林 琳， 梅 莉， 葉曉燕

（1.電子科技大學(xué)計算機學(xué)院，四川 成都 610054；2.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，新疆 克拉瑪依 833600）

1 引 言

近年來隨著激光加工技術(shù)的興起，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)品在市場上得到了廣泛應(yīng)用。激光雕刻技術(shù)是近二十幾年隨著激光技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的雕刻技術(shù)，它與計算機圖形學(xué)、圖像處理等學(xué)科相結(jié)合，應(yīng)用在各種材料上進行文字、圖案加工[1]。

由文獻[2]可知，目前市場上的激光雕刻機主要是由計算機控制，需要插上運動控制卡，這種系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性完全依賴于計算機，而且開發(fā)成本較高，同時也增加了用戶的維護難度。由文獻[3]可知，用于激光雕刻的灰度圖像大多是只有兩個灰度級別的二值圖像，這種圖像由于灰度級別太低，無法滿足那些想要獲得高質(zhì)量激光雕刻圖像的客戶的需求。

該文設(shè)計的激光雕刻機控制系統(tǒng)，是基于Windows CE.NET 5.0操作系統(tǒng)平臺，并利用32位ARM9處理器與FPGA作為控制器核心，由ARM9負責(zé)速度控制，F(xiàn)PGA完成軌跡控制。根據(jù)激光雕刻的特點，設(shè)計了調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)激光器輸出功率的大小，并創(chuàng)建一個映射表來反映加工速度和調(diào)節(jié)電路的模擬輸出信號的關(guān)系。針對高速激光雕刻機，為了防止引起傳動系統(tǒng)振動，并確保電機升降速平穩(wěn)且連續(xù)，應(yīng)用了一種改進型的S曲線加減速控制方法，提高了激光雕刻的加工效率，對加工質(zhì)量也有所改善。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。虛線框內(nèi)為控制器的核心部分，硬件主要由以下6個部分組成。

2.1 ARM9

采用S3C2440，在它之上移植了Windows CE操作系統(tǒng)，完成以下功能：界面顯示，與上位機通信，對控制鍵盤輸入的控制命令做相應(yīng)的處理，對CCD攝像頭拍攝的圖像進行圖像處理并以NC代碼格式存儲到U盤中，還要對雕刻數(shù)據(jù)（存儲在U盤中）讀取、解釋、預(yù)處理和計算，將計算結(jié)果傳遞給FPGA，與FPGA協(xié)同工作。PC機作為系統(tǒng)開發(fā)的上位機，向ARM9下載控制程序。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

2.2 FPGA

采用Altera公司 Cyclone系列EP1C6T144C8，負責(zé)接收ARM9發(fā)出的數(shù)據(jù)，進行軌跡插補和延時運算，計算出控制步進電機的脈沖數(shù)和延時時間，最終完成對X-Y步進電機的控制，并通過調(diào)節(jié)電路完成對CO2激光器輸出功率的控制。

2.3 調(diào)節(jié)電路

使用一路0～5V的模擬電壓信號來控制激光器輸出功率的大小。根據(jù)映射表，模擬電壓信號必須隨著加工速度的改變及時調(diào)整。

2.4 人機交互模塊

人機交互模塊主要包括LCD和鍵盤。幾乎所有的雕刻信息都實時顯示在LCD上，系統(tǒng)參數(shù)和用戶參數(shù)可以通過鍵盤設(shè)置，操作指令也是通過鍵盤輸入的，鍵盤控制功能是由89C51系統(tǒng)完成的。

2.5 CCD攝像頭

采集圖像作為激光雕刻原始數(shù)據(jù)的來源之一，也可以對整個加工過程進行實時圖像采集，便于用戶實時監(jiān)管，從而實現(xiàn)實時安全的雕刻。

2.6 過橋板

控制器與步進電機驅(qū)動器、位置傳感器以及輔助設(shè)備（如吹氣、冷卻等設(shè)備）等的接口板。將控制器與電機驅(qū)動器以及步進電機相連，便搭建了X-Y步進電機的運動控制平臺。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

