激光焊接加工機(jī)床的四軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外激光加工技術(shù)的發(fā)展很快，根據(jù)資料顯示：僅1996年1月至2002年10月美國(guó)有關(guān)激光加工的專(zhuān)利就有9 432件，雨我國(guó)有關(guān)專(zhuān)利只有294件。這說(shuō)明我國(guó)的激光加工技術(shù)及其應(yīng)用的開(kāi)發(fā)還需要進(jìn)一步地提高。激光加工技術(shù)在加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)明顯。因此在很多發(fā)達(dá)國(guó)家激光加工已經(jīng)成為一種定型的加工技術(shù)，相應(yīng)地，激光加工設(shè)備制造業(yè)也迅猛地發(fā)展起來(lái)。我國(guó)的激光加工技術(shù)急需要有更大的突破與更大的發(fā)展，這就給國(guó)內(nèi)從事激光加工技術(shù)設(shè)備研發(fā)的相關(guān)組織機(jī)構(gòu)帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。激光焊接技術(shù)是激光加工技術(shù)中最為活躍的技術(shù)。其原理為：激光焊接是將高強(qiáng)度的激光束輻射至金屬表面，通過(guò)激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。激光焊接技術(shù)具有焊縫焊接強(qiáng)度高、韌性好、在深沖變形過(guò)程中焊縫不變形等優(yōu)點(diǎn)。因此在國(guó)內(nèi)外被大量地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。激光焊接作為～種高質(zhì)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(shù)的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功，它在機(jī)械制造、航空航天、汽車(chē)工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學(xué)微電子行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣。其主要應(yīng)用領(lǐng)域有制造業(yè)應(yīng)用、粉末冶金領(lǐng)域、汽車(chē)工業(yè)、電子工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)及其他領(lǐng)域。

　　步進(jìn)電機(jī)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。由于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微電子技術(shù)、信息和自動(dòng)化技術(shù)、數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，我國(guó)的制造業(yè)越來(lái)越離不開(kāi)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)為脈沖電機(jī)或階躍電機(jī)，它的應(yīng)用發(fā)展已有大約80年的歷史。步進(jìn)電機(jī)的輸入信號(hào)為脈沖電流，它將輸入的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為階躍型的角位移或直線(xiàn)位移，因而步進(jìn)電機(jī)可看作是一個(gè)串行的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器。由于步進(jìn)電機(jī)能夠直接接受數(shù)字信號(hào)，而不需數(shù)／模轉(zhuǎn)換。所以使用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)顯得非常方便。除了此優(yōu)點(diǎn)之外，步進(jìn)電機(jī)還具有快速啟停、定位精度高、慣性小、無(wú)累積誤差、價(jià)格低廉且與計(jì)算機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)。步迸電機(jī)可以在寬廣的頻率范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速、快速起停、正反轉(zhuǎn)控制等，這是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最突出的優(yōu)點(diǎn)。

　　在步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，有多種方案可用來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)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(gè)部分組成：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。這種方案可采用開(kāi)環(huán)控制也可以采用閉環(huán)控制，一般功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高；第二種是基于單片機(jī)的控制方案，由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，采用此方案可實(shí)現(xiàn)軟件與硬件相結(jié)合的控制方法，避免了失步、振蕩等對(duì)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(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(qū)動(dòng)電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLc來(lái)產(chǎn)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(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速控制，當(dāng)速度較高時(shí)，相應(yīng)的控制精度會(huì)降低。此外，基于LabVIEw平臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也是近期研究的熱點(diǎn)。

　　作者研究了自動(dòng)化強(qiáng)激光眼鏡加工平臺(tái)的四軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。為了保證激光焊接的質(zhì)量，要通過(guò)自動(dòng)測(cè)量和控制裝置使焦點(diǎn)相對(duì)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(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。文中研制的四軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)可使得激光焦點(diǎn)位置控制與激光加工系統(tǒng)直線(xiàn)軸(算一)，一z)控制一體化，使光頭運(yùn)動(dòng)輕便靈活，而且焦點(diǎn)位置在任何時(shí)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)具有面向用戶(hù)、操作方便，具有更好的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

