专利名称：一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡及控制方法
技术领域：
本发明涉及激光微加工领域，特指一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡和控制方法。
背景技术：
摩擦学理论研究及工程应用均表明，摩擦副表面存在与其润滑性能要求优化匹配的理想微观结构形貌。为了实现对这种摩擦副表面微观形貌的加工，相继出现了诸多微加工技术，而其中，激光微加工技术以其优异的特点，备受欢迎。
声光调Q技术是激光微加工领域中获得单个激光脉冲输出的重要技术手段，是指激光调Q驱动器受到外部控制信号的驱动后，提供一定频率的射频功率驱动声光Q开关，同时又用调制的方式使偏转光束的作用快速消失，进而达到开关激光的目的。那么，一种符合要求、有序的外部控制信号可以实现单个激光脉冲有规律的关断与输出。
经过对现有的技术文献检索发现，中国申请号为200610039758. 1，公开号为CN 1857843A的专利“一种激光表面微造型方法”给出了“单脉冲同点间隔多次”的激光加工新工艺。该发明提出，激光器脉冲发出时间和工件旋转时间耦合，即在两个或多个激光脉冲的间隔时间内正好走过工件上两个加工点之间的距离，实现在工件表面规定位置上的单个激光脉冲输出，这种加工工艺最大程度上减小了激光加工带来的热负面效应。中国申请号为200610040199. 6，公开号为CN 1857844A的专利“摩擦副零件表面形貌的激光微造型方法及设备”给出了在典型摩擦副零件上微造型的方法及专用设备。该专利提出运用编码器计数卡对安装在旋转工作台主轴上的增量式旋转编码器的反馈脉冲进行计数处理，输出调 Q开关控制信号给激光调Q驱动器，控制单个激光脉冲在工件加工表面规定位置上的输出， 最终实现“单脉冲同点间隔多次”加工工艺。但是，此专利没有公开实现单个激光脉冲在规定位置上输出的编码器计数卡的技术方案。
因此，在激光微加工领域中，如何运用声光调Q技术使外部运动系统与单个激光脉冲输出协调联动起来是实现“单脉冲同点间隔多次”加工工艺，提高表面加工质量的关键所在；而对反映外部运动系统实时位置的外部运动反馈元件脉冲信号进行有目的的处理， 获得激光调Q驱动器外部有序的控制信号即是整个技术的灵魂。发明内容
本发明的目的是提出了一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡，使其以单片机和 CPLD (复杂可编程逻辑器件)为核心，运用声光调Q技术使外部运动系统与单个激光脉冲输出协调联动起来，实现单个激光脉冲在工件加工表面规定位置的精确输出。
本发明的另一目的是提供一种激光微加工设备的激光脉冲控制方法，通过对外部运动反馈元件产生的脉冲信号进行四倍频、计数、分频处理后，输出用户所需频率、脉宽的控制信号给激光调Q驱动器，实现“单脉冲同点间隔多次”的加工工艺。
本发明的技术方案是一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡，包括单片机单元、CPLD单元、PC104 ISA总线接口、外部脉冲输入处理单元和控制信号输出处理单元；外部运动反馈元件输出的脉冲信号经过所述外部脉冲输入处理单元与所述CPLD单元连接，所述单片机单元通过所述CPLD单元和PC104 ISA总线接口与上位工控机连接；所述单片机单元输出的控制信号通过所述控制信号输出处理单元与激光调Q驱动器连接；所述CPLD单元上输出的通用信号通过所述控制信号输出处理单元与外部控制电路连接；所述单片机单元通过所述CPLD单元与上位工控机进行数据交互，所述单片机单元接收经CPLD预处理后的外部脉冲信号，进行计数、分频处理，输出用户所需频率、脉宽的控制信号，通过控制信号输出处理单元对激光调Q驱动器进行控制；所述CPLD单元对所述外部脉冲输入处理单元传输过来的外部运动反馈元件脉冲信号进行脉冲选择和四倍频处理，所述CPLD单元还用于实现所述单片机和PC104 ISA总线接口之间的高速并行通信；所述外部脉冲输入处理单元用于将外部运动反馈元件的脉冲信号进行光电隔离后传输给CPLD单元；所述控制信号输出处理单元用于将所述单片机输出的控制信号进行光电隔离、驱动放大后传送给激光调Q驱动器，所述控制信号输出处理单元负责将所述CPLD单元I/O端口的六个通用输出信号进行光电隔离、驱动放大后传送给外部控制电路。
