一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡及控制方法
2023-05-29 02:41:26
專利名稱：一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡及控制方法
技術領域：
本發明涉及雷射微加工領域，特指一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡和控制方法。
背景技術：
摩擦學理論研究及工程應用均表明，摩擦副表面存在與其潤滑性能要求優化匹配的理想微觀結構形貌。為了實現對這種摩擦副表面微觀形貌的加工，相繼出現了諸多微加工技術，而其中，雷射微加工技術以其優異的特點，備受歡迎。
聲光調Q技術是雷射微加工領域中獲得單個雷射脈衝輸出的重要技術手段，是指雷射調Q驅動器受到外部控制信號的驅動後，提供一定頻率的射頻功率驅動聲光Q開關，同時又用調製的方式使偏轉光束的作用快速消失，進而達到開關雷射的目的。那麼，一種符合要求、有序的外部控制信號可以實現單個雷射脈衝有規律的關斷與輸出。
經過對現有的技術文獻檢索發現，中國申請號為200610039758. 1，公開號為CN 1857843A的專利「一種雷射表面微造型方法」給出了「單脈衝同點間隔多次」的雷射加工新工藝。該發明提出，雷射器脈衝發出時間和工件旋轉時間耦合，即在兩個或多個雷射脈衝的間隔時間內正好走過工件上兩個加工點之間的距離，實現在工件表面規定位置上的單個雷射脈衝輸出，這種加工工藝最大程度上減小了雷射加工帶來的熱負面效應。中國申請號為200610040199. 6，公開號為CN 1857844A的專利「摩擦副零件表面形貌的雷射微造型方法及設備」給出了在典型摩擦副零件上微造型的方法及專用設備。該專利提出運用編碼器計數卡對安裝在旋轉工作檯主軸上的增量式旋轉編碼器的反饋脈衝進行計數處理，輸出調 Q開關控制信號給雷射調Q驅動器，控制單個雷射脈衝在工件加工表面規定位置上的輸出， 最終實現「單脈衝同點間隔多次」加工工藝。但是，此專利沒有公開實現單個雷射脈衝在規定位置上輸出的編碼器計數卡的技術方案。
因此，在雷射微加工領域中，如何運用聲光調Q技術使外部運動系統與單個雷射脈衝輸出協調聯動起來是實現「單脈衝同點間隔多次」加工工藝，提高表面加工質量的關鍵所在；而對反映外部運動系統實時位置的外部運動反饋元件脈衝信號進行有目的的處理， 獲得雷射調Q驅動器外部有序的控制信號即是整個技術的靈魂。發明內容
本發明的目的是提出了一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡，使其以單片機和 CPLD (複雜可編程邏輯器件)為核心，運用聲光調Q技術使外部運動系統與單個雷射脈衝輸出協調聯動起來，實現單個雷射脈衝在工件加工表面規定位置的精確輸出。
本發明的另一目的是提供一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制方法，通過對外部運動反饋元件產生的脈衝信號進行四倍頻、計數、分頻處理後，輸出用戶所需頻率、脈寬的控制信號給雷射調Q驅動器，實現「單脈衝同點間隔多次」的加工工藝。
本發明的技術方案是一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡，包括單片機單元、CPLD單元、PC104 ISA總線接口、外部脈衝輸入處理單元和控制信號輸出處理單元；外部運動反饋元件輸出的脈衝信號經過所述外部脈衝輸入處理單元與所述CPLD單元連接，所述單片機單元通過所述CPLD單元和PC104 ISA總線接口與上位工控機連接；所述單片機單元輸出的控制信號通過所述控制信號輸出處理單元與雷射調Q驅動器連接；所述CPLD單元上輸出的通用信號通過所述控制信號輸出處理單元與外部控制電路連接；所述單片機單元通過所述CPLD單元與上位工控機進行數據交互，所述單片機單元接收經CPLD預處理後的外部脈衝信號，進行計數、分頻處理，輸出用戶所需頻率、脈寬的控制信號，通過控制信號輸出處理單元對雷射調Q驅動器進行控制；所述CPLD單元對所述外部脈衝輸入處理單元傳輸過來的外部運動反饋元件脈衝信號進行脈衝選擇和四倍頻處理，所述CPLD單元還用於實現所述單片機和PC104 ISA總線接口之間的高速並行通信；所述外部脈衝輸入處理單元用於將外部運動反饋元件的脈衝信號進行光電隔離後傳輸給CPLD單元；所述控制信號輸出處理單元用於將所述單片機輸出的控制信號進行光電隔離、驅動放大後傳送給雷射調Q驅動器，所述控制信號輸出處理單元負責將所述CPLD單元I/O埠的六個通用輸出信號進行光電隔離、驅動放大後傳送給外部控制電路。
