利用ARM MCU设计激光电源控制系统

时间:2022-03-17来源:佚名

基于ARM的数字化控制系统能够有效解决激光器的准确、稳定和可靠性问题,数字化、智能化是激光器的必然发展方向。使用ARM对激光电源进行功能扩展控制,能有效提高电源的性价比,简化激光电源的硬件结构,增强整机的自动化程度,为整机的功能扩展提供了有利条件。本文重点针对激光焊接应用中的激光电源控制系统进行功能扩展设计,利用ARM控制激光电源的系统设置,包括开关控制、激光参数设置、光栅控制、光阀控制、温度控制等,有效地解决了激光器在焊接过程中的准确、稳定和可靠性问题,同时增设人机界面(HMI)显示控制的友好界面,使用起来更加方便。

1 激光电源的控制功能要求

激光焊接目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域,因此激光电源在激光焊接工艺中应用时具有其独特的设计需求,除了激光发生器的性能要高外,还要求其具有高效率、高可靠性、工作寿命长等优点,实际应用中的激光电源产品还需要对其控制系统进行功能扩展和优化,设计主要从以下几个方面进行考虑:

1.1 显示和控制

传统激光器的显示屏多采用点阵液晶显示,由于液晶显示屏只能单纯作显示设备使用,所以系统需要利用键盘或按键作为输入设备,对激光光源的参数进行设置。这里采用人机界面(即触摸屏)作为显示和控制界面,操作更加方便,界面也更加友好。以ARM作为CPU来对系统进行控制,可以对输出的激光脉冲波形进行精确控制,满足不同工件的焊接要求。

1.2 散热

激光电源的许多参数(如波长、阈值电流、效率和寿命)都与温度密切相关,因此希望尽可能低而稳定的工作温度。实验表明,当工作环境温度升高时,激光电源的输出功率将降低,且激光电源外壳每升高30℃,使用寿命将减少一个数量级[6-7]。本激光器系统采用水冷的方式进行散热降温,因此系统要求具有过温检测功能。

1.3 气阀和光栅

针对激光焊接的实际应用,在焊接的过程中要充分考虑到操作人员的人身健康和安全。因此在设计激光电源控制系统中,还需要综合考虑其他辅助功能,比如在焊接时高温会使金属汽化产生烟雾,同时在焊接过程中激光散射也会对操作人员的眼睛产生影响,因此需增设气阀控制和光栅控制功能。

气阀控制的主要功能是,在激光焊接的时候,高温会让金属汽化从而产生烟雾,设置一个空气泵把产生的烟雾吹走,而且焊接结束后,再延时吹5~10s。为了在激光焊接的过程中保护操作者的眼睛,要求焊接瞬间光栅闭合,避免焊接时散光辐射人眼,因此系统需具有光栅控制功能。

1.4 光斑调节

对光斑的控制有两个要求,一是能够设置光斑的上、下限;二是能够通过人机界面调节光斑的大小,也就是能对光斑的直径进行调节。

1.5 精确激光脉冲控制

IGBT功率控制器作为主开关器件用于控制激光灯的输出脉冲[8-9]。一般的激光电源多采用单段方形的激光脉冲,激光打出的焊点可能会出现溅射、坑洼、穿孔等现象。

激光焊接的基本原理为:

(1)金属表面活化,前期预热,避免加热过快让金属表面溅射;

(2)激光打在金属表面初期,需要较大的功率让金属表面融解;

(3)表层金属融解后,进行深层融解过程中,就不在需要这么大功率,否则会出现很大熔池,这时需要适当降低功率,才能保证金属熔池不继续扩大;

(4)当达到需要的融解深度时,如果直接切断激光,熔池表层硬化闭合可能会出现气孔等现象,这时需要进一步降低激光功率,缓慢淡出激光功率,才可以让熔池中融解的金属回流凝固,保证激光焊点的平整。

2 器件选型和系统硬件组成

2.1 主要器件的选型

(1)CPU选型。系统控制单元的核心是完成控制任务所必须的关键电路,本设计以集成ARM公司高性能“Cortex-M3”内核的STM32F101C8T6为核心来设计激光电源的数字控制系统,发挥其高速、低功耗的功能,可以实现各种复杂控制功能,同时简化激光电源控制部分的硬件结构,增强了自动化程度和功能扩展能力。

