运动控制在激光加工中的研究与应用

1 引言
       随着光电子技术的飞速发展，激光加工技术应用范围越来越广泛，加工精度要求越来越高。体现激光材料加工的发展水平有三个方面的因素:第一是激光器技术，即应用于激光材料加工的激光器件技术；第二是激光设备加工的机械、控制系统等，即激光加工设备；第二是激光加工工艺水平。因为激光器技术己经是很成熟的技术，所以能否对激光设备进行有效的控制以及激光的加工艺水平成为激光加工技术应用的瓶颈。
       目前，国内专门生产激光加工设备的厂家很多，他们竞争已由激光器技术转向对激光设备和加工工艺的有效控制，能否有效解决如下问题，三维图形多轴联动、高速激光扫描和快速推进引起的振动、扫描幅面大小和扫描精度、激光的同步扫描和往复扫描错位、复杂算法和规则图形插补问题等，己经成为竞争的关键。

2 基于OSP和FPGA的设计
        针对上述各种问题，本文设计了基于FPGA和DSP的运动控制板卡，在激光雕刻调试中，成功的解决了上述各种问题。

    2.1控制卡电路设计
        在控制卡中主要有DSP, FPGA两个功能芯片，在DSP周围扩展了多个FLASH和SRAM来存储程序和数据，每两个FLASH和SRAM可以共用一个片选信号CS，组成高低双字32位数据总线进行读写，可以提高DSP与MEMORY的通信速度，同时为FPGA配置了一个EPROM来存储下载的程序。连接DSP局部总线和PCI接口的芯片是PCI总线控制器(PCI桥)，它包含了一个128KBit的双口共享存储器，来实现DSP局部总线和PCI系统总线的数据交换，另外为其配置了一个EEPROM来存储数据。本文提到的DSP和FPGA都是低能耗、低电压操作，I/O信号电压是3.3V,而内核电压是I.8V,所以配置了能同时输出3.3V和1.8V两种电压的电压调整器。
        FPGA资源充足，性价比高，能现场重复多次编程，可以针对不同的小批量客户的具体要求，灵活地修改设计。DSP具有高速浮点运算的能力，对S-曲线运动过程中的数据和一些插补算法，进行运算处理，摆脱对PC机的依赖，并把处理的数据实时地与FPGA通信。PCI接口使用比较普遍，总线资源丰富，通讯速度块、寻址空问大。USB接门可实现脱机工作，不必为每块板卡配置一台PC机，工业现场使用方便，成本低，符合时代发展趋势。

    2.2各种功能的实现
        由于本方案确定得当，在每一片FPGA芯片上可以实现四轴功能完全相同但彼此相互独立的操作，能够实现多轴联动，对于平面图形和三维图形处理，可以采用两轴和三轴联动。在扫描中，基于开辟的KAM区，采用位图象素控制，不仅解决了大幅面图形的处理，而且实现了同步扫描中，提高了扫描精度，保证了图像的雕刻质量。
        (1)采用S曲线实现平稳高速运动和快速推进。
        在高速往返运动和快速行推进过程中，如果不加技术处理，如梯形图所示，在加速度很大的高速运动过程巾，就会出现振动、冲击，图形就会出现不规则的错位，严重时就会出现类似波纹状的变形。如果将加速度减小，则增速时间(t2-t1)就很大，由于加工区在高速段(F匀速段)，这样就造成有效加工幅面减小。为了解决这个问题，在变速运动中采用S曲线，可以使运动在很短的时间里，由低速向高速或山高速向低速平缓地过渡。经过现场反复的实验，在同一设备上，可以大大的提高工作效率和图形的加工质量。

    (2)利用位图象素控制，保证同步扫描和扫描精度。