进一步，所述高速并行通信的实现步骤是所述CPLD单元将PC104 ISA总线接口上的11位地址总线信号进行译码后与PC104 ISA总线接口上的写信号组成锁存器所需时钟信号，并通过PC104 ISA总线接口上的8位数据总线将上位工控机的数据锁存在CPLD内部，以供单片机单元来读取；所述CPLD单元将PC104 ISA总线接口上的11位地址总线信号进行译码后与PC104 ISA总线接口上的读信号组成缓冲器所需时钟信号，并通过单片机单元上的8位数据总线将单片机单元的程序运行数据存储在CPLD内部缓冲器中，供PC104 ISA总线接口来查询。
进一步，所述CPLD单元传送给单片机单元的脉冲信号作为单片机内部一个定时/ 计数器的外部时钟源，所述定时/计数器用于比较器，用于实现脉冲计数、分频功能；所述单片机内部的另一个定时/计数器用作定时器、产生溢出中断，用于实现输出可控脉宽的控制信号。
进一步，还包括辅助系统单元，所述辅助系统单元包括复位单元和外部时钟单元； 所述复位单元用于控制卡进行复位，所述外部时钟单元用于为所述单片机单元和CPLD单元提供输入时钟。
进一步，所述外部运动反馈元件是增量式旋转编码器和直线光栅尺。
一种激光微加工设备的激光脉冲控制方法，包括以下步骤1)上位工控机的指令经由PC104ISA总线接口和CPLD单元传送给单片机单元；2)所述CPLD单元接收外部脉冲输入处理单元输入的外部运动反馈元件的脉冲信号， 进行脉冲选择、四倍频处理后传送给单片机单元；3)所述单片机单元根据用户指令，运用其内部定时/计数器所产生的软件中断，对经所述CPLD单元传输的脉冲信号进行计数、分频处理，输出用户所需频率和脉宽的控制信号；4)所述控制信号经过控制信号输出处理单元传递给激光调Q驱动器。
本发明的有益效果是用嵌入式单片机，与传统的51单片机相比，其性能更为优越，并且内部包含了上电复位、脉宽调制、内部电源等多种功能；采用CPLD技术对硬件地址进行译码规划，保证了充足的硬件地址，而且CPLD可以代替传统的电路，完成所需逻辑运算功能，缩小了激光脉冲控制卡的面积，降低了板卡的制作成本，而且提高了系统的稳定性；在实现与上位工控机实时通信的同时，对反映外部运动系统实时位置的反馈脉冲信号进行实时的处理，输出所需控制信号给激光调Q驱动器，结合声光调Q技术，使外部运动系统与单个激光脉冲输出协调联合起来，最终成功实现单个激光脉冲在工件加工表面规定位置的精确输出。
图1为本发明的系统结构框图； 图2为本发明的工作原理图；图3为所述的CPLD单元脉冲选择功能原理图； 图4为所述的CPLD单元四倍频功能原理图； 图5为所述的单片机单元实现控制信号输出原理图； 图6为所述的单片机单元实现控制信号输出过程图； 图7为所述的控制信号输出处理单元的结构示意图； 图8为本发明的运动控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不止限于下述的实施例。
如图1所示，所述的一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡包括单片机单元、 CPLD单元、PC104 ISA总线接口、外部脉冲输入处理单元、控制信号输出处理单元、辅助系统单元，其中单片机单元分别与CPLD单元、控制信号输出处理单元、辅助系统单元相连；CPLD单元分别与PC104 ISA总线接口、单片机单元、外部脉冲输入处理单元、控制信号输出处理单元、 辅助系统单元相连；整个控制卡通过PC104 ISA总线接口与上位工控机相连；外部运动反馈元件输出的脉冲信号通过外部脉冲输入处理单元进入CPLD单元，单片机单元上输出的控制信号及CPLD单元上输出的通用信号通过控制信号输出处理单元与激光调Q驱动器和外部控制电路连接。