1 四軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　該激光焊接加工機(jī)床的多軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由5個(gè)部分構(gòu)成：機(jī)械設(shè)備、被控步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、智能運(yùn)動(dòng)控制卡以及編程／操作接口軟件。利用實(shí)驗(yàn)室已有的西化儀科技有限公司(武漢)的CNC2000數(shù)控卡及其配套軟件、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、精密加工移動(dòng)平臺(tái)及PC機(jī)等構(gòu)建一套多軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。CNC2000數(shù)控卡以其通用性及對(duì)用戶(hù)的透明在業(yè)界內(nèi)享有聲譽(yù)，在許多場(chǎng)合都得到了廣泛的應(yīng)用。借助于DSP數(shù)字信號(hào)處理器，一塊CNC2000數(shù)控卡可以獨(dú)立或聯(lián)動(dòng)控制四軸步進(jìn)電機(jī)，用戶(hù)可以自由選擇恒定加速、曲線(xiàn)加速或兩者的組合。

　　在實(shí)際的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將CNc2000數(shù)控卡的4個(gè)通道分別連接到x、y、z和1個(gè)輔助的四轉(zhuǎn)軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上，采用輸出脈沖和方向電平模式來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和加減速，從而控制加工平臺(tái)的移動(dòng)。CNC2000數(shù)控卡豐富的I／O口還可用來(lái)實(shí)現(xiàn)如機(jī)床行程限位控制、檢測(cè)各軸回零信號(hào)、空氣壓縮機(jī)起停、激光器冷卻系統(tǒng)的開(kāi)啟和激光的通斷等。利用其提供的后臺(tái)可編程功能，可以檢測(cè)各種開(kāi)關(guān)量，實(shí)現(xiàn)面板操作，以控制程序運(yùn)行和機(jī)床的手動(dòng)調(diào)整。要完成整個(gè)激光焊接機(jī)床的控制任務(wù)，CNC2000數(shù)控卡還必須和PC機(jī)進(jìn)行必要的通訊從而及時(shí)獲取當(dāng)前機(jī)床狀態(tài)和激光頭所處位置，以便實(shí)時(shí)地顯示在桌面上并提供給用戶(hù)用于交互，如各軸位置、激光器通斷狀態(tài)等。同時(shí)在機(jī)床加工時(shí)，還可以進(jìn)行加工程序的輸入、編輯等。而CNC2000數(shù)控卡則需要從PC機(jī)處獲得加工程序，供DSP解釋后進(jìn)行實(shí)際機(jī)床動(dòng)作。文中使用的是基于PCI總線(xiàn)的CNC2000數(shù)控卡，PC通過(guò)PCI總線(xiàn)與之交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

　　根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，PC機(jī)通過(guò)PCI總線(xiàn)與CNC2000數(shù)控卡進(jìn)行通信，PC機(jī)通過(guò)軟件系統(tǒng)進(jìn)行編程，CNC2000數(shù)控卡則需要從PC機(jī)處獲得加工程序，并供DSP解釋后進(jìn)行實(shí)際運(yùn)動(dòng)操作，包括四軸步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)、激光器通斷、空氣壓縮機(jī)起停、激光器冷卻系統(tǒng)的開(kāi)啟等。該控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方式是P完全控制式。在PC機(jī)的擴(kuò)展槽中插入運(yùn)動(dòng)控制卡CNC2000數(shù)控卡來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。這種控制方式可以充分地利用PC的軟件資源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。

