0 引言

    在激光切割加工中，為了保證切割質(zhì)量，激光焦點(diǎn)一般應(yīng)位于被加工工件表面以下板厚約1/3處^[1]，以確保切口處獲得最大激光功率密度。但諸多因素^[2]會使得激光焦點(diǎn)位置與理想位置發(fā)生偏移。因此在加工過程中需要實(shí)時檢測激光焦點(diǎn)與被加工對象的位置關(guān)系，并進(jìn)行調(diào)節(jié)。

    肖金陵等^[3]實(shí)現(xiàn)了基于CCD相機(jī)的激光焦點(diǎn)位置控制系統(tǒng)，但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測速度慢，靈敏度低。陳和平等[4]實(shí)現(xiàn)了基于接觸式傳感器的激光切割頭隨動系統(tǒng)，但其無法加工復(fù)雜表面工件，且存在接觸磨損問題。

    針對上述方法的不足，本文提出基于ARM微控制器STM32F407和微電容測量芯片PCAP01構(gòu)建的激光切割頭隨動系統(tǒng)，具有精度高、實(shí)時性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、無接觸等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定有效，具有良好的可行性和廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    激光切割頭隨動系統(tǒng)主要由主控制器和電容傳感器兩大模塊組成。電容傳感器模塊不斷檢測激光切割頭噴嘴和工件表面形成的平行板電容，主控制器模塊在接收到電容后將其轉(zhuǎn)換為距離信息，控制伺服電機(jī)調(diào)節(jié)保持噴嘴與工件表面的距離，從而保證了激光的焦點(diǎn)一直都在工件的合理位置。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    其中，主控制器主要由ARM STM32F407微控制器、伺服電機(jī)驅(qū)動電路、人機(jī)交互模塊、電源管理電路和差分轉(zhuǎn)換電路組成。電容傳感器模塊主要由PCAP01微電容測量芯片和差分轉(zhuǎn)換電路組成。人機(jī)交互模塊以觸摸屏為主要組成，提供了狀態(tài)監(jiān)控、工藝參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動控制等多項(xiàng)功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

    系統(tǒng)硬件以STM32F407為核心，硬件框圖如圖2所示。伺服控制模塊包括了伺服電機(jī)速度環(huán)控制的模擬量輸出、編碼器的反饋輸入以及其他控制端口。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，伺服控制模塊與STM32F407之間均采用了隔離電路；以觸摸屏為主的人機(jī)交互模塊集成了指示燈、急停按鈕和啟動按鈕等外部硬件控制；電容傳感器主要由PCAP01微電容測量芯片和差分轉(zhuǎn)換電路組成。其中，觸摸屏、高精隔離型D/A和PCAP01分別通過RS232、SPI和PWM與STM32F407通信。

2.2 電容傳感器電路

    激光切割頭噴嘴與工件表面的板極電容很小，一般都是皮法級。本設(shè)計(jì)采用德國ACAM公司專門進(jìn)行電容測量的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片方案PCAP01^[5]，其內(nèi)部集成了單片機(jī)內(nèi)核，最高電容測量精度達(dá)到6 aF，最高測量頻率達(dá)到500 kHz，并且具有低至幾個微安的超低功耗。PCAP01采集的電容信息經(jīng)內(nèi)部的單片機(jī)單元處理會以PWM的形式傳輸出去。本傳感器設(shè)計(jì)將PCAP01的PWM轉(zhuǎn)換成差分信號傳輸給主控制器。其主要電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 伺服電機(jī)驅(qū)動電路

    伺服電機(jī)驅(qū)動電路采用了冗余設(shè)計(jì)，通過切換可兼容主流的松下、臺大等伺服電機(jī)。驅(qū)動電路的模擬量輸出采用ANALOG公司的12位DAC芯片AD5530，其最大電壓輸出范圍為±10 V。由于系統(tǒng)采集的電容值很小，易受電磁干擾影響，而伺服電機(jī)驅(qū)動器的干擾較大。因此伺服電機(jī)與主控制器的所有接口都進(jìn)行了隔離處理，以保證穩(wěn)定性與可靠性。其中DAC芯片的SPI接口采用了ADuM1400ARW磁耦合隔離，其他接口采用了TLP281-4光耦隔離。

2.4 電源電路

    電源電路采用通用的24 V之流開關(guān)電源供電，通過電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)提供24 V、±15 V、5 V、3.3 V五路工作電源。由于±15 V為DAC芯片的電源，5 V為電容測距模塊供電，對穩(wěn)定性要求較高，因此分別由隔離型DC-DC模塊IF2405LS和IB2405LS轉(zhuǎn)化提供。3.3 V是5 V經(jīng)LM1117-3.3V低壓線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換提供。

3 隨動系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    為提高系統(tǒng)可靠性，隨動系統(tǒng)軟件部分基于嵌入式多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-III^[6]進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)正常工作時共調(diào)度4個任務(wù)：觸摸屏信息處理任務(wù)、傳感器數(shù)據(jù)處理任務(wù)、電機(jī)控制任務(wù)、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)，其他實(shí)時性要求高的操作均在中斷中處理。同時系統(tǒng)軟件也提供了基于STM32F407芯片ID的加密認(rèn)證服務(wù)，便于系統(tǒng)的試用管理。啟動流程如圖4所示。

