基于邊緣計(jì)算的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)焦激光切割頭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴中達(dá)，付興威，李 正，吳 欣，蔡 亮，曹 宇,

（1.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州325035；2.奔騰激光（溫州）有限公司，浙江溫州325000）

裝備制造能力是大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，也是國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。國(guó)內(nèi)激光加工機(jī)床集成制造商通過(guò)多年的自主研發(fā)，已逐步向高端應(yīng)用領(lǐng)域探索。然而，美、日、德等國(guó)外企業(yè)憑借其深厚的技術(shù)積累，在核心元器件、智能制造技術(shù)等方面長(zhǎng)期處于領(lǐng)先地位。由于國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈仍不配套，雖然我國(guó)在中低端產(chǎn)品相對(duì)能夠自給自足，但是高端裝備所配置的超高功率激光器、自動(dòng)調(diào)焦激光切割頭則高度依賴國(guó)外。

激光切割頭作為最末端的工藝執(zhí)行部件，內(nèi)部光學(xué)透鏡組需要將光纖導(dǎo)入的原始光束進(jìn)行準(zhǔn)直并聚焦為高能量密度光斑用于切割，焦點(diǎn)漂移控制成為超高功率激光切割的一項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)。超高功率激光切割過(guò)程中的焦點(diǎn)漂移問(wèn)題，即離焦量的非受控波動(dòng)現(xiàn)象，主要起源于切割頭內(nèi)光路系統(tǒng)的熱致透鏡面型畸變（熱透鏡效應(yīng)）、折射率梯度分布效應(yīng)和光-機(jī)裝配結(jié)構(gòu)熱變形[1-2]：切割頭內(nèi)部光路鏡片受到超高功率強(qiáng)激光輻照產(chǎn)生面型的熱致畸變和折射率的梯度分布，且鏡片與支撐結(jié)構(gòu)之間導(dǎo)熱換熱使得關(guān)聯(lián)的光-機(jī)裝配結(jié)構(gòu)發(fā)生熱變形，從而使系統(tǒng)最終輸出光束的波前相位分布發(fā)生畸變，導(dǎo)致輸出聚焦光束的焦點(diǎn)漂移及光束質(zhì)量下降。此外，切割頭內(nèi)光路的流動(dòng)空氣介質(zhì)吸收高能激光而被加熱，產(chǎn)生的湍流和熱暈效應(yīng)會(huì)引起激光束的展寬和強(qiáng)度起伏，對(duì)焦點(diǎn)漂移也有影響[3-4]。因此，針對(duì)光學(xué)透鏡面型的熱致畸變的焦點(diǎn)漂移進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，使其始終保持在最佳切割條件下，是目前超高功率激光切割頭亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。當(dāng)前，國(guó)外廠商占據(jù)了大量動(dòng)態(tài)調(diào)焦技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，如切割頭內(nèi)光路調(diào)節(jié)方法與光路機(jī)構(gòu)[5]、動(dòng)態(tài)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法[6-7]等，而國(guó)內(nèi)廠商則分別在自動(dòng)調(diào)焦算法、切割頭調(diào)焦方法、調(diào)焦結(jié)構(gòu)等方面發(fā)展了自己的獨(dú)有技術(shù)[8-10]。

從目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品來(lái)看，自動(dòng)調(diào)焦激光切割頭內(nèi)部設(shè)置有伺服電機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，其原理是在切割數(shù)控系統(tǒng)中預(yù)設(shè)一個(gè)切割焦點(diǎn)偏移補(bǔ)償值序列，當(dāng)軟件檢測(cè)到設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間出光工作時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)補(bǔ)償值實(shí)時(shí)調(diào)整焦點(diǎn)的位置。雖然切割頭內(nèi)部也有監(jiān)測(cè)激光切割頭運(yùn)行狀態(tài)的溫濕度及壓力傳感器，但對(duì)透鏡進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的溫度傳感器和實(shí)現(xiàn)調(diào)焦的伺服電機(jī)之間并沒(méi)有構(gòu)成自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)焦的閉環(huán)控制，主要原因在于數(shù)控系統(tǒng)非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)和通信總線帶寬，溫度傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸、計(jì)算處理和調(diào)焦指令的生產(chǎn)速率不能可靠地響應(yīng)溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)變化速率，難以滿足實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋控制要求。

