基于ARM的激光電源控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

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1、基于ARM的激光電源控制系統(tǒng)設(shè)計    0引言  隨著激光行業(yè)的飛速發(fā)展,激光器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)加工領(lǐng)域,如激光切割、激光打標(biāo)、激光調(diào)阻、激光熱處理等,除此之外還被作為診療設(shè)備應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域?! 〖す夂附邮且跃劢沟募す馐鳛槟茉崔Z擊焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的方法,是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一?! 』贏RM的數(shù)字化控制系統(tǒng)能夠有效解決激光器的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問題,數(shù)字化、智能化是激光器的必然發(fā)展方向。使用ARM對激光電源進(jìn)行功能擴(kuò)展控制,能有效提高電源的性價比,簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu),增強(qiáng)整機(jī)的自動化程度,為整機(jī)的功能擴(kuò)展提供了有利條件。本文重點針對激光焊接應(yīng)用中

2、的激光電源控制系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展設(shè)計,利用ARM控制激光電源的系統(tǒng)設(shè)置,包括開關(guān)控制、激光參數(shù)設(shè)置、光柵控制、光閥控制、溫度控制等,有效地解決了激光器在焊接過程中的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問題,同時增設(shè)人機(jī)界面(HMI)顯示控制的友好界面,使用起來更加方便?!   ?激光電源的控制功能要求  激光焊接目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽車制造、壓力容器制造、民用及醫(yī)用等多個領(lǐng)域,因此激光電源在激光焊接工藝中應(yīng)用時具有其獨特的設(shè)計需求,除了激光發(fā)生器的性能要高外,還要求其具有高效率、高可靠性、工作壽命長等優(yōu)點,實際應(yīng)用中的激光電源產(chǎn)品還需要對其控制系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展和優(yōu)化,設(shè)計主

3、要從以下幾個方面進(jìn)行考慮:    1.1顯示和控制  傳統(tǒng)激光器的顯示屏多采用點陣液晶顯示,由于液晶顯示屏只能單純作顯示設(shè)備使用,所以系統(tǒng)需要利用鍵盤或按鍵作為輸入設(shè)備,對激光光源的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這里采用人機(jī)界面(即觸摸屏)作為顯示和控制界面,操作更加方便,界面也更加友好。以ARM作為CPU來對系統(tǒng)進(jìn)行控制,可以對輸出的激光脈沖波形進(jìn)行精確控制,滿足不同工件的焊接要求?!   ?.2散熱  激光電源的許多參數(shù)(如波長、閾值電流、效率和壽命)都與溫度密切相關(guān),因此希望盡可能低而穩(wěn)定的工作溫度。實驗表明,當(dāng)工作環(huán)境溫度升高時,激光電源的輸出功率將降低,且激光電源外殼每升高30℃

4、,使用壽命將減少一個數(shù)量級[6-7]。本激光器系統(tǒng)采用水冷的方式進(jìn)行散熱降溫,因此系統(tǒng)要求具有過溫檢測功能?!   ?.3氣閥和光柵  針對激光焊接的實際應(yīng)用,在焊接的過程中要充分考慮到操作人員的人身健康和安全。因此在設(shè)計激光電源控制系統(tǒng)中,還需要綜合考慮其他輔助功能,比如在焊接時高溫會使金屬汽化產(chǎn)生煙霧,同時在焊接過程中激光散射也會對操作人員的眼睛產(chǎn)生影響,因此需增設(shè)氣閥控制和光柵控制功能?! 忾y控制的主要功能是,在激光焊接的時候,高溫會讓金屬汽化從而產(chǎn)生煙霧,設(shè)置一個空氣泵把產(chǎn)生的煙霧吹走,而且焊接結(jié)束后,再延時吹5~10s.為了在激光焊接的過程中保護(hù)操作者的眼睛,要

5、求焊接瞬間光柵閉合,避免焊接時散光輻射人眼,因此系統(tǒng)需具有光柵控制功能?!   ?.4光斑調(diào)節(jié)  對光斑的控制有兩個要求,一是能夠設(shè)置光斑的上、下限;二是能夠通過人機(jī)界面調(diào)節(jié)光斑的大小,也就是能對光斑的直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。    1.5精確激光脈沖控制  IGBT功率控制器作為主開關(guān)器件用于控制激光燈的輸出脈沖[8-9]。一般的激光電源多采用單段方形的激光脈沖,激光打出的焊點可能會出現(xiàn)濺射、坑洼、穿孔等現(xiàn)象?! 〖す夂附拥幕驹頌椋骸 。?)金屬表面活化,前期預(yù)熱,避免加熱過快讓金屬表面濺射; ?。?)激光打在金屬表面初期,需要較大的功率讓金屬表面融解; ?。?)表層金屬融解后

6、,進(jìn)行深層融解過程中,就不在需要這么大功率,否則會出現(xiàn)很大熔池,這時需要適當(dāng)降低功率,才能保證金屬熔池不繼續(xù)擴(kuò)大; ?。?)當(dāng)達(dá)到需要的融解深度時,如果直接切斷激光,熔池表層硬化閉合可能會出現(xiàn)氣孔等現(xiàn)象,這時需要進(jìn)一步降低激光功率,緩慢淡出激光功率,才可以讓熔池中融解的金屬回流凝固,保證激光焊點的平整。

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