高速激光雕刻機嵌入式控制系統開發

林 琳， 梅 莉， 葉曉燕

（1.電子科技大學計算機學院，四川 成都 610054；2.克拉瑪依職業技術學院電子電氣工程系，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、算相結合的高科技產品在市場上得到了廣泛應用。激光雕刻技術是近二十幾年隨著激光技術的發展而產生的一種新的雕刻技術，它與計算機圖形學、圖像處理等學科相結合，應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，這種系統的穩定性和可靠性完全依賴于計算機，而且開發成本較高，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量激光雕刻圖像的客戶的需求。

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

2 系統硬件設計

系統硬件構成如圖1所示。虛線框內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，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，還要對雕刻數據（存儲在U盤中）讀取、解釋、預處理和計算，將計算結果傳遞給FPGA，與FPGA協同工作。PC機作為系統開發的上位機，向ARM9下載控制程序。

圖1 系統硬件設計框圖

2.2 FPGA

采用Altera公司 Cyclone系列EP1C6T144C8，負責接收ARM9發出的數據，進行軌跡插補和延時運算，計算出控制步進電機的脈沖數和延時時間，最終完成對X-Y步進電機的控制，并通過調節電路完成對CO2激光器輸出功率的控制。

2.3 調節電路

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。根據映射表，模擬電壓信號必須隨著加工速度的改變及時調整。

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，系統參數和用戶參數可以通過鍵盤設置，操作指令也是通過鍵盤輸入的，鍵盤控制功能是由89C51系統完成的。

2.5 CCD攝像頭

采集圖像作為激光雕刻原始數據的來源之一，也可以對整個加工過程進行實時圖像采集，便于用戶實時監管，從而實現實時安全的雕刻。

2.6 過橋板

控制器與步進電機驅動器、位置傳感器以及輔助設備（如吹氣、冷卻等設備）等的接口板。將控制器與電機驅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 系統軟件的設計

3.1 軟件體系結構

該設計以實時操作系統Windows CE.NET 5.0為軟件開發平臺。Windows CE.NET 5.0具有搶占式多任務管理調度機制（如優先級搶占調度、時間片輪轉調度等），它通過多線程技術實現對多任務的并發處理[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、加工預處理模塊、系統監視模塊、鍵盤指令處理模塊和插補數據發送模塊等，它們構成了系統的多任務。

控制系統軟件體系結構如圖2所示。為了提高系統的性能，將強實時性任務放在操作系統的內核模式中運行，用硬件中斷實現，可以及時響應，而將弱實時性任務放在操作系統的用戶模式中運行，從而達到多任務并發處理的目的。各線程的優先級和時間片應根據任務的特點和系統的需要合理地進行設置。

圖2 軟件體系結構

3.2 雕刻控制

雕刻控制模塊是控制系統的關鍵組成之一。雕刻控制主要步驟如下：

（1）ARM9讀取U盤中的NC加工代碼，經過解釋（提取命令控制字和獲取各軸的相對位移），將轉化后的數據存儲到緩沖區里。

（2）讀取緩沖區里的數據，然后根據設置好的系統參數，對一條曲線M（以較高速度運行而不失步的最大數目的連續線條的集合）進行預處理，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）判斷當前線段是否處于勻速段，根據不同情況作相應的處理，然后向FPGA發送送數請求。若請求通過，那么將處理后的數據發送給FPGA；若請求沒有響應，那么阻塞加工預處理線程，直到FPGA請求送數才將其喚醒。

（4）FPGA根據接收到的數據進行插補運算和延時計算，改變調節電路的輸入信號，從而控制激光器的輸出功率，最終實現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律，不完全符合步進電機的速度變化規律，所以這種加減速控制方法效果不是十分理想。

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

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

直線加減速和指數加減速在啟動和加減速結束時存在加速度突變，會產生機械沖擊，因而不適合用于高速激光雕刻系統。而傳統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變化，但程序實現起來較復雜。

該文應用一種改進型S曲線加減速方式，不但實現了無失步的高速高精度激光雕刻，而且實施簡單，便于根據系統的需要及性能調節系統參數。如圖4所示，改進型S曲線加減速方式就是將傳統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為設定的最大速度，aset為設定的最大加速度，T1至T5分別為各階段的運行時間。假設整個過程加加速度J為恒定值，而且經過減速后，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νset和J（或aset）這兩個系統參數便可以確定加速與減速曲線，其中νset反映了系統的最大運行能力，aset反映了系統的最大升降速能力，J反映了系統的柔性。

圖4 改進型S曲線加減速

按上述假設，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等系統參數之前已經選取，所以只需從數據中獲取當前曲線的長度L，由式（6）～式（8）就可以確定該曲線對應的加速度和速度曲線。

4 結束語

該系統硬件上以ARM9與FPGA為核心，軟件上以Windows CE操作系統為平臺，大幅降低系統的硬件成本。改進的S曲線加減速控制算法可充分利用傳動系統驅動能力，同時降低系統失步的幾率。實驗表明，上述控制系統在當脈沖當量為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，雕刻質量良好，可反映原始圖形的細節與層次信息，同時雕刻加工穩定性有較大提高。

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設計[J].電子技術應用，2000（12）：9-11.

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

[4] 王治森，高 鍔，張 勇，等.基于Windows CE的開放式CNC 系統研究[J].制造業自動化，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.步進電機的速度調節方法[J].電機與控制應用，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，2007（10）：50-53.