激光焊接加工機床的四軸步進電機控制系統(tǒng)設計

　　近年來，國內外激光加工技術的發(fā)展很快，根據資料顯示：僅1996年1月至2002年10月美國有關激光加工的專利就有9 432件，雨我國有關專利只有294件。這說明我國的激光加工技術及其應用的開發(fā)還需要進一步地提高。激光加工技術在加工質量、生產效率及經濟性方面的優(yōu)勢明顯。因此在很多發(fā)達國家激光加工已經成為一種定型的加工技術，相應地，激光加工設備制造業(yè)也迅猛地發(fā)展起來。我國的激光加工技術急需要有更大的突破與更大的發(fā)展，這就給國內從事激光加工技術設備研發(fā)的相關組織機構帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。激光焊接技術是激光加工技術中最為活躍的技術。其原理為：激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉化為熱能使金屬熔化后冷卻結晶形成焊接。激光焊接技術具有焊縫焊接強度高、韌性好、在深沖變形過程中焊縫不變形等優(yōu)點。因此在國內外被大量地應用于生產實踐中。激光焊接作為～種高質量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法，隨著高功率C2O和高功率的YAG激光器以及光纖傳輸技術的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，它在機械制造、航空航天、汽車工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學微電子行業(yè)等領域的應用越來越廣。其主要應用領域有制造業(yè)應用、粉末冶金領域、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學及其他領域。

　　步進電機作為自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件，被廣泛應用于工業(yè)自動化領域。由于計算機控制技術、微電子技術、信息和自動化技術、數控技術的迅速發(fā)展，我國的制造業(yè)越來越離不開步進電機的應用。步進電機又稱為脈沖電機或階躍電機，它的應用發(fā)展已有大約80年的歷史。步進電機的輸入信號為脈沖電流，它將輸入的脈沖信號轉換為階躍型的角位移或直線位移，因而步進電機可看作是一個串行的數／模轉換器。由于步進電機能夠直接接受數字信號，而不需數／模轉換。所以使用微機控制步進電機顯得非常方便。除了此優(yōu)點之外，步進電機還具有快速啟停、定位精度高、慣性小、無累積誤差、價格低廉且與計算機接口方便等優(yōu)點。步迸電機可以在寬廣的頻率范圍內通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)調速、快速起停、正反轉控制等，這是步進電動機最突出的優(yōu)點。

　　在步進電機的發(fā)展過程中，有多種方案可用來實現(xiàn)步進電機控制系統(tǒng)，主要有3種：第一種是基于電子電路的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)一般由3個部分組成：脈沖信號產生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅動電路。這種方案可采用開環(huán)控制也可以采用閉環(huán)控制，一般功能相對較單一，如需改變控制方案，必須重新設計，因此靈活性不高；第二種是基于單片機的控制方案，由于單片機的強大功能，采用此方案可實現(xiàn)軟件與硬件相結合的控制方法，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響，提高了接口電路的靈活性與通用性，且可以大大提高系統(tǒng)的交互性，因此國內學者對此方案研究較多；第三種是基于PLC的控制方案，此方案的控制系統(tǒng)一般由PLC、環(huán)形分配器和功率驅動電路組成。控制系統(tǒng)采用PLc來產生控制脈沖。此系統(tǒng)硬件成本較低，但由于PLc掃描周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制，當速度較高時，相應的控制精度會降低。此外，基于LabVIEw平臺的步進電機控制系統(tǒng)的設計，也是近期研究的熱點。

　　作者研究了自動化強激光眼鏡加工平臺的四軸步進電機控制系統(tǒng)。為了保證激光焊接的質量，要通過自動測量和控制裝置使焦點相對于工件表面在光軸方向的位置不變。這就需要一套可靠的步進電機控制系統(tǒng)。文中研制的四軸步進電機控制系統(tǒng)可使得激光焦點位置控制與激光加工系統(tǒng)直線軸(算一)，一z)控制一體化，使光頭運動輕便靈活，而且焦點位置在任何時刻都精確可知，避免了光頭與加工空間中未知的其他物件發(fā)生意想不到的碰撞而使光頭損壞?；诖丝刂葡到y(tǒng)的激光焊接加工機床數控系統(tǒng)具有面向用戶、操作方便，具有更好的可維護性和可擴展性等特點。

1 四軸步進電機控制系統(tǒng)的硬件設計

　　該激光焊接加工機床的多軸步進電機控制系統(tǒng)主要由5個部分構成：機械設備、被控步進電機、步進電機驅動單元、智能運動控制卡以及編程／操作接口軟件。利用實驗室已有的西化儀科技有限公司(武漢)的CNC2000數控卡及其配套軟件、步進電機驅動器、步進電機、精密加工移動平臺及PC機等構建一套多軸步進電機控制系統(tǒng)。CNC2000數控卡以其通用性及對用戶的透明在業(yè)界內享有聲譽，在許多場合都得到了廣泛的應用。借助于DSP數字信號處理器，一塊CNC2000數控卡可以獨立或聯(lián)動控制四軸步進電機，用戶可以自由選擇恒定加速、曲線加速或兩者的組合。