該設(shè)計以實時操作系統(tǒng)Windows CE.NET 5.0為軟件開發(fā)平臺。Windows CE.NET 5.0具有搶占式多任務(wù)管理調(diào)度機制（如優(yōu)先級搶占調(diào)度、時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等），它通過多線程技術(shù)實現(xiàn)對多任務(wù)的并發(fā)處理[4]。

控制軟件的功能模塊主要包括用戶界面模塊、雕刻文件讀取模塊、上位機通信模塊、加工預(yù)處理模塊、系統(tǒng)監(jiān)視模塊、鍵盤指令處理模塊和插補數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等，它們構(gòu)成了系統(tǒng)的多任務(wù)。

控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了提高系統(tǒng)的性能，將強實時性任務(wù)放在操作系統(tǒng)的內(nèi)核模式中運行，用硬件中斷實現(xiàn)，可以及時響應(yīng)，而將弱實時性任務(wù)放在操作系統(tǒng)的用戶模式中運行，從而達到多任務(wù)并發(fā)處理的目的。各線程的優(yōu)先級和時間片應(yīng)根據(jù)任務(wù)的特點和系統(tǒng)的需要合理地進行設(shè)置。

圖2 軟件體系結(jié)構(gòu)

3.2 雕刻控制

雕刻控制模塊是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。雕刻控制主要步驟如下：

（1）ARM9讀取U盤中的NC加工代碼，經(jīng)過解釋（提取命令控制字和獲取各軸的相對位移），將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)存儲到緩沖區(qū)里。

（2）讀取緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)設(shè)置好的系統(tǒng)參數(shù)，對一條曲線M（以較高速度運行而不失步的最大數(shù)目的連續(xù)線條的集合）進行預(yù)處理，計算出該曲線在X軸和Y軸上投影的走線信息，并確定各軸的速度表和加速度表。

（3）判斷當(dāng)前線段是否處于勻速段，根據(jù)不同情況作相應(yīng)的處理，然后向FPGA發(fā)送送數(shù)請求。若請求通過，那么將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA；若請求沒有響應(yīng)，那么阻塞加工預(yù)處理線程，直到FPGA請求送數(shù)才將其喚醒。

（4）FPGA根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行插補運算和延時計算，改變調(diào)節(jié)電路的輸入信號，從而控制激光器的輸出功率，最終實現(xiàn)X-Y步進電機的速度控制和軌跡控制，并雕刻出多灰度等級的圖像。

綜上所述，雕刻控制程序的流程圖如圖3所示。

圖3 雕刻控制程序流程圖

3.3 X-Y步進電機的升降速控制

步進電機的升降速控制主要方法有[5-8]：

（1）直線加減速。勻升降速快速性較好，但由于速度呈線性上升或下降規(guī)律，不完全符合步進電機的速度變化規(guī)律，所以這種加減速控制方法效果不是十分理想。

（2）指數(shù)加減速。這種控制方法符合步進電機的轉(zhuǎn)矩-頻率特性，升降速過程快速而平穩(wěn)，但當(dāng)速度變化較大時平衡性較差，一般適用于跟蹤響應(yīng)要求較高的切削加工中。

（3）S曲線加減速。S曲線加減速規(guī)劃是指在加減速時，使其加速度的導(dǎo)數(shù)為常數(shù)，對給定速度進行規(guī)劃并分段處理加減速過程，主要適用于對升降速平穩(wěn)性要求高的系統(tǒng)中。

直線加減速和指數(shù)加減速在啟動和加減速結(jié)束時存在加速度突變，會產(chǎn)生機械沖擊，因而不適合用于高速激光雕刻系統(tǒng)。而傳統(tǒng)S曲線加減速將加減速過程分為7個階段，這雖然保證了加速度和速度的連續(xù)變化，但程序?qū)崿F(xiàn)起來較復(fù)雜。

