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(huì)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(guò)程中需要實(shí)時(shí)檢測(cè)激光焦點(diǎn)與被加工對(duì)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(cè)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(dòng)系統(tǒng)，但其無(wú)法加工復(fù)雜表面工件，且存在接觸磨損問(wèn)題。

    針對(duì)上述方法的不足，本文提出基于ARM微控制器STM32F407和微電容測(cè)量芯片PCAP01構(gòu)建的激光切割頭隨動(dòng)系統(tǒng)，具有精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、無(wú)接觸等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(dòng)按鈕等外部硬件控制；電容傳感器主要由PCAP01微電容測(cè)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(guò)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(jí)。本設(shè)計(jì)采用德國(guó)ACAM公司專(zhuān)門(mén)進(jìn)行電容測(cè)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(cè)量精度達(dá)到6 aF，最高測(cè)量頻率達(dá)到500 kHz，并且具有低至幾個(gè)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(huì)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(hào)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(dòng)電路

    伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用了冗余設(shè)計(jì)，通過(guò)切換可兼容主流的松下、臺(tái)大等伺服電機(jī)。驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(kāi)關(guān)電源供電，通過(guò)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(cè)距模塊供電，對(duì)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(xiàn)性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換提供。

3 隨動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    為提高系統(tǒng)可靠性，隨動(dòng)系統(tǒng)軟件部分基于嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III^[6]進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)正常工作時(shí)共調(diào)度4個(gè)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(shí)性要求高的操作均在中斷中處理。同時(shí)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(dòng)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(gè)控制操作都會(huì)自動(dòng)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(chǔ)到消息緩沖區(qū)中。觸摸屏信息處理任務(wù)會(huì)定時(shí)查詢(xún)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(zhǎng)度、指令、數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)五個(gè)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(hào)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(cè)量的電容值為皮法級(jí)，極易收到電磁干擾和切割過(guò)程中飛濺的碎屑的影響，傳統(tǒng)基于均值的濾波方式會(huì)增大延時(shí)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。卡爾曼濾波算法[7]是一種對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)序列進(jìn)行線(xiàn)性最小方差估計(jì)的算法，其計(jì)算量小并可實(shí)時(shí)計(jì)算，同時(shí)能夠?qū)⒃肼晫?duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響以及濾波延時(shí)降到最小。其通過(guò)狀態(tài)方程和觀(guān)測(cè)方程描述一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，如下所示：

    式(1)為狀態(tài)方程，式(2)為觀(guān)測(cè)方程。其中A為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，H為觀(guān)測(cè)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(cè)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(cè)和誤差協(xié)方差預(yù)測(cè)，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?tīng)顟B(tài)的預(yù)測(cè)。

    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(cè)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(xiàn)路寄生電容的影響，在實(shí)際計(jì)算距離時(shí)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(chǔ)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(xiàn)性插補(bǔ)計(jì)算出距離。標(biāo)定時(shí)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(dòng)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(dòng)或連續(xù)運(yùn)動(dòng)；跟隨狀態(tài)下通過(guò)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(shí)，3個(gè)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(dòng)；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(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)精度0.05 mm，靜態(tài)響應(yīng)精度0.001 mm。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(chǎng)和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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