3.1 觸摸屏信息處理模塊

    觸摸屏采用北京迪文公司的DGUS串口屏，觸摸屏的每一個控制操作都會自動下發(fā)一段串口信息。STM32使用UART的DMA(Directional Memory Access)功能將接收到的觸摸屏串口信息存儲到消息緩沖區(qū)中。觸摸屏信息處理任務(wù)會定時查詢消息緩沖區(qū)，若緩沖區(qū)不為空則取出消息，解析消息內(nèi)容并作相應(yīng)處理。其中，觸摸屏信息包含幀頭、數(shù)據(jù)長度、指令、數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)五個字段信息。觸摸屏的消息處理流程如圖5所示。

3.2 傳感器數(shù)據(jù)處理模塊

    本設(shè)計(jì)中將PCAP01芯片的有效采樣率設(shè)為1 kHz，采集的電容值以PWM占空比的形式傳輸出去。STM32在中斷中捕獲電容值信息后將發(fā)送信號量激活傳感器數(shù)據(jù)處理任務(wù)，在此任務(wù)中執(zhí)行電容值卡爾曼濾波和電容值轉(zhuǎn)換為距離兩項(xiàng)任務(wù)。

3.2.1 電容值卡爾曼濾波

    由于測量的電容值為皮法級，極易收到電磁干擾和切割過程中飛濺的碎屑的影響，傳統(tǒng)基于均值的濾波方式會增大延時降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，因此本模塊采用了卡爾曼濾波算法?？柭鼮V波算法[7]是一種對動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)序列進(jìn)行線性最小方差估計(jì)的算法，其計(jì)算量小并可實(shí)時計(jì)算，同時能夠?qū)⒃肼晫ο到y(tǒng)狀態(tài)的影響以及濾波延時降到最小。其通過狀態(tài)方程和觀測方程描述一個動態(tài)系統(tǒng)，如下所示：

    式(1)為狀態(tài)方程，式(2)為觀測方程。其中A為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，H為觀測矩陣，u(k)、v(k)分別是協(xié)方差為Q和R的零均值高斯噪聲。

    卡爾曼濾波包括預(yù)測和更新兩部分，其算法流程如下：

    首先使用式(3)和式(4)分別進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測和誤差協(xié)方差預(yù)測，在利用式(5)計(jì)算增益系數(shù)后，使用式(6)和式(7)分別更新系統(tǒng)狀態(tài)和先驗(yàn)協(xié)方差。重復(fù)以上步驟，不斷完成新狀態(tài)的預(yù)測。

    電容值卡爾曼濾波的效果如圖6所示，有效濾除了噪聲的影響，且濾波結(jié)果的延遲很小。

3.2.2 電容值轉(zhuǎn)換為距離

    電容傳感器測量噴嘴與工件表面的距離基于平行板電容數(shù)學(xué)模型^[8]：

    由于線路寄生電容的影響，在實(shí)際計(jì)算距離時不能直接依據(jù)此理論模型。本設(shè)計(jì)在正常運(yùn)行前，首先進(jìn)行距離與電容關(guān)系的標(biāo)定，將標(biāo)定的數(shù)據(jù)存儲在STM32內(nèi)部Flash中。在濾波獲取電容值后，根據(jù)標(biāo)定的關(guān)系表進(jìn)行線性插補(bǔ)計(jì)算出距離。標(biāo)定時取的點(diǎn)越多越密，計(jì)算的結(jié)果越精確。

3.3 電機(jī)控制模塊

    本系統(tǒng)中，伺服電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)有空走、跟隨、蛙跳3種狀態(tài)。空走狀態(tài)下處理觸摸屏的控制信息，控制切割頭點(diǎn)動或連續(xù)運(yùn)動；跟隨狀態(tài)下通過電容傳感器獲取距離信息，根據(jù)與設(shè)定間距的差值進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，跟隨狀態(tài)下碰到下限位則進(jìn)入蛙跳狀態(tài)。蛙跳狀態(tài)下控制切割頭上移一大段距離后，重新進(jìn)入跟隨狀態(tài)。切割頭在碰到上限位時，3個狀態(tài)下均將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為0，只允許切割頭向下運(yùn)動；若碰到下限位，在空走狀態(tài)下為確保安全立即控制切割頭上移直至碰到上限位停止，而跟隨狀態(tài)下則進(jìn)入蛙跳狀態(tài)。其控制流程如圖7所示。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32和PCAP01的激光切割頭隨動系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PCAP01為電容傳感器，以STM32F407為控制器為控制核心，完成了激光切割頭高度的跟隨。其電容的采樣率達(dá)到1 kHz，最快跟隨速度500 mm/s，動態(tài)響應(yīng)精度0.05 mm，靜態(tài)響應(yīng)精度0.001 mm?，F(xiàn)場測試表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、響應(yīng)速度快、跟隨精度高、操作便利等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)必有廣闊的市場和應(yīng)用前景。

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