利用ARM MCU設計激光電源控制系統(tǒng)
來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：秩名2014年01月16日 14:14
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[導讀] 本文重點針對激光焊接應用中的激光電源控制系統(tǒng)進行功能擴展設計，利用ARM控制激光電源的系統(tǒng)設置，包括開關(guān)控制、激光參數(shù)設置、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確、穩(wěn)定和可靠性問題，同時增設人機界面（HMI）顯示控制的友好界面，使用起來更加方便。
關(guān)鍵詞：激光電源ARMMCU
0 引言
隨著激光行業(yè)的飛速發(fā)展，激光器已廣泛應用于工業(yè)加工領域，如激光切割、激光打標、激光調(diào)阻、激光熱處理等，除此之外還被作為診療設備應用于醫(yī)療領域。
激光焊接是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進行焊接的方法，是激光材料加工技術(shù)應用的重要方面之一。
基于ARM的數(shù)字化控制系統(tǒng)能夠有效解決激光器的準確、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對激光電源進行功能擴展控制，能有效提高電源的性價比，簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，增強整機的自動化程度，為整機的功能擴展提供了有利條件。本文重點針對激光焊接應用中的激光電源控制系統(tǒng)進行功能擴展設計，利用ARM控制激光電源的系統(tǒng)設置，包括開關(guān)控制、激光參數(shù)設置、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確、穩(wěn)定和可靠性問題，同時增設人機界面（HMI）顯示控制的友好界面，使用起來更加方便。
1 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)用等多個領域，因此激光電源在激光焊接工藝中應用時具有其獨特的設計需求，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，實際應用中的激光電源產(chǎn)品還需要對其控制系統(tǒng)進行功能擴展和優(yōu)化，設計主要從以下幾個方面進行考慮：
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備使用，所以系統(tǒng)需要利用鍵盤或按鍵作為輸入設備，對激光光源的參數(shù)進行設置。這里采用人機界面（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)進行控制，可以對輸出的激光脈沖波形進行精確控制，滿足不同工件的焊接要求。
1.2 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℃，使用壽命將減少一個數(shù)量級［6-7］。本激光器系統(tǒng)采用水冷的方式進行散熱降溫，因此系統(tǒng)要求具有過溫檢測功能。
1.3 氣閥和光柵
針對激光焊接的實際應用，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，因此需增設氣閥控制和光柵控制功能。
氣閥控制的主要功能是，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操作者的眼睛，要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。
1.4 光斑調(diào)節(jié)
對光斑的控制有兩個要求，一是能夠設置光斑的上、下限；二是能夠通過人機界面調(diào)節(jié)光斑的大小，也就是能對光斑的直徑進行調(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。
激光焊接的基本原理為：
?。?）金屬表面活化，前期預熱，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，進行深層融解過程中，就不在需要這么大功率，否則會出現(xiàn)很大熔池，這時需要適當降低功率，才能保證金屬熔池不繼續(xù)擴大；
（4）當達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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