单片机单元采用ATMEL公司生产的型号为ATMEGAU8的芯片，通过CPLD单元经由 PC104 ISA总线接口与上位工控机进行数据交互；单片机内部的Flash存储器以及数据存储器，分别负责储存系统程序和程序运行数据；单片机单元接收经CPLD单元预处理后的外部运动反馈元件脉冲信号，并对其进行计数、分频处理，最终输出所需频率、脉宽的控制信号。
CPLD单元为一块ALTERA公司生产的型号为EPM7U8SLC84-15N的芯片，其大部分I/O引脚与PC104 ISA总线接口、单片机I/O引脚及外部运动反馈元件输出的脉冲信号相连。CPLD单元根据其内部的逻辑运算功能实现单片机单元与PC104 ISA总线接口的高速并行通信；CPLD单元还处理外部运动系统输入的增量式旋转编码器和直线光栅尺的脉冲信号，并最终传输给单片机单元；CPLD单元上有六个通用信号输出，用于控制外部电路。
PC104 ISA总线接口负责整个控制板卡与上位工控机的数据交互，上位工控机的数据通过PC104 ISA总线接口进入CPLD单元，再进入单片机；如果单片机向上位工控机传输数据，数据则经由CPLD单元和PC104 ISA总线接口反馈到上位工控机。
系统辅助单元主要维持单片机单元和CPLD单元的正常工作，包括复位单元、外部时钟单元、JTAG接口单元。其中复位单元是在控制卡刚上电或者是上位工控机给控制卡复位命令时，对控制卡进行复位；外部时钟单元是通过外部时钟振荡电路为单片机单元和CPLD单元提供输入时钟JTAG (联合测试行动小组标准)接口单元是实现单片机单元的 ISP (In-System Programmable，在线编程)功能，快速实现对单片机内部程序的擦写。
如图2所示，所述CPLD单元实现单片机单元与PC104 ISA总线接口的高速并行通信中，PC104 ISA总线接口用到8位数据总线D
；11位地址总线A以及读写信号I0R、I0W。在单片机单元部分，用到I/O端口 PAW-5]、PCW-7]、PEW-7]以及外部中断 INTO，其中I/O端口 PA
和PCW-7]定义为输入，I/O端口 PE
定义为输出。CPLD 单元实现单片机单元与PC104 ISA总线接口的高速并行通信的内部逻辑运算功能相当于锁存器(74377A)和缓冲器(74244)，CPLD单元将PC104 ISA总线接口上的11位地址总线信号进行译码后与PC104 ISA总线接口上的写信号组成锁存器2 (74377A)所需时钟信号， 通过PC104 ISA总线接口上的8位数据总线将上位工控机用户指令地址锁存在锁存器2 (74377A)的低四位，而不同地址所对应的数据内容则写入到锁存器3 (74377A)中，以供单片机单元来读取；CPLD单元将PC104 ISA总线接口上的11位地址总线信号进行译码后与 PC104 ISA总线接口上的读信号组成缓冲器(74244)所需时钟信号，通过单片机单元上的8 位数据总线将单片机单元的数据存储在缓冲器(74244)中，以供PC104 ISA总线接口查询。
单片机单元与PC104 ISA总线接口双方的通信实时性较强，数据量不大，单片机单元采用中断的方式来接收数据。锁存器2 (74377A)输出的高两位信号中的一位信号输出给单片机单元的外部中断INTO，此中断为写数据中断。当中断0为有效信号时，单片机单元就会读取锁存在CPLD单元内部的数据，将其写入单片机单元中。CPLD单元将PC104 ISA 总线接口上的11位地址总线信号进行译码后与PC104 ISA总线接口上的写信号组成锁存器1 (74377A)所需时钟信号，通过PC104 ISA总线接口上的8位数据总线将上位工控机用户数据指令地址锁存在锁存器1 (74377A)中，锁存器1 (74377A)输出信号的低六位实现 CPLD单元的六个通用信号输出。
