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          基于微機(jī)的激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

          作者: 時間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘要:敘述了基于PC機(jī)的激光雕刻機(jī)運(yùn)動軌跡插補(bǔ)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和其外圍接口特性。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/225705.htm

          關(guān)鍵詞:控制 CNC 插補(bǔ)原理 計(jì)算機(jī)并口

          激光是20世紀(jì)60年代初期興起的一項(xiàng)新技術(shù),由于其具有單色性好,高亮度和方向性好的特點(diǎn),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(jī)作為一種機(jī)、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(jìn)口,其價(jià)格之高,令一般的國內(nèi)消費(fèi)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(jī),上海長江匯眾企業(yè)發(fā)展有限公司的長江激光雕刻機(jī)和北京開天科技公司的FC-15型激光雕刻機(jī)等。本文主要介紹激光雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及主要端口的接口特性。在該激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)中,主要采用基于PC機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng),通過并口和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來控制步進(jìn)電機(jī),從而達(dá)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(jì)

          1.1 插補(bǔ)原理

          在激光雕刻機(jī)中為了實(shí)現(xiàn)對激光雕刻機(jī)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(bǔ)原理來實(shí)現(xiàn)對這三個基本矢量的數(shù)字逼近。在激光雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)中要求能夠達(dá)到較高的速度和精確度,因此控制軟件的計(jì)算不能太復(fù)雜,花費(fèi)的時間不能太多,這就是使用插補(bǔ)原理的原因所在。在本系統(tǒng)中所采用的為逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法。所謂逐點(diǎn)比較插補(bǔ)算法,即每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行一次比較,使該點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(dá)到加工的精度要求。下面以直線為例來說明插補(bǔ)原理。如圖1所示。

          偏差計(jì)算公式假定加工第一象限的直線OA,取直線起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,直線終點(diǎn)坐標(biāo)A(Xe,Ye)是已知的。M(Xm,Ym)為加工點(diǎn)(動點(diǎn))。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兀恚伲遄鳛橹本€插補(bǔ)的偏差判別式。

          若Fm=0,表明M點(diǎn)在直線OA上。

          若Fm>0,表明M點(diǎn)在直線OA上方的M′處。

          若Fm<0,表明M點(diǎn)在直線OA下方的M″處。

          對于第一象限直線從起點(diǎn)(即坐標(biāo)原點(diǎn))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(diǎn)坐標(biāo)(Xe,Ye)相等時,發(fā)出到達(dá)終點(diǎn)信號,停止插補(bǔ)。設(shè)在某加工點(diǎn)出現(xiàn)有Fm>=0時,應(yīng)沿+X方向進(jìn)給一步,走一步后的坐標(biāo)值為: Xm+1=Xm+1, Ym+1=Ym

          新的偏差為:Fm+1=Ym+1-Xm+1=F-Y

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

          新的偏差為:Fm+1=Ym+1-Xm+1=F+X

          上式為簡化后的偏差計(jì)算公式在公式中只有加、減運(yùn)算,只要將前一點(diǎn)的偏差值等于上述的終點(diǎn)坐標(biāo)值。當(dāng)然對于不同的象限以及不同的矢量插補(bǔ)公式不同,但其基本原理相似,在這里不再贅述。

          1.2 對電機(jī)運(yùn)行速度的控制

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

          設(shè)電機(jī)每次步進(jìn)的時間為t,t與電機(jī)的運(yùn)行速度成反比,當(dāng)電機(jī)處于加速階段時,在電機(jī)的下一步應(yīng)使其時間為t-洌?,其中洌羰歉鶕?jù)電機(jī)加速度計(jì)算出的時間減小量,其計(jì)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(jìn)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(fèi)的時間,t1為到達(dá)所要求走的距離時(即達(dá)到最大速度 時)每走一走所花費(fèi)的時間,根據(jù)具體的要求我們可以計(jì)算出以各式的值。

          在基于PC機(jī)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系統(tǒng)所提供的時間函數(shù)只能達(dá)到毫秒級的精度,很難達(dá)到微秒級的控制精度。對于不同配置的PC機(jī),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(dá)到微秒級的控制精度。下面為具體的實(shí)現(xiàn)方法用法:

          構(gòu)造CMicroSecond類:

