差計算公式�熢诠�式中只有加、減運算,只要將前一點的偏差值等于上述的終點坐標值。當(dāng)然對于不同的象限以及不同的矢量插補公式不同,但其基本原理相似,在這里不再贅述。

1.2 對電機運行速度的控制

    由于國產(chǎn)步進電機的最高啟動頻率一般為１～２ｋＨｚ,一般步進電機不能一下突變到要求的最大頻率,而在電機的最大運行頻率下也不能立即停止,否則就會造成電機的丟步,影響系統(tǒng)的精度。這就需要在程序中有對電機的加減速控制,其基本思路如下：

    設(shè)電機每次步進的時間為ｔ,ｔ與電機的運行速度成反比,當(dāng)電機處于加速階段時,在電機的下一步應(yīng)使其時間為ｔ－洌簦�其中洌羰歉鶕�(jù)電機加速度計算出的時間減小量,其計算方式如下：

    ｎ＝l / δ,δt=t0-t1 / n-l,tsum=n(t0+t1) / 2

其中ｌ為某段距離的長度,δ為系統(tǒng)的分辨率即最小步進距離,n為所走的總瞳數(shù),tsum為所需走的總時間,t0為初始速度時每走一瞳所花費的時間,t1為到達所要求走的距離時（即達到最大速度 時）每走一走所花費的時間,根據(jù)具體的要求我們可以計算出以各式的值。

    在基于ＰＣ機的控制系統(tǒng)中,一個很重要的問題就是如何獲得對時間的精確控制。在ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)中�熛到y(tǒng)所提供的時間函數(shù)只能達到毫秒級的精度,很難達到微秒級的控制精度。對于不同配置的ＰＣ機,執(zhí)行相同的語句其時間也不會相同。為此我們利用系統(tǒng)提供的ＧｅｔＴｉｃｋＣｏｕｎｔ（）函數(shù),用包括＿ｎｏｐ語句的循環(huán)來達到微秒級的控制精度。下面為具體的實現(xiàn)方法用法：

    構(gòu)造ＣＭｉｃｒｏＳｅｃｏｎｄ類：

    在類初始化函數(shù)中實現(xiàn)每微秒包含＿ｎｏｐ語句循環(huán)數(shù)。

    ｖｏｉｄ ＣＭｉｃｒｏＳｅｃｏｎｄ：：Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ�煟�

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