如图2所示，所述的CPLD单元的外部脉冲信号处理功能包括脉冲选择和脉冲信号四倍频。CPLD单元内部锁存器1 (74377A)输出的高两位信号经过CPLD单元内部2_4译码器译码后，形成控制信号时序1、控制信号时序2、控制信号时序3及控制信号时序4，此四路控制信号时序分别与外部运动反馈元件脉冲信号的A相信号进行相与，再经过或门后实现脉冲选择功能。如图3所示为A相脉冲信号选择示意图，B相脉冲信号选择原理也是如此。 根据外部运动反馈元件输出脉冲信号的特点(A、B两相信号的相位差为90° )，CPLD单元采用异或实现脉冲信号四倍频功能，如图4所示为脉冲信号四倍频功能示意图，外部运动反馈元件的A、B两相信号经过两个正触发双D触发器(7474)和三个异或门后，输出四倍频脉冲信号。外部运动反馈元件产生的脉冲信号进入CPLD单元，经过脉冲选择电路后进入四倍频电路，并最终输出一路脉冲信号给单片机单元，此一路脉冲信号实时反映外部运动系统位置的变化。
如图5所示，所述单片机单元使用内部16位定时/计数器1和16位定时/计数器3 来实现一定频率、脉宽控制信号的输出，所用到单片机的I/O引脚有PD6(T1)和PB5(0C1A)， 其中PD6 (Tl)为16位定时/计数器1的计数输入源；PB5 (OClA)为16位定时/计数器1输出比较模块的输出。CPLD单元传送过来的脉冲信号连接单片机I/O端口 PD6 (Tl)，作为16 位定时/计数器1的外部时钟源。如图6所示，单片机单元实现所需控制信号输出的过程是这样的单片机单元接收CPLD单元传送过来的脉冲信号，刚开始把PB5端口设置为低电平，单片机单元内部输出比较寄存器持续与定时/计数器1的数据寄存器的计数值作比较， 当两者相匹配时，产生一个比较匹配中断，此比较匹配中断请求所需要处理的事件是将PB5 输出端口设置为高电平，使能定时/计数器3的溢出中断并切换到下一次对脉冲信号的计数、分频准备。当PB5端口被设置为高电平并且使能了定时/计数器3的溢出中断后，定时 /计数器3的寄存器计数值溢出后，就会产生一个溢出中断，此溢出中断请求需要处理的事件就是将PB5端口设置为低电平，那么在输出控制信号高电平期间就会起到所需的定时功能。根据输出控制信号频率和脉宽的要求，设定定时/计数器1的输出比较寄存器的值和定时/计数器3数据寄存器的计数值，重复上述的过程就可以在PB5端口输出一定频率、脉宽可调的控制信号。
外部脉冲输入处理单元将外部输入的增量式旋转编码器和直线光栅尺的脉冲信号经过光电隔离输出电路后传送给CPLD单元，所述的光电隔离输出电路采用光耦元件 6N135。
如图7所示，控制信号输出处理单元将单片机PB5端口输出的控制信号及CPLD单元上输出的六个通用信号经过光电隔离输出电路、驱动放大电路后传输给激光调Q驱动器和外部控制电路，所述的光电隔离输出电路采用光耦元件6W35和TLP521，所述的驱动放大电路采用MC1413驱动放大芯片。
如图8所示，本实施例工作时，上位工控机的数据及工作指令经由PC104 ISA总线接口，通过CPLD单元传送给单片机单元；单片机单元的程序运行数据实时的通过CPLD单元，经由PC104 ISA总线接口反馈给上位工控机。CPLD单元接收反映外部运动系统实时位置的外部运动反馈元件(增量式旋转编码器和直线光栅尺)的脉冲信号，并对其进行脉冲选择、四倍频后传送给单片机单元。单片机单元对此脉冲信号进行计数、分频处理后，输出频率一定、脉宽可调的控制信号，最终由控制信号输出处理单元传送给激光调Q驱动器，结合声光调Q技术对外部运动系统及单个激光脉冲的输出进行协调联动控制，成功实现单个激光脉冲在规定位置的精确输出。
权利要求
1.一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡，包括单片机单元、CPLD单元、PC104 ISA总线接口、外部脉冲输入处理单元和控制信号输出处理单元，其特征在于外部运动反馈元件输出的脉冲信号经过所述外部脉冲输入处理单元与所述CPLD单元连接，所述单片机单元通过所述CPLD单元与PC104 ISA总线接口与上位控制机连接；所述单片机单元输出的控制信号及CPLD单元上输出的通用信号通过控制信号输出处理单元与激光调Q驱动器连接；所述单片机单元通过所述CPLD单元与上位工控机进行数据交互，所述单片机单元接收经CPLD预处理后的外部脉冲信号，进行计数、分频处理，输出用户所需频率、脉宽的控制信号，通过控制信号输出处理单元对激光调Q驱动器进行控制；所述CPLD单元对所述外部脉冲输入处理单元传输过来的外部运动反馈元件脉冲信号进行脉冲选择和四倍频处理；所述CPLD单元还用于实现所述单片机和PC104 