基于ARM的激光電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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)定和可靠性問題，數(shù)字化、智能化是激光器的必然發(fā)展方向。使用ARM對激光電源進(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程中的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問題，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、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中的激光電源產(chǎn)品還需要對其控制系統(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)需要利用鍵盤或按鍵作為輸入設(shè)備，對激光光源的參數(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來對系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以對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、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[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)要求具有過溫檢測功能。

　　1.3 氣閥和光柵

　　針對激光焊接的實(shí)際應(yīng)用，在焊接的過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)高溫會使金屬汽化產(chǎn)生煙霧，同時(shí)在焊接過程中激光散射也會對操作人員的眼睛產(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5~10 s.為了在激光焊接的過程中保護(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；二是能夠通過人機(jī)界面調(diào)節(jié)光斑的大小，也就是能對光斑的直徑進(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)可能會出現(xiàn)濺射、坑洼、穿孔等現(xiàn)象。

　　激光焊接的基本原理為：

　?。?）金屬表面活化，前期預(yù)熱，避免加熱過快讓金屬表面濺射；

　?。?）激光打在金屬表面初期，需要較大的功率讓金屬表面融解；

　?。?）表層金屬融解后，進(jìn)行深層融解過程中，就不在需要這么大功率，否則會出現(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

　?。?）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。

　?。?）人機(jī)界面選型。人機(jī)界面選用的是型號為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。系統(tǒng)的硬件電路整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。