基于ARM的嵌入式Y(jié)AG自動調(diào)光控制系統(tǒng)設(shè)計

李九六+肖功利

摘 要：在激光加工領(lǐng)域，以YAG固體激光器作為主要激光發(fā)射源的激光切割機在進行金屬處理中，會因為鏡片、機械形變導(dǎo)致光束不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致被加工對象切割質(zhì)量不穩(wěn)定。本研究運用以四象限探測器的跟蹤定位算法為核心算法，同時運用嵌入式和自動控制理論，搭建了一套固體激光器的光路自動穩(wěn)定系統(tǒng)。本系統(tǒng)對固體激光器的光路優(yōu)化驗證，證明能提高固體激光器穩(wěn)定輸出的性能。

關(guān)鍵詞：YAG激光器；嵌入式；光路自動穩(wěn)定；跟蹤定位算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.050

1 引言

固體激光器在金屬加工領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用基礎(chǔ)，其高功率，大能量，高可靠，維護方便等特性使其成為工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域的常見加工激光器。但是激光切割機在進行金屬處理中，會因為鏡片、機械形變導(dǎo)致光束不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致被加工對象切割質(zhì)量不穩(wěn)定。本系統(tǒng)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，通過采集四象限探測器的數(shù)據(jù)，得到光路目前的偏移量，通過四象限探測器的跟蹤定位算法為核心算法對分別對半反，全反以及激光準直模塊的進行控制，固體激光器的光路優(yōu)化，同時保證YAG光路的正常使用，提高了效率。

2 YAG激光器以及改進結(jié)構(gòu)

固體激光器的光路優(yōu)化，改進固體激光器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

（1）準直激光模組。紅色定位模組由紅色激光器、4維微調(diào)架構(gòu)成，在調(diào)節(jié)光路過程中起到投射直線定位作用，本模塊4維微調(diào)架內(nèi)置2套微型伺服系統(tǒng)。

（2）2軸伺服全反鏡模組。全反鏡模組由全反HR鏡片以及2維微調(diào)架構(gòu)成。本模塊2維微調(diào)架內(nèi)置2套微型伺服系統(tǒng)。

（3）半反鏡模組。半反鏡模組由全反HR鏡片以及2維微調(diào)架構(gòu)成，本模塊2維微調(diào)架內(nèi)置2套微型伺服系統(tǒng)。其模塊和全反進鏡模組結(jié)構(gòu)一致，只是安裝方向相反。

（4）四象限光電傳感器。

3 基于ARM的調(diào)光控制系統(tǒng)

本方案控制系統(tǒng)采用ARM為核心的嵌入式集成電路，驅(qū)動系統(tǒng)采用專用驅(qū)動功能芯片為核心的6軸微型伺服系統(tǒng)，通過模擬量整形接口電路對四象限光電傳感器進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)核心算法計算，同時對6路微伺服電機進行控制，達到自動調(diào)節(jié)光路的目的。

4 調(diào)光控制系統(tǒng)硬件

經(jīng)過廣泛調(diào)研、反復(fù)比較，本系統(tǒng)最終采用意法公司的微處理芯片STM32F103RF作為中央處理器，在YL-STM32F103開發(fā)板上完成相關(guān)測試。有伺服驅(qū)動芯片L6203P、四象限光電探測模塊、模擬采集芯片ADS7841及調(diào)理電路等構(gòu)成。

5 控制系統(tǒng)算法以及軟件設(shè)計

5.1 控制系統(tǒng)算法

本文為達到快速定位激光光束位置的目的，提出了一種高速實時定位算法，利用激光光斑的投射面積以及位置實現(xiàn)目標的定位。該算法步驟如下：

（1）根據(jù)激光光點投射到傳感器的位置，通過采集電路得到其投射面積與電壓的對應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)字模擬電路讀出具體的數(shù)值；

（2）采集在激光光點4個象限上激光器的數(shù)值，計算出激光光點的投影面積的變化率；

（3）激光光點強度的變化趨勢可以通過自適應(yīng)算法來確定，如果需要可以通過對得到的數(shù)據(jù)進行放大或者縮小使得其投射在標定的范圍內(nèi)。動態(tài)調(diào)整分辨率和對其跟蹤精度進行再次校準，從而提高其響應(yīng)速度和精度；

（4）激光光點的偏移會導(dǎo)致象限上的投射數(shù)值改變，光點的偏移量Δx 和Δy 與投射數(shù)值S以及象限的采樣數(shù)值V差成正比。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)其偏移量可以通過以下公式進行估計：

式中，S為投影數(shù)值，也可以稱為投影面積，V為采樣數(shù)值； 是一個可調(diào)節(jié)系數(shù)，便于調(diào)整偏移距離的范圍。

5.2 軟件設(shè)計

STM32 的啟動程序完成系統(tǒng)上電后或復(fù)位后初始化的工作，對寄存器的控制決定了基本資源的分配和使用的有效性。中斷服務(wù)程序通過STM32 的 GPIO 的外部中斷復(fù)用功能采集模擬前端子板返回的同步頭信號產(chǎn)生一幀信號處理提供同步并控制 A/D 轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理程序的過程：（1）STM32 啟動AD轉(zhuǎn)換程序；（2）STM32 通過外部中斷方式采集同步信號，并由中斷服務(wù)函數(shù)控制 A/D 轉(zhuǎn)換，采集AD信號同時做必要的數(shù)字軟件濾波；（3）將采樣得到的數(shù)字信號存儲后并進行數(shù)字運算處理，（4）調(diào)用PID算法將模擬量轉(zhuǎn)為位置量信號；（5）判斷采集伺服系統(tǒng)位移量是否達到到；（6）進行后續(xù)數(shù)據(jù)采集。

6 實驗以及實驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表1：

VI，VII，VIII，VIV單位是mV，是ARM采集模擬量電路后得到的參數(shù)。△x， △y單位是mm， SX， SY單位是步長數(shù)是根據(jù)公式計算出的最終精度，由于實際精度測量太困難，故本試驗以計算參數(shù)為準。

經(jīng)驗證，精度達到0.04mm誤差范圍內(nèi)，系統(tǒng)整體驗證成功。

7 結(jié)論

本研究運用以四象限探測器的跟蹤定位算法為核心算法，同時運用嵌入式和自動控制理論，搭建了一套固體激光器的光路自動穩(wěn)定系統(tǒng)。本系統(tǒng)對固體激光器的光路優(yōu)化驗證，證明能提高固體激光器穩(wěn)定輸出的性能。

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作者簡介：李九六（1989-），男，廣西桂林人，研究生在讀，實習(xí)研究員，研究方向：集成電路工程。