進一步，所述高速並行通信的實現步驟是所述CPLD單元將PC104 ISA總線接口上的11位地址總線信號進行解碼後與PC104 ISA總線接口上的寫信號組成鎖存器所需時鐘信號，並通過PC104 ISA總線接口上的8位數據總線將上位工控機的數據鎖存在CPLD內部，以供單片機單元來讀取；所述CPLD單元將PC104 ISA總線接口上的11位地址總線信號進行解碼後與PC104 ISA總線接口上的讀信號組成緩衝器所需時鐘信號，並通過單片機單元上的8位數據總線將單片機單元的程序運行數據存儲在CPLD內部緩衝器中，供PC104 ISA總線接口來查詢。
進一步，所述CPLD單元傳送給單片機單元的脈衝信號作為單片機內部一個定時/ 計數器的外部時鐘源，所述定時/計數器用於比較器，用於實現脈衝計數、分頻功能；所述單片機內部的另一個定時/計數器用作定時器、產生溢出中斷，用於實現輸出可控脈寬的控制信號。
進一步，還包括輔助系統單元，所述輔助系統單元包括復位單元和外部時鐘單元； 所述復位單元用於控制卡進行復位，所述外部時鐘單元用於為所述單片機單元和CPLD單元提供輸入時鐘。
進一步，所述外部運動反饋元件是增量式旋轉編碼器和直線光柵尺。
一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制方法，包括以下步驟1)上位工控機的指令經由PC104ISA總線接口和CPLD單元傳送給單片機單元；2)所述CPLD單元接收外部脈衝輸入處理單元輸入的外部運動反饋元件的脈衝信號， 進行脈衝選擇、四倍頻處理後傳送給單片機單元；3)所述單片機單元根據用戶指令，運用其內部定時/計數器所產生的軟體中斷，對經所述CPLD單元傳輸的脈衝信號進行計數、分頻處理，輸出用戶所需頻率和脈寬的控制信號；4)所述控制信號經過控制信號輸出處理單元傳遞給雷射調Q驅動器。
本發明的有益效果是用嵌入式單片機，與傳統的51單片機相比，其性能更為優越，並且內部包含了上電復位、脈寬調製、內部電源等多種功能；採用CPLD技術對硬體地址進行解碼規劃，保證了充足的硬體地址，而且CPLD可以代替傳統的電路，完成所需邏輯運算功能，縮小了雷射脈衝控制卡的面積，降低了板卡的製作成本，而且提高了系統的穩定性；在實現與上位工控機實時通信的同時，對反映外部運動系統實時位置的反饋脈衝信號進行實時的處理，輸出所需控制信號給雷射調Q驅動器，結合聲光調Q技術，使外部運動系統與單個雷射脈衝輸出協調聯合起來，最終成功實現單個雷射脈衝在工件加工表面規定位置的精確輸出。
圖1為本發明的系統結構框圖； 圖2為本發明的工作原理圖；圖3為所述的CPLD單元脈衝選擇功能原理圖； 圖4為所述的CPLD單元四倍頻功能原理圖； 圖5為所述的單片機單元實現控制信號輸出原理圖； 圖6為所述的單片機單元實現控制信號輸出過程圖； 圖7為所述的控制信號輸出處理單元的結構示意圖； 圖8為本發明的運動控制流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不止限於下述的實施例。
如圖1所示，所述的一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡包括單片機單元、 CPLD單元、PC104 ISA總線接口、外部脈衝輸入處理單元、控制信號輸出處理單元、輔助系統單元，其中單片機單元分別與CPLD單元、控制信號輸出處理單元、輔助系統單元相連；CPLD單元分別與PC104 ISA總線接口、單片機單元、外部脈衝輸入處理單元、控制信號輸出處理單元、 輔助系統單元相連；整個控制卡通過PC104 ISA總線接口與上位工控機相連；外部運動反饋元件輸出的脈衝信號通過外部脈衝輸入處理單元進入CPLD單元，單片機單元上輸出的控制信號及CPLD單元上輸出的通用信號通過控制信號輸出處理單元與雷射調Q驅動器和外部控制電路連接。
