運動控制在激光加工中的研究與應用

1 引言
       隨著光電子技術的飛速發展，激光加工技術應用范圍越來越廣泛，加工精度要求越來越高。體現激光材料加工的發展水平有三個方面的因素:第一是激光器技術，即應用于激光材料加工的激光器件技術；第二是激光設備加工的機械、控制系統等，即激光加工設備；第二是激光加工工藝水平。因為激光器技術己經是很成熟的技術，所以能否對激光設備進行有效的控制以及激光的加工藝水平成為激光加工技術應用的瓶頸。
       目前，國內專門生產激光加工設備的廠家很多，他們競爭已由激光器技術轉向對激光設備和加工工藝的有效控制，能否有效解決如下問題，三維圖形多軸聯動、高速激光掃描和快速推進引起的振動、掃描幅面大小和掃描精度、激光的同步掃描和往復掃描錯位、復雜算法和規則圖形插補問題等，己經成為競爭的關鍵。

2 基于OSP和FPGA的設計
        針對上述各種問題，本文設計了基于FPGA和DSP的運動控制板卡，在激光雕刻調試中，成功的解決了上述各種問題。

    2.1控制卡電路設計
        在控制卡中主要有DSP, FPGA兩個功能芯片，在DSP周圍擴展了多個FLASH和SRAM來存儲程序和數據，每兩個FLASH和SRAM可以共用一個片選信號CS，組成高低雙字32位數據總線進行讀寫，可以提高DSP與MEMORY的通信速度，同時為FPGA配置了一個EPROM來存儲下載的程序。連接DSP局部總線和PCI接口的芯片是PCI總線控制器(PCI橋)，它包含了一個128KBit的雙口共享存儲器，來實現DSP局部總線和PCI系統總線的數據交換，另外為其配置了一個EEPROM來存儲數據。本文提到的DSP和FPGA都是低能耗、低電壓操作，I/O信號電壓是3.3V,而內核電壓是I.8V,所以配置了能同時輸出3.3V和1.8V兩種電壓的電壓調整器。
        FPGA資源充足，性價比高，能現場重復多次編程，可以針對不同的小批量客戶的具體要求，靈活地修改設計。DSP具有高速浮點運算的能力，對S-曲線運動過程中的數據和一些插補算法，進行運算處理，擺脫對PC機的依賴，并把處理的數據實時地與FPGA通信。PCI接口使用比較普遍，總線資源豐富，通訊速度塊、尋址空問大。USB接門可實現脫機工作，不必為每塊板卡配置一臺PC機，工業現場使用方便，成本低，符合時代發展趨勢。

    2.2各種功能的實現
        由于本方案確定得當，在每一片FPGA芯片上可以實現四軸功能完全相同但彼此相互獨立的操作，能夠實現多軸聯動，對于平面圖形和三維圖形處理，可以采用兩軸和三軸聯動。在掃描中，基于開辟的KAM區，采用位圖象素控制，不僅解決了大幅面圖形的處理，而且實現了同步掃描中，提高了掃描精度，保證了圖像的雕刻質量。
        (1)采用S曲線實現平穩高速運動和快速推進。
        在高速往返運動和快速行推進過程中，如果不加技術處理，如梯形圖所示，在加速度很大的高速運動過程巾，就會出現振動、沖擊，圖形就會出現不規則的錯位，嚴重時就會出現類似波紋狀的變形。如果將加速度減小，則增速時間(t2-t1)就很大，由于加工區在高速段(F勻速段)，這樣就造成有效加工幅面減小。為了解決這個問題，在變速運動中采用S曲線，可以使運動在很短的時間里，由低速向高速或山高速向低速平緩地過渡。經過現場反復的實驗，在同一設備上，可以大大的提高工作效率和圖形的加工質量。

    (2)利用位圖象素控制，保證同步掃描和掃描精度。