　　CNC2000數(shù)控卡到步進(jìn)電機(jī)的連接線(xiàn)可簡(jiǎn)要表示如圖2所示。通過(guò)CNC2000數(shù)控卡的接口與四軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連接，再將四軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與四軸步進(jìn)電機(jī)相連接，從而形成整個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。其中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用西安偉斯?fàn)柧娍萍加邢薰镜膚sR-841IGBT驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)采用五相混合式步進(jìn)電機(jī)。

圖2 CNc2000數(shù)控卡到步進(jìn)電機(jī)的連接線(xiàn)

　　將CNC2000數(shù)控卡與四軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及四軸步進(jìn)電機(jī)接線(xiàn)連接好之后便實(shí)現(xiàn)了四軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)編寫(xiě)程序控制四軸步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位、直線(xiàn)、圓弧等插補(bǔ)的操作，具有循環(huán)、跳轉(zhuǎn)等功能。通過(guò)簡(jiǎn)單、清晰的參數(shù)設(shè)置與程序編寫(xiě)使得四軸步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方便和快捷。

2 四軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　運(yùn)動(dòng)控制器的軟件設(shè)計(jì)任務(wù)就是對(duì)DSP器件進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，DSP軟件是整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的一個(gè)組成部分。因此，首先必須作好運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件規(guī)劃，劃分各個(gè)功能模塊，才能設(shè)計(jì)在DSP上運(yùn)行的程序。

　　文中的控制系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3控制系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)

　　該軟件主要分為上位PC機(jī)端和下位DSP端軟件兩大層次。這兩層還可以細(xì)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(kuò)展。各層在統(tǒng)一定義的接口上向上一層提供服務(wù)。在實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程中，只需定義每層和其他相關(guān)層的接口，各層分另分實(shí)現(xiàn)自己的功能。而且針對(duì)不同的場(chǎng)合，將相應(yīng)層次稍加修改便可應(yīng)用，適應(yīng)性好，也便于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

　　上位PC機(jī)軟件先將各模塊的信息掃描，并通過(guò)傳感器導(dǎo)人軟件，用軟件提供的點(diǎn)、線(xiàn)、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(jìn)行排序，轉(zhuǎn)成G代碼，再將G代碼編譯成加工指令，發(fā)送給CNC2000數(shù)控卡完成整個(gè)加工過(guò)程。上位機(jī)軟件的難點(diǎn)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(gè)控制系統(tǒng)加工過(guò)程工作流程圖可簡(jiǎn)要表示成圖4所示。

圖4控制系統(tǒng)加工過(guò)程工作流程圖

　　文中研發(fā)的激光焊接加工機(jī)床所采用的軟件系統(tǒng)為CNC2000數(shù)控系統(tǒng)，此軟件系統(tǒng)基于聊ndows操作系統(tǒng)，采用DSP技術(shù)開(kāi)發(fā)，硬件采用PCI接口， 具有四軸聯(lián)動(dòng)功能，可在Win200、WinXP、windows98、WindowsMe或Windows95下運(yùn)行。

3 激光焊接加工機(jī)床的實(shí)例

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

圖5工件加工軌跡

　　程序編寫(xiě)完成后可先空運(yùn)行(試運(yùn)行)一下，看整個(gè)工作平臺(tái)是否按指定的要求工作，工件是否按給定的軌跡進(jìn)行加工。如一切正常，可直接運(yùn)行程序代碼，步進(jìn)電機(jī)會(huì)按指定的任務(wù)移動(dòng)工作平臺(tái)從而使得工件的焊接工作圓滿(mǎn)完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　介紹了一種激光焊接加工機(jī)床的四軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)激光焊接加工機(jī)床的特征，構(gòu)造了四軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)了CNC2000數(shù)控卡與四軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及四軸步進(jìn)電機(jī)的接線(xiàn)圖，并對(duì)此系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光焊接加工的過(guò)程。該控制系統(tǒng)可使得激光焦點(diǎn)位置控制與激光加工系統(tǒng)直線(xiàn)軸控制一體化，使光頭運(yùn)動(dòng)輕便靈活，具有操作靈活方便、可靠性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)。