激光是20世紀60年代初期興起的一項新技術(shù),，由于其具有單色性好，高亮度和方向性好的特點，對各個技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響,。而近年來的基于CNC(Computer Numerical Control)的激光雕刻機作為一種機、光,、電,、算相結(jié)合的高科技產(chǎn)品也在市場上出現(xiàn)，其應用相當廣泛,，市場需求量很大,。由于該產(chǎn)品大部分是由國外進口，其價格之高,，令一般的國內(nèi)消費者難以接受,。主要同類產(chǎn)品有日本的MIMAKI PRO的專業(yè)刻字機，上海長江匯眾企業(yè)發(fā)展有限公司的長江激光雕刻機和北京開天科技公司的FC－15型激光雕刻機等,。本文主要介紹激光雕刻機的控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計以及主要端口的接口特性,。在該激光雕刻機控制系統(tǒng)中，主要采用基于PC機的數(shù)字控制系統(tǒng),，通過并口和步進" title="步進">步進電機驅(qū)動器來控制步進電機" title="步進電機">步進電機,，從而達到控制工作臺(或激光束)的走向和速度的目的。
1 控制軟件的設(shè)計
1.1插補原理
　　在激光雕刻機中為了實現(xiàn)對激光雕刻機的控制,，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、橢圓三個基本矢量,。再利用插補原理來實現(xiàn)對這三個基本矢量的數(shù)字逼近,。在激光雕刻機的控制系統(tǒng)中要求能夠達到較高的速度和精確度，因此控制軟件的計算不能太復雜,，花費的時間不能太多,，這就是使用插補原理的原因所在。在本系統(tǒng)中所采用的為逐點比較插補算法,。所謂逐點比較插補算法,，即每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行一次比較，使該點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,。逐點比較法是以折線來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">最大誤差不超過一個脈沖當量,，只要將脈沖當量(即每走一步的距離)取得足夠小,，就可以達到加工的精度要求。下面以直線為例來說明插補原理,。如圖1所示,。

　　偏差計算公式假定加工第一象限的直線OA，取直線起點為坐標原點O,，直線終點坐標A(Xe,、Ye)是已知的。M(Xm,、Ym)為加工點(動點),。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作為直線插補的偏差判別式,。
　　若F_m＝0,，表明M點在直線OA上。
　　若F_m＞0,，表明M點在直線OA上方的M′處,。
　　若F_m＜0，表明M點在直線OA下方的M″處,。
　　對于第一象限直線從起點(即坐標原點)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。
　　當兩方向所走的步數(shù)與終點坐標(X_e,、Y_e)相等時,，發(fā)出到達終點信號，停止插補,。設(shè)在某加工點出現(xiàn)有F_m＞＝0時,，應沿＋X方向進給一步，走一步后的坐標值為: 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,，應沿＋Y方向進給一步，走一步后的坐標值為: 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
　　上式為簡化后的偏差計算公式,、在公式中只有加、減運算,，只要將前一點的偏差值等于上述的終點坐標值,。當然對于不同的象限以及不同的矢量插補公式不同，但其基本原理相似,，在這里不再贅述,。
1.2 對電機運行速度的控制
　　由于國產(chǎn)步進電機的最高啟動頻率一般為1～2kHz，一般步進電機不能一下突變到要求的最大頻率,，而在電機的最大運行頻率下也不能立即停止,，否則就會造成電機的丟步，影響系統(tǒng)的精度,。這就需要在程序中有對電機的加減速控制,，其基本思路如下：
　　設(shè)電機每次步進的時間為t，t與電機的運行速度成反比,，當電機處于加速階段時,，在電機的下一步應使其時間為t－δt，其中δt是根據(jù)電機加速度計算出的時間減小量,，其計算方式如下：