單片機單元採用ATMEL公司生產的型號為ATMEGAU8的晶片，通過CPLD單元經由 PC104 ISA總線接口與上位工控機進行數據交互；單片機內部的Flash存儲器以及數據存儲器，分別負責儲存系統程序和程序運行數據；單片機單元接收經CPLD單元預處理後的外部運動反饋元件脈衝信號，並對其進行計數、分頻處理，最終輸出所需頻率、脈寬的控制信號。
CPLD單元為一塊ALTERA公司生產的型號為EPM7U8SLC84-15N的晶片，其大部分I/O引腳與PC104 ISA總線接口、單片機I/O引腳及外部運動反饋元件輸出的脈衝信號相連。CPLD單元根據其內部的邏輯運算功能實現單片機單元與PC104 ISA總線接口的高速並行通信；CPLD單元還處理外部運動系統輸入的增量式旋轉編碼器和直線光柵尺的脈衝信號，並最終傳輸給單片機單元；CPLD單元上有六個通用信號輸出，用於控制外部電路。
PC104 ISA總線接口負責整個控制板卡與上位工控機的數據交互，上位工控機的數據通過PC104 ISA總線接口進入CPLD單元，再進入單片機；如果單片機向上位工控機傳輸數據，數據則經由CPLD單元和PC104 ISA總線接口反饋到上位工控機。
系統輔助單元主要維持單片機單元和CPLD單元的正常工作，包括復位單元、外部時鐘單元、JTAG接口單元。其中復位單元是在控制卡剛上電或者是上位工控機給控制卡復位命令時，對控制卡進行復位；外部時鐘單元是通過外部時鐘振蕩電路為單片機單元和CPLD單元提供輸入時鐘JTAG (聯合測試行動小組標準)接口單元是實現單片機單元的 ISP (In-System Programmable，在線編程)功能，快速實現對單片機內部程序的擦寫。
如圖2所示，所述CPLD單元實現單片機單元與PC104 ISA總線接口的高速並行通信中，PC104 ISA總線接口用到8位數據總線D
；11位地址總線A以及讀寫信號I0R、I0W。在單片機單元部分，用到I/O埠 PAW-5]、PCW-7]、PEW-7]以及外部中斷 INTO，其中I/O埠 PA
和PCW-7]定義為輸入，I/O埠 PE
定義為輸出。CPLD 單元實現單片機單元與PC104 ISA總線接口的高速並行通信的內部邏輯運算功能相當於鎖存器(74377A)和緩衝器(74244)，CPLD單元將PC104 ISA總線接口上的11位地址總線信號進行解碼後與PC104 ISA總線接口上的寫信號組成鎖存器2 (74377A)所需時鐘信號， 通過PC104 ISA總線接口上的8位數據總線將上位工控機用戶指令地址鎖存在鎖存器2 (74377A)的低四位，而不同地址所對應的數據內容則寫入到鎖存器3 (74377A)中，以供單片機單元來讀取；CPLD單元將PC104 ISA總線接口上的11位地址總線信號進行解碼後與 PC104 ISA總線接口上的讀信號組成緩衝器(74244)所需時鐘信號，通過單片機單元上的8 位數據總線將單片機單元的數據存儲在緩衝器(74244)中，以供PC104 ISA總線接口查詢。
單片機單元與PC104 ISA總線接口雙方的通信實時性較強，數據量不大，單片機單元採用中斷的方式來接收數據。鎖存器2 (74377A)輸出的高兩位信號中的一位信號輸出給單片機單元的外部中斷INTO，此中斷為寫數據中斷。當中斷0為有效信號時，單片機單元就會讀取鎖存在CPLD單元內部的數據，將其寫入單片機單元中。CPLD單元將PC104 ISA 總線接口上的11位地址總線信號進行解碼後與PC104 ISA總線接口上的寫信號組成鎖存器1 (74377A)所需時鐘信號，通過PC104 ISA總線接口上的8位數據總線將上位工控機用戶數據指令地址鎖存在鎖存器1 (74377A)中，鎖存器1 (74377A)輸出信號的低六位實現 CPLD單元的六個通用信號輸出。