ISA总线接口之间的高速并行通信；所述外部脉冲输入处理单元用于将外部运动反馈元件的脉冲信号进行光电隔离后传输给CPLD单元；所述控制信号输出处理单元用于将所述单片机输出的控制信号进行光电隔离、驱动放大后传送给激光调Q驱动器，所述控制信号输出处理单元负责将所述CPLD单元I/O端口的六个通用输出信号进行光电隔离、驱动放大后传送给外部控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡，其特征是，所述高速并行通信的实现步骤是所述CPLD单元将PC104 ISA总线接口上的11位地址总线信号进行译码后与PC104 ISA总线接口上的写信号组成锁存器所需时钟信号，并通过PC104 ISA 总线接口上的8位数据总线将上位工控机的数据锁存在CPLD内部，以供单片机单元来读取；所述CPLD单元将PC104 ISA总线接口上的11位地址总线信号进行译码后与PC104 ISA 总线接口上的读信号组成缓冲器所需时钟信号，并通过单片机单元上的8位数据总线将单片机单元的程序运行数据存储在CPLD内部缓冲器中，供PC104 ISA总线接口来查询。
3.根据权利要求1所述的一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡，其特征是，所述 CPLD单元传送给单片机单元的脉冲信号作为单片机内部一个定时/计数器的外部时钟源， 所述定时/计数器用于比较器，用于实现脉冲计数、分频功能；所述单片机内部的另一个定时/计数器用作定时器、产生溢出中断，用于实现输出可控脉宽的控制信号。
4.根据权利要求1所述的一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡，其特征是，还包括辅助系统单元，所述辅助系统单元包括复位单元和外部时钟单元；所述复位单元用于控制卡进行复位，所述外部时钟单元用于为所述单片机单元和CPLD单元提供输入时钟。
5.根据权利要求1所述的一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡，其特征是，所述外部运动反馈元件是增量式旋转编码器和直线光栅尺。
6.一种激光微加工设备的激光脉冲控制方法，其特征是包括以下步骤1)上位工控机的指令经由PC104ISA总线接口和CPLD单元传送给单片机单元；2)所述CPLD单元接收外部脉冲输入处理单元输入的外部运动反馈元件的脉冲信号， 进行脉冲选择、四倍频处理后传送给单片机单元；3)所述单片机单元根据用户指令，运用其内部定时/计数器所产生的软件中断，对经所述CPLD单元传输的脉冲信号进行计数、分频处理，输出用户所需频率和脉宽的控制信号；4)所述控制信号经过控制信号输出处理单元传递给激光调Q驱动器。
全文摘要
本发明公开一种激光微加工设备的激光脉冲控制卡及控制方法，所述控制卡包括单片机单元、CPLD单元、PC104ISA总线接口、外部脉冲输入处理单元和控制信号输出处理单元；所述控制方法是外部运动反馈元件产生的脉冲信号经过外部脉冲输入处理单元进入CPLD单元，由CPLD单元四倍频后传输给单片机单元；单片机单元对CPLD单元传输过来的脉冲信号进行计数、分频处理后，输出一定频率、脉宽可调的控制信号，再经过控制信号输出处理单元后传输给激光调Q驱动器。本发明提高了稳定性，缩小了控制卡的面积，通过激光脉冲控制卡对外部运动系统及单个激光脉冲输出的协调联动控制，成功实现单个激光脉冲在规定位置上的精确输出。
文档编号B23K26/00GK102489874SQ201110381080
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者华希俊, 潘国平, 盛占石, 符昊, 符永宏, 黄赛帅 申请人:江苏大学