          在類初始化函數(shù)中實(shí)現(xiàn)每微秒包含_nop語句循環(huán)數(shù)。

          void CMicroSecond::Initialize

          {

          DWORD dwStart = 0;

          DWORD dwStop = 0;

          int nLoopSeed = 100000;

          do{

          m_dwLoopCounter1 = 0;

          dwStart = GetTickCount;

          for(int i=0;i< nLoopSeed;i++)

          {

          m_dwLoopCounter1++;

          _asmnop;

          }

          dwStop = GetTickCount();

          nLoopSeed += 100000;

          }while ( dwStop - dwStart < 50 );

          m_dwLoopCounter1 = 0;

          dwStart=GetTickCount;

          for(int i=0; i<nLoopSeed;i++)

          {

          m_dwLoopCounter1++;

          _asm{nop}

          }

          dwStop = GetTickCount();

          //每毫秒的循環(huán)數(shù)

          m_dwLoopCounter1=m_dwLoopCounter1/dwStop-

          dwStart;

          //每微秒的循環(huán)數(shù)

          m_nLoopCountPerMicroSecond=intm_dwLoop

          Counter 1/1000;

          }

          實(shí)現(xiàn)固定時間的延時:

          void CMicroSecond::MicroDelay( int uSec )

          {

          n=0;

          for(int i=0;i<uSec*m_nLoopCountPerMicroSecond;i++)

          {

          n++;

          _asm{nop}

          }

          }

          由于賦值語句、for語句、函數(shù)的調(diào)用等要消耗時間,因此所得到的時間也并不是非常精確的時間。但對于一般的PC機(jī)來說完全可以達(dá)到幾十微妙的精度,而對于一般的控制系統(tǒng)來說,這個精度是足以達(dá)到控制要求的。

          2 外圍接口特性

          在本系統(tǒng)中我們通過計(jì)算機(jī)的并口來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的控制。我們知道并行口適配器的具體形式是多種多樣的,但是在PC系列微機(jī)中分配給它的最多有四個口,常用的是三個口,其地址為:03BCH - 03BEH:并口一(LPT1),0378H - 037AH:并口二(LPT2),0278H - 027AH:并口三(LPT3)。這里可以看到每個并口包括了三個口地址其中第一個為基地址,是因?yàn)橐粋€并口具有數(shù)據(jù)口狀態(tài)口和控制口的緣故。不過值得注意的是,最好不要直接用上述口的地址去讀寫并口,因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中很少有三個并行口都同時有效的,而且多功能卡和單色顯示卡上的并行口地址是有差別的。單色顯示卡上的并口地址一般是03BCH,而多功能卡上的并口基地址一般可以在0378H和0278H之間進(jìn)行選擇。因此如果直接對某一并口地址進(jìn)行操作,萬一PC機(jī)上的并口適配器用的不是這個口地址那就要出錯了。

          熟悉PC機(jī)的讀者都知道,PC機(jī)內(nèi)存最低端BIOS數(shù)據(jù)區(qū)的40:08H,40:0AH,40:0CH三個字是被設(shè)計(jì)用來存放上述三個并行口的基地址的,40:08H - 09H LPT1基地址;40:0AH - 0BH LPT2基地址;40:0CH - 0DH LPT3基地址。這三個字中的基地址是在PC機(jī)啟動過程中根據(jù)實(shí)際存在的并行口地址存放的,使用它們來讀寫并行口就不會出錯,所以在使用時一定要通過檢查這三個字來得到并行口的基地址。在對并口的讀寫操作用到的語句為_outp(并口地址,數(shù)據(jù))和 _inp( 并口地址 )(_inp返回值為讀到的數(shù)據(jù))。

          3 系統(tǒng)特點(diǎn)及結(jié)果分析

          在本文所述的激光雕刻機(jī)系統(tǒng)中,我們通過動態(tài)連接庫的方式對系統(tǒng)進(jìn)行控制,我們將對基本矢量元素的控制都封裝在了一個動態(tài)連接庫中,這樣使系統(tǒng)的控制軟件具有一定可移植性。而這種通過PC機(jī)并口實(shí)現(xiàn)對激光雕刻機(jī)控制的方法簡單而且易于實(shí)現(xiàn),可以大大的縮短開發(fā)周期。如果我們配上相應(yīng)的激光雕刻機(jī)作圖軟件,就可以成為一個商用化的產(chǎn)品了。



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