如圖2所示，所述的CPLD單元的外部脈衝信號處理功能包括脈衝選擇和脈衝信號四倍頻。CPLD單元內部鎖存器1 (74377A)輸出的高兩位信號經過CPLD單元內部2_4解碼器解碼後，形成控制信號時序1、控制信號時序2、控制信號時序3及控制信號時序4，此四路控制信號時序分別與外部運動反饋元件脈衝信號的A相信號進行相與，再經過或門後實現脈衝選擇功能。如圖3所示為A相脈衝信號選擇示意圖，B相脈衝信號選擇原理也是如此。 根據外部運動反饋元件輸出脈衝信號的特點(A、B兩相信號的相位差為90° )，CPLD單元採用異或實現脈衝信號四倍頻功能，如圖4所示為脈衝信號四倍頻功能示意圖，外部運動反饋元件的A、B兩相信號經過兩個正觸發雙D觸發器(7474)和三個異或門後，輸出四倍頻脈衝信號。外部運動反饋元件產生的脈衝信號進入CPLD單元，經過脈衝選擇電路後進入四倍頻電路，並最終輸出一路脈衝信號給單片機單元，此一路脈衝信號實時反映外部運動系統位置的變化。
如圖5所示，所述單片機單元使用內部16位定時/計數器1和16位定時/計數器3 來實現一定頻率、脈寬控制信號的輸出，所用到單片機的I/O引腳有PD6(T1)和PB5(0C1A)， 其中PD6 (Tl)為16位定時/計數器1的計數輸入源；PB5 (OClA)為16位定時/計數器1輸出比較模塊的輸出。CPLD單元傳送過來的脈衝信號連接單片機I/O埠 PD6 (Tl)，作為16 位定時/計數器1的外部時鐘源。如圖6所示，單片機單元實現所需控制信號輸出的過程是這樣的單片機單元接收CPLD單元傳送過來的脈衝信號，剛開始把PB5埠設置為低電平，單片機單元內部輸出比較寄存器持續與定時/計數器1的數據寄存器的計數值作比較， 當兩者相匹配時，產生一個比較匹配中斷，此比較匹配中斷請求所需要處理的事件是將PB5 輸出埠設置為高電平，使能定時/計數器3的溢出中斷並切換到下一次對脈衝信號的計數、分頻準備。當PB5埠被設置為高電平並且使能了定時/計數器3的溢出中斷後，定時 /計數器3的寄存器計數值溢出後，就會產生一個溢出中斷，此溢出中斷請求需要處理的事件就是將PB5埠設置為低電平，那麼在輸出控制信號高電平期間就會起到所需的定時功能。根據輸出控制信號頻率和脈寬的要求，設定定時/計數器1的輸出比較寄存器的值和定時/計數器3數據寄存器的計數值，重複上述的過程就可以在PB5埠輸出一定頻率、脈寬可調的控制信號。
外部脈衝輸入處理單元將外部輸入的增量式旋轉編碼器和直線光柵尺的脈衝信號經過光電隔離輸出電路後傳送給CPLD單元，所述的光電隔離輸出電路採用光耦元件 6N135。
如圖7所示，控制信號輸出處理單元將單片機PB5埠輸出的控制信號及CPLD單元上輸出的六個通用信號經過光電隔離輸出電路、驅動放大電路後傳輸給雷射調Q驅動器和外部控制電路，所述的光電隔離輸出電路採用光耦元件6W35和TLP521，所述的驅動放大電路採用MC1413驅動放大晶片。
如圖8所示，本實施例工作時，上位工控機的數據及工作指令經由PC104 ISA總線接口，通過CPLD單元傳送給單片機單元；單片機單元的程序運行數據實時的通過CPLD單元，經由PC104 ISA總線接口反饋給上位工控機。CPLD單元接收反映外部運動系統實時位置的外部運動反饋元件(增量式旋轉編碼器和直線光柵尺)的脈衝信號，並對其進行脈衝選擇、四倍頻後傳送給單片機單元。單片機單元對此脈衝信號進行計數、分頻處理後，輸出頻率一定、脈寬可調的控制信號，最終由控制信號輸出處理單元傳送給雷射調Q驅動器，結合聲光調Q技術對外部運動系統及單個雷射脈衝的輸出進行協調聯動控制，成功實現單個雷射脈衝在規定位置的精確輸出。
權利要求
1.一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡，包括單片機單元、CPLD單元、PC104 ISA總線接口、外部脈衝輸入處理單元和控制信號輸出處理單元，其特徵在於外部運動反饋元件輸出的脈衝信號經過所述外部脈衝輸入處理單元與所述CPLD單元連接，所述單片機單元通過所述CPLD單元與PC104 ISA總線接口與上位控制機連接；所述單片機單元輸出的控制信號及CPLD單元上輸出的通用信號通過控制信號輸出處理單元與雷射調Q驅動器連接；所述單片機單元通過所述CPLD單元與上位工控機進行數據交互，所述單片機單元接收經CPLD預處理後的外部脈衝信號，進行計數、分頻處理，輸出用戶所需頻率、脈寬的控制信號，通過控制信號輸出處理單元對雷射調Q驅動器進行控制；所述CPLD單元對所述外部脈衝輸入處理單元傳輸過來的外部運動反饋元件脈衝信號進行脈衝選擇和四倍頻處理；所述CPLD單元還用於實現所述單片機和PC104 