金屬激光切割機(jī)焦點(diǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2017-5-2 來源：武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院 作者：朱云峰 聶紅偉
摘要：焦點(diǎn)控制系統(tǒng)是金屬激光切割機(jī)至關(guān)重要的組成部分，它與激光焦點(diǎn)與工件之間距離的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性直接相關(guān)，由此決定了金屬工件的切割質(zhì)量和效率。 為此，采用高性能 DSP、高精度電容傳感器等設(shè)計(jì)金屬激光切割機(jī)焦點(diǎn)控制系統(tǒng)，對激光焦點(diǎn)與工件之間的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的控制并配合機(jī)床運(yùn)動控制卡完成整個(gè)金屬激光切割流程。 首先介紹了金屬激光切割機(jī)焦點(diǎn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)給出了部分核心軟件設(shè)計(jì)流程。
關(guān)鍵詞：金屬激光切割機(jī)，焦點(diǎn)控制系統(tǒng)，DSP，電容傳感器
在金屬激光切割過程中，激光焦點(diǎn)與工件距離的恒定極其重要， 采用焦點(diǎn)控制系統(tǒng)對其進(jìn)行不斷的實(shí)時(shí)校正從而獲取最優(yōu)的切割質(zhì)量。采用高性能 DSP、高精度電容傳感器等設(shè)計(jì)金屬激光切割機(jī)焦點(diǎn)控制系統(tǒng)， 利用電容傳感器檢測技術(shù)和模糊 PID 控制算法對激光焦點(diǎn)與工件之間的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的控制并配合機(jī)床運(yùn)動控制卡協(xié)同完成整個(gè)金屬激光切割流程， 提高切割質(zhì)量和切割效率。
1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)主要包含兩個(gè)部分：焦點(diǎn)位置檢測模塊和焦點(diǎn)位置控制模塊。 焦點(diǎn)位置檢測模塊由電容信號檢測電路以及信號傳輸電路組成。 焦點(diǎn)位置控制模塊由電容信號的接收電路、電機(jī)控制信號的輸出電路、 指令信號的接收電路以及數(shù)據(jù)存儲電路組成，其功能是接收焦點(diǎn)位置檢測模塊發(fā)送的測量電容值，通過控制算法實(shí)時(shí)輸出電機(jī)控制信號，調(diào)控電機(jī)實(shí)現(xiàn)減小距離偏差的目的。
系統(tǒng)選用 TMS320F28335 型號的 DSP 作為主控制器，其時(shí)鐘頻率可達(dá)到 150MHz，I ／ O 資源豐富， 支持 SPI 通信、USB通信以及 DA 輸出等功能，能實(shí)現(xiàn)高效快速運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)與焦點(diǎn)位置檢測模塊以及機(jī)床運(yùn)動控制卡的快速數(shù)據(jù)交換和運(yùn)算。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。
圖 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1．2 工作原理
金屬激光切割機(jī)焦點(diǎn)控制系統(tǒng)的任務(wù)是對激光焦點(diǎn)與工件之間的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)采集以及控制， 使其始終處于最佳切割位置從而提高切割質(zhì)量， 同時(shí)與機(jī)床運(yùn)動控制卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換協(xié)同完成整個(gè)金屬切割流程。 通過電容傳感器對激光焦點(diǎn)與工件之間距離進(jìn)行采集， 并通過信號處理電路以數(shù)字量形式傳給主控制器 TMS320F28335； 主控制器對此距離信號進(jìn)行數(shù)字濾波以及最小二乘法曲線擬合， 從而得到焦點(diǎn)距離與電容值之間的對應(yīng)關(guān)系曲線； 主控制器通過模糊 PID 算法以焦點(diǎn)距離以及焦點(diǎn)距離變化率作為輸入， 輸出控制電壓給驅(qū)動器接口電路以驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)動使得激光焦點(diǎn)與工件之間距離始終處于最佳，由此提高切割質(zhì)量以及效率； 機(jī)床運(yùn)動卡主要實(shí)現(xiàn) XY 平面上的運(yùn)動軌跡規(guī)劃， 焦點(diǎn)控制系統(tǒng)則是實(shí)現(xiàn) Z 方向上的切割距離恒定， 二者之間通過 I ／ O 口進(jìn)行運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)交換協(xié)同完成整個(gè)金屬切割流程。