(2)人机界面选型。人机界面选用的是型号为FE2070的4线工业电阻触摸屏,用它代替传统的分离式按键控制和液晶显示,用户只要用手指轻轻地触碰显示屏上的图符或文字就能实现对主机的操作,从而使激光电源的人机交互更为直截了当。

2.2 系统硬件组成

系统的控制指令是由CPU发出的,负责系统的显示和各项控制。STM32F101C8T6有3串口:一个连接IGBT控制板,一个连接HMI通信,一个连接PC用于控制系统升级。系统的硬件电路整体结构框图如图1所示。

相关阅读

三类建筑照明设计详解

全世界的建筑风格不尽相同,造型各异,所属的建筑流派也不相同。而对这些建筑做照明设计 时,建筑照明设计师需要考虑到建筑的外观造型、建筑的风格流派和建筑的外墙材质等,而...
2022-07-15

夜景亮化设计赋予校园景观更强的生命力

校园夜景亮化是艺术与科技的精湛结合,让校园在夜晚得以重塑重构,展现白天无法体现的魅力与特色。 夜景亮化设计可以根据各个学校的文化特点营造文化氛围,不同的灯光方式可以...
2022-07-22
夜景亮化设计赋予校园景观更强的生命力

住宅小区亮化工程要做到以下四点

现如今,伴随着房地产行业的快速发展趋势,在之前,仅有在别墅楼盘或是一些高端的小区才会有的灯光亮化工程。而如今,住宅小区亮化工程也愈来愈广泛,墙体灯光亮化工程好像变...
2022-09-01
住宅小区亮化工程要做到以下四点

为什么景区变得越来越注重景观照明工程?

随着人们日常消费习惯的改变,夜市经济发展将再次得到提升,景区夜游将成为区域游客的集中地,将成为带动区域旅游贸易的更大模块。景区照明是夜间旅游项目的主要方式。接下来...
2022-08-03
为什么景区变得越来越注重景观照明工程?

度假村照明设计三大要点

如今,不管是海滨度假村、温泉度假村、森林度假村还是水景度假村都会给人营造一个回归自然、享受自然的舒适氛围。度假村这种主打绿色、静谧、舒适的环境越来越成为人们热捧的...
2022-07-15

热销商品

聚氨酯优力胶牛筋垫片PU垫片缓冲垫圆形密封垫圈减震垫O型垫 加工

聚氨酯优力胶(PU)牛筋垫片是一种高性能弹性密封减震元件,采用优质聚氨酯材料精密加工而成。具有优异的耐磨性、抗撕裂性、耐油性和耐老化性能,适用于高负荷、高频振动...
5

扎丝,葡萄扎丝、扎丝绑丝、铁丝扎带、电镀锌铁丝扎线、捆扎铁丝

扎丝是一种广泛应用于农业、园艺、建筑和包装等领域的金属绑扎材料,常见类型包括葡萄扎丝、扎丝绑丝、铁丝扎带、电镀锌铁丝扎线和捆扎铁丝等。其中,葡萄扎丝专为葡...
9.3

内六角扳手高硬度加长球头六棱六方扳手3456781012mm平头小空间

内六角扳手高硬度加长球头六棱六方扳手,专为狭小空间作业设计,提供3、4、5、6、7、8、10、12mm多种规格,满足不同需求。采用优质合金钢材质,经热处理工艺,硬度高、耐磨...
2.55

橡胶包边条u型骨架密封条机械钣金桥架防割手装饰护口保护条卡条

橡胶包边条U型骨架密封条是一种广泛应用于机械、钣金、桥架等金属边缘的安全防护配件。其采用优质橡胶材质,内嵌U型钢骨架,兼具柔韧性与结构强度,可牢固卡装在金属板...
1.28

O型圈密封圈丁睛胶圈油封氟胶硅胶圈高压耐磨橡胶超大O型胶圈大全

O型圈密封圈是一种广泛应用于机械、液压、气动及管道系统中的关键密封元件。本产品涵盖丁腈胶(NBR)、氟橡胶(FKM)、硅胶(VMQ)等多种材质,具备优异的耐油、耐高温、耐腐蚀...
1

网站栏目