ISA總線接口之間的高速並行通信；所述外部脈衝輸入處理單元用於將外部運動反饋元件的脈衝信號進行光電隔離後傳輸給CPLD單元；所述控制信號輸出處理單元用於將所述單片機輸出的控制信號進行光電隔離、驅動放大後傳送給雷射調Q驅動器，所述控制信號輸出處理單元負責將所述CPLD單元I/O埠的六個通用輸出信號進行光電隔離、驅動放大後傳送給外部控制電路。
2.根據權利要求1所述的一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡，其特徵是，所述高速並行通信的實現步驟是所述CPLD單元將PC104 ISA總線接口上的11位地址總線信號進行解碼後與PC104 ISA總線接口上的寫信號組成鎖存器所需時鐘信號，並通過PC104 ISA 總線接口上的8位數據總線將上位工控機的數據鎖存在CPLD內部，以供單片機單元來讀取；所述CPLD單元將PC104 ISA總線接口上的11位地址總線信號進行解碼後與PC104 ISA 總線接口上的讀信號組成緩衝器所需時鐘信號，並通過單片機單元上的8位數據總線將單片機單元的程序運行數據存儲在CPLD內部緩衝器中，供PC104 ISA總線接口來查詢。
3.根據權利要求1所述的一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡，其特徵是，所述 CPLD單元傳送給單片機單元的脈衝信號作為單片機內部一個定時/計數器的外部時鐘源， 所述定時/計數器用於比較器，用於實現脈衝計數、分頻功能；所述單片機內部的另一個定時/計數器用作定時器、產生溢出中斷，用於實現輸出可控脈寬的控制信號。
4.根據權利要求1所述的一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡，其特徵是，還包括輔助系統單元，所述輔助系統單元包括復位單元和外部時鐘單元；所述復位單元用於控制卡進行復位，所述外部時鐘單元用於為所述單片機單元和CPLD單元提供輸入時鐘。
5.根據權利要求1所述的一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡，其特徵是，所述外部運動反饋元件是增量式旋轉編碼器和直線光柵尺。
6.一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制方法，其特徵是包括以下步驟1)上位工控機的指令經由PC104ISA總線接口和CPLD單元傳送給單片機單元；2)所述CPLD單元接收外部脈衝輸入處理單元輸入的外部運動反饋元件的脈衝信號， 進行脈衝選擇、四倍頻處理後傳送給單片機單元；3)所述單片機單元根據用戶指令，運用其內部定時/計數器所產生的軟體中斷，對經所述CPLD單元傳輸的脈衝信號進行計數、分頻處理，輸出用戶所需頻率和脈寬的控制信號；4)所述控制信號經過控制信號輸出處理單元傳遞給雷射調Q驅動器。
全文摘要
本發明公開一種雷射微加工設備的雷射脈衝控制卡及控制方法，所述控制卡包括單片機單元、CPLD單元、PC104ISA總線接口、外部脈衝輸入處理單元和控制信號輸出處理單元；所述控制方法是外部運動反饋元件產生的脈衝信號經過外部脈衝輸入處理單元進入CPLD單元，由CPLD單元四倍頻後傳輸給單片機單元；單片機單元對CPLD單元傳輸過來的脈衝信號進行計數、分頻處理後，輸出一定頻率、脈寬可調的控制信號，再經過控制信號輸出處理單元後傳輸給雷射調Q驅動器。本發明提高了穩定性，縮小了控制卡的面積，通過雷射脈衝控制卡對外部運動系統及單個雷射脈衝輸出的協調聯動控制，成功實現單個雷射脈衝在規定位置上的精確輸出。
文檔編號B23K26/00GK102489874SQ201110381080
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者華希俊, 潘國平, 盛佔石, 符昊, 符永宏, 黃賽帥 申請人:江蘇大學