2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 焦點(diǎn)位置檢測模塊設(shè)計(jì)
綜合考慮測量范圍、 測量精度以及成本等因素， 選用德國ACAM 公司的 Pcap01 專用電容檢測集成芯片來設(shè)計(jì)焦點(diǎn)位置檢測模塊，實(shí)時(shí)獲取焦點(diǎn)位置。 Pcap01 電容檢測芯片內(nèi)置 DSP信號處理單元，具有高精度、高速度等優(yōu)良特性，檢測頻率可高至 500k Hz，電容測量結(jié)果具有 24 位精度，且具有超高的溫度穩(wěn)定性和超低溫漂。 焦點(diǎn)位置檢測模塊結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。
圖 2 焦點(diǎn)位置檢測模塊結(jié)構(gòu)圖
在金屬激光切割過程中，Pcap01 電容檢測電路將焦點(diǎn)與工件之間的距離值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量， 并通過 SPI 通信方式將其傳給主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 需要注意的是，二者之間的信號線需為雙絞屏蔽線且在每組差分信號線之間要添加 1K 的匹配電阻，從而消除差分信號傳輸線的共模干擾， 在一定程度上加強(qiáng)遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
2．2 焦點(diǎn)位置控制模塊設(shè)計(jì)
焦點(diǎn)位置控制模塊由主控模塊、 驅(qū)動器接口電路以及開關(guān)量輸入輸出處理電路三部分組成。 主控模塊接收焦點(diǎn)位置檢測模塊發(fā)給的電容信號， 并根據(jù)電容值與焦點(diǎn)距離的標(biāo)定關(guān)系得到此時(shí)的焦點(diǎn)距離， 并輸出通過模糊 PID 控制算法得到的對電機(jī)的控制電壓信號。 驅(qū)動器接口電路對 DSP 輸出的焦點(diǎn)位置控制模擬量電壓信號與電機(jī)驅(qū)動器輸入范圍進(jìn)行匹配。 開關(guān)量輸入輸出處理電路的功能是接收機(jī)床運(yùn)動控制卡發(fā)送的指令信號，并將焦點(diǎn)位置控制模塊的狀態(tài)反饋給機(jī)床運(yùn)動控制卡，從而使焦點(diǎn)位置控制模塊處于正確的工作流程。 焦點(diǎn)位置控制模塊結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。
圖 3 焦點(diǎn)位置控制模塊結(jié)構(gòu)圖
主控模塊由一個(gè) DSP 最小系統(tǒng)、 外部存儲器以及外部 DA共同組成。 其功能為通過接口電路與機(jī)床運(yùn)動控制卡進(jìn)行 I ／ O 信號類型的數(shù)據(jù)交換、 接收焦點(diǎn)位置檢測模塊反饋的電容測量值、輸出對電機(jī)驅(qū)動器的控制電壓。 主控模塊硬件框圖如圖 4 所示。
圖 4 主控模塊硬件框圖
本設(shè)計(jì)選取的 DSP 型號為 TMS320F28335，電壓輸出范圍為 0～3．3V，電機(jī)驅(qū)動器的控制電壓范圍為－10V～10V，驅(qū)動器接口電路采用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)匹配，其電路圖如圖 5 所示。
圖 5驅(qū)動器接口電路
對于金屬激光切割機(jī)而言， 機(jī)床運(yùn)動控制卡實(shí)現(xiàn)的是 XY平面的切割軌跡規(guī)劃， 焦點(diǎn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是 Z 方向的激光焦點(diǎn)位置的恒定，焦點(diǎn)控制系統(tǒng)要受機(jī)床運(yùn)動控制卡的控制。 在金屬切割過程中，機(jī)床運(yùn)動控制卡會發(fā)送隨動、穿孔、加工完成等信號給焦點(diǎn)控制系統(tǒng)， 而焦點(diǎn)控制系統(tǒng)也需要將反映當(dāng)前切割頭位置的信號如上升到位信號、 下降到位信號以及切割報(bào)警信號等發(fā)送給機(jī)床運(yùn)動控卡， 機(jī)床運(yùn)動控制卡接收到這些信號后對其進(jìn)行分析從而決定可否進(jìn)行下一步的切割操作。 由于不同機(jī)床運(yùn)動控制卡的開關(guān)量輸入輸出方式可能存在差異， 考慮到機(jī)床運(yùn)動控制卡不同的電平電壓， 需要有一個(gè)相對適用范圍更廣的輸入輸出處理電路。 開關(guān)量輸入輸出處理電路原理圖如圖 6 所示，與機(jī)床運(yùn)動控制卡通信信號全部進(jìn)行光耦隔離，并通過指示燈進(jìn)行示意。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 主程序
