利用ARM MCU設(shè)計(jì)激光電源控制系統(tǒng)

0 引言

隨著激光行業(yè)的飛速發(fā)展，激光器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域，如激光切割、激光打標(biāo)、激光調(diào)阻、激光熱處理等，除此之外還被作為診療設(shè)備應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

激光焊接是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的方法，是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。

基于ARM的數(shù)字化控制系統(tǒng)能夠有效解決激光器的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問(wèn)題，數(shù)字化、智能化是激光器的必然發(fā)展方向。使用ARM對(duì)激光電源進(jìn)行功能擴(kuò)展控制，能有效提高電源的性價(jià)比，簡(jiǎn)化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)整機(jī)的自動(dòng)化程度，為整機(jī)的功能擴(kuò)展提供了有利條件。本文重點(diǎn)針對(duì)激光焊接應(yīng)用中的激光電源控制系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)，利用ARM控制激光電源的系統(tǒng)設(shè)置，包括開(kāi)關(guān)控制、激光參數(shù)設(shè)置、光柵控制、光閥控制、溫度控制等，有效地解決了激光器在焊接過(guò)程中的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問(wèn)題，同時(shí)增設(shè)人機(jī)界面(HMI)顯示控制的友好界面，使用起來(lái)更加方便。

1 激光電源的控制功能要求

激光焊接目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽車(chē)制造、壓力容器制造、民用及醫(yī)用等多個(gè)領(lǐng)域，因此激光電源在激光焊接工藝中應(yīng)用時(shí)具有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)需求，除了激光發(fā)生器的性能要高外，還要求其具有高效率、高可靠性、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中的激光電源產(chǎn)品還需要對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展和優(yōu)化，設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

1.1 顯示和控制

傳統(tǒng)激光器的顯示屏多采用點(diǎn)陣液晶顯示，由于液晶顯示屏只能單純作顯示設(shè)備使用，所以系統(tǒng)需要利用鍵盤(pán)或按鍵作為輸入設(shè)備，對(duì)激光光源的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這里采用人機(jī)界面(即觸摸屏)作為顯示和控制界面，操作更加方便，界面也更加友好。以ARM作為CPU來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以對(duì)輸出的激光脈沖波形進(jìn)行精確控制，滿足不同工件的焊接要求。

1.2 散熱

激光電源的許多參數(shù)(如波長(zhǎng)、閾值電流、效率和壽命)都與溫度密切相關(guān)，因此希望盡可能低而穩(wěn)定的工作溫度。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)工作環(huán)境溫度升高時(shí)，激光電源的輸出功率將降低，且激光電源外殼每升高30℃，使用壽命將減少一個(gè)數(shù)量級(jí)[6-7]。本激光器系統(tǒng)采用水冷的方式進(jìn)行散熱降溫，因此系統(tǒng)要求具有過(guò)溫檢測(cè)功能。

1.3 氣閥和光柵

針對(duì)激光焊接的實(shí)際應(yīng)用，在焊接的過(guò)程中要充分考慮到操作人員的人身健康和安全。因此在設(shè)計(jì)激光電源控制系統(tǒng)中，還需要綜合考慮其他輔助功能，比如在焊接時(shí)高溫會(huì)使金屬汽化產(chǎn)生煙霧，同時(shí)在焊接過(guò)程中激光散射也會(huì)對(duì)操作人員的眼睛產(chǎn)生影響，因此需增設(shè)氣閥控制和光柵控制功能。

氣閥控制的主要功能是，在激光焊接的時(shí)候，高溫會(huì)讓金屬汽化從而產(chǎn)生煙霧，設(shè)置一個(gè)空氣泵把產(chǎn)生的煙霧吹走，而且焊接結(jié)束后，再延時(shí)吹5~10s。為了在激光焊接的過(guò)程中保護(hù)操作者的眼睛，要求焊接瞬間光柵閉合，避免焊接時(shí)散光輻射人眼，因此系統(tǒng)需具有光柵控制功能。

1.4 光斑調(diào)節(jié)

對(duì)光斑的控制有兩個(gè)要求，一是能夠設(shè)置光斑的上、下限；二是能夠通過(guò)人機(jī)界面調(diào)節(jié)光斑的大小，也就是能對(duì)光斑的直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.5 精確激光脈沖控制

IGBT功率控制器作為主開(kāi)關(guān)器件用于控制激光燈的輸出脈沖[8-9]。一般的激光電源多采用單段方形的激光脈沖，激光打出的焊點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)濺射、坑洼、穿孔等現(xiàn)象。

激光焊接的基本原理為：

(1)金屬表面活化，前期預(yù)熱，避免加熱過(guò)快讓金屬表面濺射；

(2)激光打在金屬表面初期，需要較大的功率讓金屬表面融解；

(3)表層金屬融解后，進(jìn)行深層融解過(guò)程中，就不在需要這么大功率，否則會(huì)出現(xiàn)很大熔池，這時(shí)需要適當(dāng)降低功率，才能保證金屬熔池不繼續(xù)擴(kuò)大；

(4)當(dāng)達(dá)到需要的融解深度時(shí)，如果直接切斷激光，熔池表層硬化閉合可能會(huì)出現(xiàn)氣孔等現(xiàn)象，這時(shí)需要進(jìn)一步降低激光功率，緩慢淡出激光功率，才可以讓熔池中融解的金屬回流凝固，保證激光焊點(diǎn)的平整。