　　
　　其中l(wèi)為某段距離的長度,，δ為系統(tǒng)的分辨率即最小步進距離，n為所走的總步數(shù),，tsum為所需走的總時間,，t0為初始速度時每走一步所花費的時間，t1為到達所要求走的距離時(即達到最大速度時)每走一步所花費的時間,，根據(jù)具體的要求我們可以計算出以上各式的值,。
　　在基于PC機的控制系統(tǒng)中,，一個很重要的問題就是如何獲得對時間的精確控制。在windows操作系統(tǒng)中,、系統(tǒng)所提供的時間函數(shù)只能達到毫秒級的精度,，很難達到微秒級的控制精度。對于不同配置的PC機,，執(zhí)行相同的語句其時間也不會相同,。為此我們利用系統(tǒng)提供的GetTickCount()函數(shù)，用包括＿nop語句的循環(huán)來達到微秒級的控制精度,。下面為具體的實現(xiàn)方法用法：
　　構(gòu)造CMicroSecond類：
　　在類初始化函數(shù)中實現(xiàn)每微秒包含＿nop語句循環(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＋＋;
　　　　　＿asm{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);
　　　／／每微秒的循環(huán)數(shù)
　　　m＿nLoopCountPerMicroSecond＝(int)m＿dwLoop
　　　Counter 1／1000;
　　}
　　實現(xiàn)固定時間的延時：
　　void CMicroSecond::MicroDelay( int uSec )
　　{
　　　n＝0;
　　　for(int i＝0;i＜uSec*m＿nLoopCountPerMicroSecond;i＋＋)
　　　{
　　　　n＋＋;
　　　?。遖sm{nop}
　　　}
　　}
　　由于賦值語句,、for語句、函數(shù)的調(diào)用等要消耗時間,，因此所得到的時間也并不是非常精確的時間,。但對于一般的PC機來說完全可以達到幾十微妙的精度，而對于一般的控制系統(tǒng)來說,，這個精度是足以達到控制要求的,。
2 外圍接口特性
　　在本系統(tǒng)中我們通過計算機的并口來實現(xiàn)對步進電機驅(qū)動器的控制。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系列微機中分配給它的最多有四個口,，常用的是三個口，其地址為：03BCH － 03BEH：并口一(LPT1),，0378H － 037AH：并口二(LPT2),，0278H － 027AH：并口三(LPT3)。這里可以看到每個并口包括了三個口地址(其中第一個為基地址),，是因為一個并口具有數(shù)據(jù)口狀態(tài)口和控制口的緣故,。不過值得注意的是，最好不要直接用上述口的地址去讀寫并口,，因為在實際應用中很少有三個并行口都同時有效的,，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之間進行選擇,。因此如果直接對某一并口地址進行操作，萬一PC機上的并口適配器用的不是這個口地址那就要出錯了。
　　熟悉PC機的讀者都知道,，PC機內(nèi)存最低端BIOS數(shù)據(jù)區(qū)的40：08H,，40：0AH，40：0CH三個字是被設(shè)計用來存放上述三個并行口的基地址的,，40：08H － 09H LPT1基地址,；40：0AH － 0BH LPT2基地址；40：0CH － 0DH LPT3基地址,。這三個字中的基地址是在PC機啟動過程中根據(jù)實際存在的并行口地址存放的，使用它們來讀寫并行口就不會出錯,，所以在使用時一定要通過檢查這三個字來得到并行口的基地址,。在對并口的讀寫操作用到的語句為＿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)特點及結(jié)果分析
　　在本文所述的激光雕刻機系統(tǒng)中,，我們通過動態(tài)連接庫的方式對系統(tǒng)進行控制，我們將對基本矢量元素的控制都封裝在了一個動態(tài)連接庫中,，這樣使系統(tǒng)的控制軟件具有一定可移植性,。而這種通過PC機并口實現(xiàn)對激光雕刻機控制的方法簡單而且易于實現(xiàn)，可以大大的縮短開發(fā)周期,。如果我們配上相應的激光雕刻機作圖軟件,，就可以成為一個商用化的產(chǎn)品了。