高精度、自動(dòng)測(cè)距的激光切割控制器研制

孫 旭,吳雄鷹,閆 萍,謝興紅（成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610000）

高精度、自動(dòng)測(cè)距的激光切割控制器研制

孫 旭,吳雄鷹,閆 萍,謝興紅
（成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610000）

本系統(tǒng)以激光切割機(jī)為主體，實(shí)現(xiàn)了高精度的自動(dòng)測(cè)距控制器的研制，以達(dá)到高效和高精確的工件加工。本文給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)；提出了軟件模型建立和硬件實(shí)現(xiàn)方法。軟件仿真和目標(biāo)板的調(diào)試結(jié)果表明：自動(dòng)測(cè)距功能和精度滿足應(yīng)用需要，可以改善切割的質(zhì)量。這對(duì)于解決高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和誤差分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化控制具有重要意義。最后，文章指出了進(jìn)一步開展應(yīng)用研究所要改進(jìn)的設(shè)想和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

激光切割;自動(dòng)測(cè)距;集成電路

1 引言

本系統(tǒng)是采用超大規(guī)模集成電路SOC和可編程邏輯器件FPGA配合進(jìn)行工作，［1-2］實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和誤差計(jì)算分析；采用高速光電編碼器，自動(dòng)檢測(cè)待加工工件與激光頭的距離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化［3］。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

如圖1中，該切割系統(tǒng)以控制系統(tǒng)為核心［3-5］。控制系統(tǒng)接收來自速度檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)，并進(jìn)行處理得到生產(chǎn)線速度，計(jì)算出切割位置和切割軌跡，補(bǔ)償生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)動(dòng)帶來的包裝紙位移，輸出控制信號(hào)給激光器和光學(xué)掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)切割動(dòng)作［3-6］。

圖1 系統(tǒng)主體框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式處理單元LM3S6911

Luminary Micro公司所提供的微控制器，它們對(duì)嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來了高性能32位運(yùn)算能力。該LM3S6911微控制器優(yōu)勢(shì)在于方便運(yùn)用多種ARM的開發(fā)工具和片上系統(tǒng)（SOC）的底層IP應(yīng)用方案。如圖2。

圖2 LM3S6911復(fù)位電路圖

3.2 可編程邏輯器件EP1C3144C8

Altera Cyclone是一個(gè)性價(jià)比很高的FPGA系列。EPlC3T144C8芯片采用1．5V內(nèi)核電壓，O．33 umSRAM工藝，具有的特點(diǎn)有：

（1）邏輯資源豐富，邏輯單元（LE）數(shù)量為2910個(gè)。

（2）有104個(gè)可用I/O引腳，I/O輸出可根據(jù)需要調(diào)整驅(qū)動(dòng)能力。

（3）多電壓接口，支持LVTTL等I/O標(biāo)準(zhǔn)。

（4）內(nèi)有SignalTap嵌入式邏輯分析儀器，方便設(shè)計(jì)者對(duì)芯片內(nèi)部邏輯檢查。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 EP13C144C8典型JTAG調(diào)試接口

本設(shè)計(jì)的軟件按模塊劃分，系統(tǒng)距離計(jì)算測(cè)量和誤差單元的框圖如圖4。

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，軟件設(shè)計(jì)中采用光電編碼器和SOC技術(shù)，采用功能強(qiáng)大的MatLab軟件，可定量分析距離和加工精度以及效率間的關(guān)系。

圖4 距離測(cè)量及誤差單元框圖

5 系統(tǒng)測(cè)試及展望

通過調(diào)試系統(tǒng)，最后測(cè)試基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。單次測(cè)量最大時(shí)間小于3ms,測(cè)量精度小于0.5mm。通過了中國測(cè)試研究院的基本測(cè)試，達(dá)到較好效果。激光切割系統(tǒng)發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

（1）開放式系統(tǒng)的研究，使運(yùn)動(dòng)控制器可以與不同的系統(tǒng)相連接，具有更好的擴(kuò)展性。

（2）研究高性能的控制卡或數(shù)控系統(tǒng)及其在運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用。

（3）對(duì)需求精度高的場(chǎng)合可以采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)反饋裝置對(duì)加工誤差進(jìn)行修正。

（4）激光切割雕刻設(shè)備需求量增加，使激光切割雕刻設(shè)備的價(jià)格下降，性能得到提高。

（5）測(cè)量方法從接觸式測(cè)量向非接觸式方式發(fā)展。

[1]張永康.激光加工技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[2]何月鵬,王隆太.影響激光切割質(zhì)量的因素分析[J].揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,12（01）：28-30

[3]彭偉鴻.激光高速在線切割時(shí)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].碩士,華中科技大學(xué),2011:1-58.

[4]司立眾.激光切割模切板割縫垂直度問題研究影[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2011（07）.

具有自動(dòng)測(cè)距功能的高精度激光切割控制器的研制（2011GZ0184）

孫旭（1956-）,男,副教授,研究方向：數(shù)字通信、信息安全。