2 器件選型和系統(tǒng)硬件組成

2.1 主要器件的選型

(1)CPU選型。系統(tǒng)控制單元的核心是完成控制任務(wù)所必須的關(guān)鍵電路，本設(shè)計(jì)以集成ARM公司高性能“Cortex-M3”內(nèi)核的STM32F101C8T6為核心來(lái)設(shè)計(jì)激光電源的數(shù)字控制系統(tǒng)，發(fā)揮其高速、低功耗的功能，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制功能，同時(shí)簡(jiǎn)化激光電源控制部分的硬件結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了自動(dòng)化程度和功能擴(kuò)展能力。

(2)人機(jī)界面選型。人機(jī)界面選用的是型號(hào)為FE2070的4線工業(yè)電阻觸摸屏，用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分離式按鍵控制和液晶顯示，用戶只要用手指輕輕地觸碰顯示屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的操作，從而使激光電源的人機(jī)交互更為直截了當(dāng)。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的控制指令是由CPU發(fā)出的，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的顯示和各項(xiàng)控制。STM32F101C8T6有3串口：一個(gè)連接IGBT控制板，一個(gè)連接HMI通信，一個(gè)連接PC用于控制系統(tǒng)升級(jí)。系統(tǒng)的硬件電路整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

激光器的開(kāi)啟和預(yù)燃使用腳踏開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，激光電源開(kāi)光柵控制即為一個(gè)光柵開(kāi)關(guān)，光柵電源的要求是當(dāng)開(kāi)機(jī)后，踩下腳踏開(kāi)關(guān)，光柵電源就打開(kāi)。光柵控制通過(guò)光耦輸出后，通過(guò)一個(gè)三極管來(lái)控制15V電源的通斷，從而控制光柵的開(kāi)閉。激光電源中光斑的大小是通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，步進(jìn)電機(jī)控制透鏡的移動(dòng)，從而調(diào)整激光的焦距，實(shí)現(xiàn)光斑調(diào)節(jié)。硬件電路中，光斑控制通過(guò)一個(gè)3PIN插座控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)光斑直徑，為脈沖方向控制，三個(gè)PIN分別為GND、方向和脈沖。氣閥控制用于控制氣閥的開(kāi)啟，報(bào)警檢測(cè)主要用于過(guò)溫檢測(cè)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要分為三個(gè)部分：Modbus RTU通信處理程序，負(fù)責(zé)和HMI的通信；操作流程控制，瞬變脈沖的輸出；數(shù)字輸入和輸出量的處理；STM32的內(nèi)部資源、FLASH容量和SRAM容量都比51單片機(jī)要豐富，對(duì)于本系統(tǒng)，非常適合用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件的編寫(xiě)，所以本系統(tǒng)采用了Keil自帶的RTX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，共開(kāi)啟了4個(gè)進(jìn)程：Task_init()，Task1_Modbus()，Task2_Laser-CTL()和Task3_IO()；基本軟件流程圖如圖2所示.

4 調(diào)試結(jié)果

4.1 人機(jī)界面控制調(diào)試

圖3顯示的是系統(tǒng)搭建完成后液晶控制觸摸屏上顯示調(diào)節(jié)光斑直徑的界面。在該界面上通過(guò)增、減調(diào)節(jié)，在上、下限范圍內(nèi)設(shè)置光斑直徑的實(shí)際值。內(nèi)部是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)整透鏡位置，調(diào)整激光焦距，從而使光斑直徑發(fā)生改變。

在圖3觸摸屏界面中，點(diǎn)擊“光閘設(shè)置”可以進(jìn)入光閘控制的設(shè)置界面，如圖4所示，智能光閘控制，ms級(jí)時(shí)間內(nèi)的延遲時(shí)間可根據(jù)需求定制，保證完全遮光，功能穩(wěn)定，而且操作界面顯示和設(shè)置都非常友好方便。

設(shè)置激光輸出參數(shù)的界面如圖5所示。

共有99組參數(shù)設(shè)置，可以對(duì)15段波形編程，兩組參數(shù)切換，能滿足使用者的各種需求。使用觸摸屏控制，人機(jī)界面十分友好、操作功能強(qiáng)大，并且可實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程操作，因?yàn)橛|摸屏可遠(yuǎn)離激光設(shè)備使用。

4.2 脈沖控制調(diào)試

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)的這款激光電源控制器，可以控制每個(gè)打出的激光脈沖的功率，并對(duì)單個(gè)激光脈沖，進(jìn)行精確分段，每段設(shè)置，保證焊點(diǎn)光滑平整。圖6是針對(duì)某種焊接工件給的激光波形預(yù)覽。

實(shí)際使用中，可以根據(jù)焊接工件的要求，設(shè)計(jì)不同的波形和焊接頻率，例如針對(duì)金屬激光切割，可以設(shè)置單段很大電路的激光脈沖和高頻率的波形。

4.3 激光焊接結(jié)果

理想的激光電源是提高激光供能系統(tǒng)效率的關(guān)鍵，利用本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的激光電源具有很好的焊接效果。圖7是焊接成品圖示，從細(xì)節(jié)圖中可以看出焊后外觀精美，結(jié)合度高，效果理想，很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié)語(yǔ)

激光電源的功能擴(kuò)展控制系統(tǒng)主要針對(duì)激光焊接行業(yè)設(shè)計(jì)，具有控制簡(jiǎn)單、精確度高、穩(wěn)定性好、符合人機(jī)工程學(xué)等優(yōu)點(diǎn)。隨著激光焊接行業(yè)的蓬勃發(fā)展，該系統(tǒng)的成本較低，具有很好的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。