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(duì)各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響。而近年來(lái)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(chǎng)上出現(xiàn)，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，市場(chǎng)需求量很大。由于該產(chǎn)品大部分是由國(guó)外進(jìn)口，其價(jià)格之高，令一般的國(guó)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(zhǎng)江匯眾企業(yè)發(fā)展有限公司的長(zhǎng)江激光雕刻機(jī)和北京開(kāi)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)" title="控制系統(tǒng)">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(guò)并口和步進(jìn)" title="步進(jìn)">步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)" title="步進(jìn)電機(jī)">步進(jìn)電機(jī)，從而達(dá)到控制工作臺(tái)(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(duì)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(gè)基本矢量。再利用插補(bǔ)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這三個(gè)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(shí)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(lái)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" title="最大">最大誤差不超過(guò)一個(gè)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(lái)說(shuō)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(dòng)點(diǎn))。若M在OA直線上，則根據(jù)相似三角形的關(guān)系有：
　　
　　取F_m＝Y(jié)_mX_e－X_mY_e作為直線插補(bǔ)的偏差判別式。
　　若F_m＝0，表明M點(diǎn)在直線OA上。
　　若F_m＞0，表明M點(diǎn)在直線OA上方的M′處。
　　若F_m＜0，表明M點(diǎn)在直線OA下方的M″處。
　　對(duì)于第一象限直線從起點(diǎn)(即坐標(biāo)原點(diǎn))出發(fā)、
　　若F_m＞＝0，沿＋X軸方向走一步。
　　若F_m＜＝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)(X_e、Y_e)相等時(shí)，發(fā)出到達(dá)終點(diǎn)信號(hào)，停止插補(bǔ)。設(shè)在某加工點(diǎn)出現(xiàn)有F_m＞＝0時(shí)，應(yīng)沿＋X方向進(jìn)給一步，走一步后的坐標(biāo)值為: X_m＋1＝X_m＋1、 Y_m＋1＝Y(jié)m
　　新的偏差為: F_m＋1＝Y(jié)_m＋1X_e－X_m＋1Y_e＝F_m－Y_e
　　若F_m＜＝0時(shí)，應(yīng)沿＋Y方向進(jìn)給一步，走一步后的坐標(biāo)值為: X_m＋1＝X_m、 Y_m＋1＝Y(jié)_m＋1
　　新的偏差為：F_m＋1＝Y(jié)_m＋1X_e－X_m＋1Y_e＝F_m＋X_e
　　上式為簡(jiǎn)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(duì)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(duì)電機(jī)運(yùn)行速度的控制
　　由于國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的最高啟動(dòng)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(huì)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(duì)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(shí)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(shí)，在電機(jī)的下一步應(yīng)使其時(shí)間為t－δt，其中δt是根據(jù)電機(jī)加速度計(jì)算出的時(shí)間減小量，其計(jì)算方式如下：
　　
　　其中l(wèi)為某段距離的長(zhǎng)度，δ為系統(tǒng)的分辨率即最小步進(jìn)距離，n為所走的總步數(shù)，tsum為所需走的總時(shí)間，t0為初始速度時(shí)每走一步所花費(fèi)的時(shí)間，t1為到達(dá)所要求走的距離時(shí)(即達(dá)到最大速度時(shí))每走一步所花費(fèi)的時(shí)間，根據(jù)具體的要求我們可以計(jì)算出以上各式的值。
　　在基于PC機(jī)的控制系統(tǒng)中，一個(gè)很重要的問(wèn)題就是如何獲得對(duì)時(shí)間的精確控制。在windows操作系統(tǒng)中、系統(tǒng)所提供的時(shí)間函數(shù)只能達(dá)到毫秒級(jí)的精度，很難達(dá)到微秒級(jí)的控制精度。對(duì)于不同配置的PC機(jī)，執(zhí)行相同的語(yǔ)句其時(shí)間也不會(huì)相同。為此我們利用系統(tǒng)提供的GetTickCount()函數(shù)，用包括＿nop語(yǔ)句的循環(huán)來(lái)達(dá)到微秒級(jí)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(yǔ)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＋＋;
　　　　?。遖sm{nop}
　　　　}
　　　　dwStop ＝ GetTickCount();
　　　　nLoopSeed ＋＝ 100000;
　　　}while ( dwStop － dwStart ＜ 50 );
　　　m＿dwLoopCounter1 ＝ 0;
　　　dwStart＝GetTickCount();
　　　for(int i＝0; i＜nLoopSeed;i＋＋)
　　　{
　　　　m＿dwLoopCounter1＋＋;
　　　?。遖sm{nop}
　　　}
　　　dwStop ＝ GetTickCount();
　　?。亢撩氲难h(huán)數(shù)
　　　m＿dwLoopCounter1＝m＿dwLoopCounter1／(dwStop－dwStart);
　　?。课⒚氲难h(huán)數(shù)
　　　m＿nLoopCountPerMicroSecond＝(int)m＿dwLoop
　　　Counter 1／1000;
　　}
　　實(shí)現(xiàn)固定時(shí)間的延時(shí)：
　　void CMicroSecond::MicroDelay( int uSec )
　　{
　　　n＝0;
　　　for(int i＝0;i＜uSec*m＿nLoopCountPerMicroSecond;i＋＋)
　　　{
　　　　n＋＋;
　　　　＿asm{nop}
　　　}
　　}
　　由于賦值語(yǔ)句、for語(yǔ)句、函數(shù)的調(diào)用等要消耗時(shí)間，因此所得到的時(shí)間也并不是非常精確的時(shí)間。但對(duì)于一般的PC機(jī)來(lái)說(shuō)完全可以達(dá)到幾十微妙的精度，而對(duì)于一般的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)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(guò)計(jì)算機(jī)的并口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)口，常用的是三個(gè)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(gè)并口包括了三個(gè)口地址(其中第一個(gè)為基地址)，是因?yàn)橐粋€(gè)并口具有數(shù)據(jù)口狀態(tài)口和控制口的緣故。不過(guò)值得注意的是，最好不要直接用上述口的地址去讀寫(xiě)并口，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中很少有三個(gè)并行口都同時(shí)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(duì)某一并口地址進(jìn)行操作，萬(wàn)一PC機(jī)上的并口適配器用的不是這個(gè)口地址那就要出錯(cuò)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(gè)字是被設(shè)計(jì)用來(lái)存放上述三個(gè)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(gè)字中的基地址是在PC機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際存在的并行口地址存放的，使用它們來(lái)讀寫(xiě)并行口就不會(huì)出錯(cuò)，所以在使用時(shí)一定要通過(guò)檢查這三個(gè)字來(lái)得到并行口的基地址。在對(duì)并口的讀寫(xiě)操作用到的語(yǔ)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(guò)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，我們將對(duì)基本矢量元素的控制都封裝在了一個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)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(guò)PC機(jī)并口實(shí)現(xiàn)對(duì)激光雕刻機(jī)控制的方法簡(jiǎn)單而且易于實(shí)現(xiàn)，可以大大的縮短開(kāi)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(gè)商用化的產(chǎn)品了。