0 引言

    在激光切割加工中，為了保證切割質量，激光焦點一般應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]會使得激光焦點位置與理想位置發生偏移。因此在加工過程中需要實時檢測激光焦點與被加工對象的位置關系，并進行調節。

    肖金陵等^[3]實現了基于CCD相機的激光焦點位置控制系統，但其系統結構復雜，檢測速度慢，靈敏度低。陳和平等[4]實現了基于接觸式傳感器的激光切割頭隨動系統，但其無法加工復雜表面工件，且存在接觸磨損問題。

    針對上述方法的不足，本文提出基于ARM微控制器STM32F407和微電容測量芯片PCAP01構建的激光切割頭隨動系統，具有精度高、實時性強、穩定性高、無接觸等優點。經實際應用測試，該系統工作穩定有效，具有良好的可行性和廣闊的應用前景。

1 系統總體設計

    激光切割頭隨動系統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換為距離信息，控制伺服電機調節保持噴嘴與工件表面的距離，從而保證了激光的焦點一直都在工件的合理位置。系統總體結構圖如圖1所示。

    其中，主控制器主要由ARM STM32F407微控制器、伺服電機驅動電路、人機交互模塊、電源管理電路和差分轉換電路組成。電容傳感器模塊主要由PCAP01微電容測量芯片和差分轉換電路組成。人機交互模塊以觸摸屏為主要組成，提供了狀態監控、工藝參數設置、運動控制等多項功能。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件結構

    系統硬件以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速度環控制的模擬量輸出、編碼器的反饋輸入以及其他控制端口。為了提高系統穩定性，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交互模塊集成了指示燈、急停按鈕和啟動按鈕等外部硬件控制；電容傳感器主要由PCAP01微電容測量芯片和差分轉換電路組成。其中，觸摸屏、高精隔離型D/A和PCAP01分別通過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。本設計采用德國ACAM公司專門進行電容測量的電容數字轉換芯片方案PCAP01^[5]，其內部集成了單片機內核，最高電容測量精度達到6 aF，最高測量頻率達到500 kHz，并且具有低至幾個微安的超低功耗。PCAP01采集的電容信息經內部的單片機單元處理會以PWM的形式傳輸出去。本傳感器設計將PCAP01的PWM轉換成差分信號傳輸給主控制器。其主要電路設計如圖3所示。

2.3 伺服電機驅動電路

    伺服電機驅動電路采用了冗余設計，通過切換可兼容主流的松下、臺大等伺服電機。驅動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。由于系統采集的電容值很小，易受電磁干擾影響，而伺服電機驅動器的干擾較大。因此伺服電機與主控制器的所有接口都進行了隔離處理，以保證穩定性與可靠性。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之流開關電源供電，通過電源轉換為系統提供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為電容測距模塊供電，對穩定性要求較高，因此分別由隔離型DC-DC模塊IF2405LS和IB2405LS轉化提供。3.3 V是5 V經LM1117-3.3V低壓線性穩壓器轉換提供。

3 隨動系統軟件設計

    為提高系統可靠性，隨動系統軟件部分基于嵌入式多任務實時操作系統μC/OS-III^[6]進行開發。系統正常工作時共調度4個任務：觸摸屏信息處理任務、傳感器數據處理任務、電機控制任務、系統狀態監控任務，其他實時性要求高的操作均在中斷中處理。同時系統軟件也提供了基于STM32F407芯片ID的加密認證服務，便于系統的試用管理。啟動流程如圖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，觸摸屏的每一個控制操作都會自動下發一段串口信息。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到消息緩沖區中。觸摸屏信息處理任務會定時查詢消息緩沖區，若緩沖區不為空則取出消息，解析消息內容并作相應處理。其中，觸摸屏信息包含幀頭、數據長度、指令、數據、CRC校驗五個字段信息。觸摸屏的消息處理流程如圖5所示。

3.2 傳感器數據處理模塊

    本設計中將PCAP01芯片的有效采樣率設為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送信號量激活傳感器數據處理任務，在此任務中執行電容值卡爾曼濾波和電容值轉換為距離兩項任務。

3.2.1 電容值卡爾曼濾波

    由于測量的電容值為皮法級，極易收到電磁干擾和切割過程中飛濺的碎屑的影響，傳統基于均值的濾波方式會增大延時降低系統調節的響應速度，因此本模塊采用了卡爾曼濾波算法。卡爾曼濾波算法[7]是一種對動態系統的狀態序列進行線性最小方差估計的算法，其計算量小并可實時計算，同時能夠將噪聲對系統狀態的影響以及濾波延時降到最小。其通過狀態方程和觀測方程描述一個動態系統，如下所示：

    式(1)為狀態方程，式(2)為觀測方程。其中A為系統狀態轉移矩陣，H為觀測矩陣，u(k)、v(k)分別是協方差為Q和R的零均值高斯噪聲。

    卡爾曼濾波包括預測和更新兩部分，其算法流程如下：

    首先使用式(3)和式(4)分別進行系統狀態預測和誤差協方差預測，在利用式(5)計算增益系數后，使用式(6)和式(7)分別更新系統狀態和先驗協方差。重復以上步驟，不斷完成新狀態的預測。

    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，且濾波結果的延遲很小。

3.2.2 電容值轉換為距離

    電容傳感器測量噴嘴與工件表面的距離基于平行板電容數學模型^[8]：

    由于線路寄生電容的影響，在實際計算距離時不能直接依據此理論模型。本設計在正常運行前，首先進行距離與電容關系的標定，將標定的數據存儲在STM32內部Flash中。在濾波獲取電容值后，根據標定的關系表進行線性插補計算出距離。標定時取的點越多越密，計算的結果越精確。

3.3 電機控制模塊

    本系統中，伺服電機的運動狀態有空走、跟隨、蛙跳3種狀態。空走狀態下處理觸摸屏的控制信息，控制切割頭點動或連續運動；跟隨狀態下通過電容傳感器獲取距離信息，根據與設定間距的差值進行高度調節，跟隨狀態下碰到下限位則進入蛙跳狀態。蛙跳狀態下控制切割頭上移一大段距離后，重新進入跟隨狀態。切割頭在碰到上限位時，3個狀態下均將電機轉速設為0，只允許切割頭向下運動；若碰到下限位，在空走狀態下為確保安全立即控制切割頭上移直至碰到上限位停止，而跟隨狀態下則進入蛙跳狀態。其控制流程如圖7所示。

4 結論

    本文設計了一種基于STM32和PCAP01的激光切割頭隨動系統，該系統以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。其電容的采樣率達到1 kHz，最快跟隨速度500 mm/s，動態響應精度0.05 mm，靜態響應精度0.001 mm。現場測試表明，該系統具有可靠性高、響應速度快、跟隨精度高、操作便利等優點。該系統必有廣闊的市場和應用前景。

參考文獻

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[3] 肖金陵，虞瑤.基于CCD的激光切割焦點位置控制系統的設計與實現[J].光電技術應用，2006，21(4)：42-46.

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