高精度、自動測距的激光切割控制器研制

孫 旭,吳雄鷹,閆 萍,謝興紅（成都理工大學信息科學與技術(shù)學院,成都 610000）

高精度、自動測距的激光切割控制器研制

孫 旭,吳雄鷹,閆 萍,謝興紅
（成都理工大學信息科學與技術(shù)學院,成都 610000）

本系統(tǒng)以激光切割機為主體，實現(xiàn)了高精度的自動測距控制器的研制，以達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；提出了軟件模型建立和硬件實現(xiàn)方法。軟件仿真和目標板的調(diào)試結(jié)果表明：自動測距功能和精度滿足應(yīng)用需要，可以改善切割的質(zhì)量。這對于解決高速實時數(shù)據(jù)處理和誤差分析計算，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化控制具有重要意義。最后，文章指出了進一步開展應(yīng)用研究所要改進的設(shè)想和技術(shù)發(fā)展趨勢。

激光切割;自動測距;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配合進行工作，［1-2］實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)處理和誤差計算分析；采用高速光電編碼器，自動檢測待加工工件與激光頭的距離，實現(xiàn)系統(tǒng)自動化［3］。

2 系統(tǒng)模型設(shè)計

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)接收來自速度檢測系統(tǒng)的信號，并進行處理得到生產(chǎn)線速度，計算出切割位置和切割軌跡，補償生產(chǎn)線連續(xù)運動帶來的包裝紙位移，輸出控制信號給激光器和光學掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)切割動作［3-6］。

圖1 系統(tǒng)主體框圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 嵌入式處理單元LM3S6911

Luminary Micro公司所提供的微控制器，它們對嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來了高性能32位運算能力。該LM3S6911微控制器優(yōu)勢在于方便運用多種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是一個性價比很高的FPGA系列。EPlC3T144C8芯片采用1．5V內(nèi)核電壓，O．33 umSRAM工藝，具有的特點有：

（1）邏輯資源豐富，邏輯單元（LE）數(shù)量為2910個。

（2）有104個可用I/O引腳，I/O輸出可根據(jù)需要調(diào)整驅(qū)動能力。

（3）多電壓接口，支持LVTTL等I/O標準。

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

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

圖3 EP13C144C8典型JTAG調(diào)試接口

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

為實現(xiàn)實時測量，軟件設(shè)計中采用光電編碼器和SOC技術(shù)，采用功能強大的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 距離測量及誤差單元框圖

5 系統(tǒng)測試及展望

通過調(diào)試系統(tǒng)，最后測試基本達到設(shè)計要求。單次測量最大時間小于3ms,測量精度小于0.5mm。通過了中國測試研究院的基本測試，達到較好效果。激光切割系統(tǒng)發(fā)展方向為：

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

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

（3）對需求精度高的場合可以采用先進的實時反饋裝置對加工誤差進行修正。

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

（5）測量方法從接觸式測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].揚州職業(yè)大學學報,2008,12（01）：28-30

[3]彭偉鴻.激光高速在線切割時的實時控制系統(tǒng)設(shè)計[D].碩士,華中科技大學,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].激光與光電子學進展,2011（07）.

具有自動測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。