該文應(yīng)用一種改進型S曲線加減速方式，不但實現(xiàn)了無失步的高速高精度激光雕刻，而且實施簡單，便于根據(jù)系統(tǒng)的需要及性能調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)。如圖4所示，改進型S曲線加減速方式就是將傳統(tǒng)S曲線加減速簡化為5個階段，即加加速、減加速、勻速、加減速和減減速階段[9]。νo為起跳速度，νset為設(shè)定的最大速度，aset為設(shè)定的最大加速度，T1至T5分別為各階段的運行時間。假設(shè)整個過程加加速度J為恒定值，而且經(jīng)過減速后，速度回落至起跳速度νo，要滿足始末加速度都為零，容易得出：

由于 aset＝JTs，可知：

這樣只要根據(jù)νset和J（或aset）這兩個系統(tǒng)參數(shù)便可以確定加速與減速曲線，其中νset反映了系統(tǒng)的最大運行能力，aset反映了系統(tǒng)的最大升降速能力，J反映了系統(tǒng)的柔性。

圖4 改進型S曲線加減速

按上述假設(shè)，可依次得出加加速度J、加速度a、速度ν以及位移s的計算公式如下：

其中：t1=Ts，t2=2Ts，t3=2Ts+T3，t4=3Ts+T3，t5=4Ts+T3。

上述分析為曲線M的長度L較大時的情況，速度能夠達到設(shè)定的最大速度νset，加速段與減速段之間有一段勻速過程。

加速段或減速段的運行時間Ta=2Ts。由式（5）可得到加速段或減速段的長度：

將式（1）代入可得：

勻速段的運行時間為T3＝（L－2Sa）/νset，將式（6）代入可得：

當(dāng)曲線M的長度L小于2Sa時，速度無法達到νset，加速度也達不到aset，加速段與減速段之間也沒有勻速過程，速度與加速度曲線如圖5所示。顯然，加速段與減速段各占 L/2，即 Sa＝2νoTs+JTs3＝L/2，可得：

能達到的最大速度和最大加速度分別為amax=JTs，νmax=νo+JTs2，將式（8）代入即可求得。

由于νset、aset與J等系統(tǒng)參數(shù)之前已經(jīng)選取，所以只需從數(shù)據(jù)中獲取當(dāng)前曲線的長度L，由式（6）～式（8）就可以確定該曲線對應(yīng)的加速度和速度曲線。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)硬件上以ARM9與FPGA為核心，軟件上以Windows CE操作系統(tǒng)為平臺，大幅降低系統(tǒng)的硬件成本。改進的S曲線加減速控制算法可充分利用傳動系統(tǒng)驅(qū)動能力，同時降低系統(tǒng)失步的幾率。實驗表明，上述控制系統(tǒng)在當(dāng)脈沖當(dāng)量為0.025mm，起跳頻率為100Hz，起跳速度νo為2.5mm/s時，最大雕刻速度νset為200mm/s，加加速度J為400mm/s3。通過插補算法控制的雕刻加工，雕刻質(zhì)量良好，可反映原始圖形的細節(jié)與層次信息，同時雕刻加工穩(wěn)定性有較大提高。

圖5 曲線M長度較小時的加減速過程

[1]高曉麗，侯藍田.激光雕刻中圖像處理的二值化處理[J].激光雜志，2004（4）：76-78.

[2] 于政濤，林喜榮，周云龍，等.基于微機的激光雕刻機控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2000（12）：9-11.

[3]王 偉.激光圖形切雕系統(tǒng)智能化應(yīng)用研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[4] 王治森，高 鍔，張 勇，等.基于Windows CE的開放式CNC 系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化，2001（9）：1-3.

[5]劉艷霞，桑兆輝.基于ARM芯片S3C4510的步進電機加減速控制[J].機床與液壓，2007，25（7）：180-181.

[6]王玉琳，王 強.步進電機的速度調(diào)節(jié)方法[J].電機與控制應(yīng)用，2006，33（1）：53-56.

[7] 洪美娟，劉金龍，王永勝，等.基于VB6.0和串口無線通信的直流電機控制[J].電機與控制應(yīng)用，2007，34（3）：35-38.

[8] Cui J，Chu ZH Y.An improved approach for the acceleration and deceleration of industrial robots and C NC machine tools[D]∥IEEE International Conference.2005：1269-1273.

[9]李曉輝，鄔義杰，冷洪濱.S曲線加減速控制新方法的研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2007（10）：50-53.