　　在實際的開發(fā)過程中，將CNc2000數控卡的4個通道分別連接到x、y、z和1個輔助的四轉軸步進電機驅動器上，采用輸出脈沖和方向電平模式來驅動步進電機，實現(xiàn)步進電機的正轉、反轉和加減速，從而控制加工平臺的移動。CNC2000數控卡豐富的I／O口還可用來實現(xiàn)如機床行程限位控制、檢測各軸回零信號、空氣壓縮機起停、激光器冷卻系統(tǒng)的開啟和激光的通斷等。利用其提供的后臺可編程功能，可以檢測各種開關量，實現(xiàn)面板操作，以控制程序運行和機床的手動調整。要完成整個激光焊接機床的控制任務，CNC2000數控卡還必須和PC機進行必要的通訊從而及時獲取當前機床狀態(tài)和激光頭所處位置，以便實時地顯示在桌面上并提供給用戶用于交互，如各軸位置、激光器通斷狀態(tài)等。同時在機床加工時，還可以進行加工程序的輸入、編輯等。而CNC2000數控卡則需要從PC機處獲得加工程序，供DSP解釋后進行實際機床動作。文中使用的是基于PCI總線的CNC2000數控卡，PC通過PCI總線與之交換數據。系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)整體結構圖

　　根據設計的系統(tǒng)結構圖可知，PC機通過PCI總線與CNC2000數控卡進行通信，PC機通過軟件系統(tǒng)進行編程，CNC2000數控卡則需要從PC機處獲得加工程序，并供DSP解釋后進行實際運動操作，包括四軸步進電機的運動、激光器通斷、空氣壓縮機起停、激光器冷卻系統(tǒng)的開啟等。該控制系統(tǒng)的運動控制方式是P完全控制式。在PC機的擴展槽中插入運動控制卡CNC2000數控卡來控制步進電機。這種控制方式可以充分地利用PC的軟件資源，結構簡單，易于進行功能擴展。

　　CNC2000數控卡到步進電機的連接線可簡要表示如圖2所示。通過CNC2000數控卡的接口與四軸步進電機驅動器相連接，再將四軸步進電機驅動器與四軸步進電機相連接，從而形成整個步進電機的控制系統(tǒng)。其中步進電機驅動器采用西安偉斯爾精電科技有限公司的wsR-841IGBT驅動器，步進電機采用五相混合式步進電機。

圖2 CNc2000數控卡到步進電機的連接線

　　將CNC2000數控卡與四軸步進電機驅動器及四軸步進電機接線連接好之后便實現(xiàn)了四軸步進電機控制系統(tǒng)。通過編寫程序控制四軸步進電機的運動，可實現(xiàn)點位、直線、圓弧等插補的操作，具有循環(huán)、跳轉等功能。通過簡單、清晰的參數設置與程序編寫使得四軸步進電機的運動控制方便和快捷。

2 四軸步進電機控制系統(tǒng)的軟件結構

　　運動控制器的軟件設計任務就是對DSP器件進行軟件設計，DSP軟件是整個運動控制系統(tǒng)軟件的一個組成部分。因此，首先必須作好運動控制系統(tǒng)的軟件規(guī)劃，劃分各個功能模塊，才能設計在DSP上運行的程序。

　　文中的控制系統(tǒng)軟件層次結構如圖3所示。

圖3控制系統(tǒng)軟件層次結構

　　該軟件主要分為上位PC機端和下位DSP端軟件兩大層次。這兩層還可以細分成小的層次，其目的是在層和層之間建立比較完善的接口，便于以后物理和功能上的擴展。各層在統(tǒng)一定義的接口上向上一層提供服務。在實現(xiàn)整個系統(tǒng)的過程中，只需定義每層和其他相關層的接口，各層分另分實現(xiàn)自己的功能。而且針對不同的場合，將相應層次稍加修改便可應用，適應性好，也便于進行二次開發(fā)。

　　上位PC機軟件先將各模塊的信息掃描，并通過傳感器導人軟件，用軟件提供的點、線、圓、圓弧及矩形等幾何圖形繪制加工軌跡，然后用路徑優(yōu)化算法就加工軌跡進行排序，轉成G代碼，再將G代碼編譯成加工指令，發(fā)送給CNC2000數控卡完成整個加工過程。上位機軟件的難點主要有繪圖系統(tǒng)、加工路徑優(yōu)化、G代碼生成、G代碼編譯等。整個控制系統(tǒng)加工過程工作流程圖可簡要表示成圖4所示。

圖4控制系統(tǒng)加工過程工作流程圖

　　文中研發(fā)的激光焊接加工機床所采用的軟件系統(tǒng)為CNC2000數控系統(tǒng)，此軟件系統(tǒng)基于聊ndows操作系統(tǒng)，采用DSP技術開發(fā)，硬件采用PCI接口， 具有四軸聯(lián)動功能，可在Win200、WinXP、windows98、WindowsMe或Windows95下運行。

3 激光焊接加工機床的實例

　　采用激光焊接加工機床，將工件按如圖5軌跡進行焊接?？刹捎肅NC2000數控系統(tǒng)進行手工編程，編程代碼如下：

圖5工件加工軌跡

　　程序編寫完成后可先空運行(試運行)一下，看整個工作平臺是否按指定的要求工作，工件是否按給定的軌跡進行加工。如一切正常，可直接運行程序代碼，步進電機會按指定的任務移動工作平臺從而使得工件的焊接工作圓滿完成。

4 結束語

　　介紹了一種激光焊接加工機床的四軸步進電機控制系統(tǒng)，根據激光焊接加工機床的特征，構造了四軸步進電機控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結構圖，設計了CNC2000數控卡與四軸步進電機驅動器及四軸步進電機的接線圖，并對此系統(tǒng)的軟件結構進行了介紹，通過實例說明了該控制系統(tǒng)實現(xiàn)激光焊接加工的過程。該控制系統(tǒng)可使得激光焦點位置控制與激光加工系統(tǒng)直線軸控制一體化，使光頭運動輕便靈活，具有操作靈活方便、可靠性好、精度高等優(yōu)點。