主程序主要功能：系統(tǒng)初始化設(shè)置、焦點(diǎn)位置與電容值之間的數(shù)據(jù)標(biāo)定以及回零操作。各個(gè)功能封裝成對應(yīng)子程序，分別為初始化子程序、數(shù)據(jù)標(biāo)定子程序和回零子程序，其流程圖如圖 7 所示。
圖 6 開關(guān)量輸入輸出處理電路原理圖
數(shù)據(jù)標(biāo)定子程序流程圖如圖 8 所示。 在數(shù)據(jù)標(biāo)定子程序中，在每個(gè)已知距離的測量點(diǎn)處通過 Pcap01 電容檢測模塊測量電容并進(jìn)行中值濾波， 將測量范圍合理分段后在每一小段上通過最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)距離與電容值之間的標(biāo)定。
圖 7主程序流程圖
圖 8數(shù)據(jù)標(biāo)定子程序流程圖
需要注意的是，當(dāng)工件材質(zhì)或者工作環(huán)境改變時(shí)，焦點(diǎn)距離－電容值特性曲線也會隨之而變化，此時(shí)必須重新進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定。
圖 92ms 定時(shí)中斷子程序流程圖 圖 10 焦點(diǎn)位置檢測子程序流程圖
主控制器中還有一個(gè) 2ms 定時(shí)中斷，其包含 3 個(gè)子程序：焦點(diǎn)位置檢測子程序，焦點(diǎn)位置控制子程序和系統(tǒng)與機(jī)床運(yùn)動控制卡通信子程序。 焦點(diǎn)位置檢測子程序?qū)崿F(xiàn)主控 DSP 對電容檢測單元的電容值讀取； 焦點(diǎn)位置控制子程序?qū)崿F(xiàn)主控 DSP 對電機(jī)的控制電壓輸出；系統(tǒng)與機(jī)床運(yùn)動控制卡通信子程序接收到的指令信號對應(yīng)著系統(tǒng)不同的工作狀態(tài)，其決定著焦點(diǎn)位置檢測子程序中程序的走向。 2ms 定時(shí)中斷子程序流程圖如圖 9 所示。
3．2 焦點(diǎn)位置檢測子程序
焦點(diǎn)位置檢測子程序的功能是實(shí)現(xiàn)主控制器與電容檢測芯片之間的數(shù)據(jù)通信，獲取切割頭與工件之間的電容值，并通過由數(shù)據(jù)標(biāo)定子程序確定的焦點(diǎn)距離與電容值擬合曲線解析式對應(yīng)的焦點(diǎn)距離值，供焦點(diǎn)位置控制子程序調(diào)用。 焦點(diǎn)位置檢測子程序流程圖如圖 10 所示。
3．3 焦點(diǎn)位置控制子程序
焦點(diǎn)位置控制子程序的功能是讀取焦點(diǎn)位置檢測子程序接收的焦點(diǎn)距離反饋值， 并將反饋值代入模糊 PID 控制算法中從而獲取所需的對電機(jī)的控制電壓信號， 實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)距離的閉環(huán)控制。 焦點(diǎn)位置控制子程序流程圖如圖 11 所示。
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在系統(tǒng)測試平臺上， 對系統(tǒng)的具體功能和性能指標(biāo)進(jìn)行詳?shù)臏y試。 設(shè)置完激光切割參數(shù)后 （激光焦點(diǎn)位置參數(shù)設(shè)置為1mm），系統(tǒng)執(zhí)行回零操作使切割頭位于高處 ，按下數(shù)據(jù)標(biāo)定按鈕系統(tǒng)進(jìn)行自動標(biāo)定；標(biāo)定完成后，系統(tǒng)接收到機(jī)床運(yùn)動控制卡發(fā)送過來的跟隨信號后會自動進(jìn)行焦點(diǎn)位置調(diào)節(jié)。為了便于系統(tǒng)控制效果的定量分析，通過主控 DSP 輸出一路與焦點(diǎn)位置值成正比的模擬電壓信號， 并采用運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行適當(dāng)放大后再接入示波器進(jìn)行觀測。 在測試過程中，主要是觀測在階躍信號輸入下系統(tǒng)響應(yīng)速度以及跟隨穩(wěn)定性。經(jīng)過實(shí)際切割和示波器波形觀測，系統(tǒng)的測量精度要很高，偏差低于 0．05mm，焦點(diǎn)距離控制的精度也達(dá)到了 0．1mm，并且在啟動 2 個(gè)交流伺服電機(jī)模擬電磁干擾的情況下系統(tǒng)仍然能夠正常穩(wěn)定工作；焦點(diǎn)控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)預(yù)期，符合金屬激光切割機(jī)的切割要求。
圖 11 焦點(diǎn)位置控制子程序流程圖
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