針對(duì)目前激光切割頭受限于數(shù)控總線系統(tǒng)、信號(hào)傳輸不具實(shí)時(shí)性等問(wèn)題，本文提出引入邊緣計(jì)算方法，添加基于RTOSMCU的邊緣計(jì)算單元，將切割頭從傳統(tǒng)的“光機(jī)電”系統(tǒng)架構(gòu)升級(jí)為“光機(jī)電算”系統(tǒng)架構(gòu)，自主研發(fā)出基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)焦的新型超高功率智能激光切割頭。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

基于邊緣計(jì)算的“光機(jī)電算”一體化激光切割頭控制系統(tǒng)架構(gòu)主要包括主控模塊、串口屏顯示模塊、溫度傳感采集模塊、焦點(diǎn)調(diào)節(jié)模塊以及與數(shù)控系統(tǒng)的通信模塊，各功能模塊都受到主控模塊的控制，協(xié)調(diào)各功能模塊之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

圖1是控制系統(tǒng)的邏輯框圖。主控模塊可以對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，同時(shí)將激光切割頭運(yùn)行狀態(tài)反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，二者通過(guò)EtherCAT接口通信。主控模塊基于邊緣計(jì)算設(shè)計(jì)了具有脫離數(shù)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)獨(dú)立解析運(yùn)算而直接控制激光切割頭運(yùn)行的能力，通過(guò)邊緣計(jì)算的低延時(shí)、高響應(yīng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控特性，可適用于不斷發(fā)展的超高功率激光切割工況應(yīng)用場(chǎng)景。溫度傳感采集模塊采用的是非接觸紅外溫度傳感器，溫度傳感器與主控模塊之間采用SMBus通信協(xié)議，直接實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)字信號(hào)采集，降低了主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)的處理要求；同時(shí)，溫度傳感器模塊與主控模塊之間形成反饋閉環(huán)控制，并結(jié)合焦點(diǎn)控制模塊實(shí)現(xiàn)激光切割頭內(nèi)部自適應(yīng)調(diào)焦控制功能。

圖1 控制系統(tǒng)邏輯框圖

圖2是多個(gè)溫度傳感器的采集電路。調(diào)焦執(zhí)行結(jié)構(gòu)為導(dǎo)程5 mm、精度0.02 mm的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿模組以及聚焦透鏡組和準(zhǔn)直透鏡組構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，面積小、功耗低，驅(qū)動(dòng)模塊與主控模塊之間支持SPI或UART接口通信。

圖2 多個(gè)溫度傳感器采集電路

采用TMC5160兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路操作，基于焦點(diǎn)漂移量與溫度傳感參數(shù)之間的控制算法函數(shù)關(guān)系式，由主控芯片對(duì)多源溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并結(jié)合D-S證據(jù)理論對(duì)多源溫度傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)其合成規(guī)則進(jìn)行融合[12-13]，對(duì)超高功率激光切割頭內(nèi)部光路熱工況溫度場(chǎng)做出精準(zhǔn)診斷，將得到的焦點(diǎn)漂移量轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖量，最終將驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使準(zhǔn)直鏡組進(jìn)行上下移動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)激光切割頭的溫度自適應(yīng)調(diào)焦。

2 光機(jī)熱變形的自適應(yīng)調(diào)焦控制算法設(shè)計(jì)

2.1 光機(jī)熱變形所致焦點(diǎn)漂移量控制函數(shù)

為了滿足激光切割頭對(duì)其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)焦控制算法的設(shè)計(jì)，需確立焦點(diǎn)漂移量與溫度場(chǎng)之間的控制函數(shù)關(guān)系式，已有相關(guān)研究給出了焦點(diǎn)漂移量的估算公式[11]：

式中：α為光學(xué)元件的吸收率；P為激光功率，W；T為溫度，K；K為熱導(dǎo)率，W/（m·K）；f為焦距；DL為透鏡上的光束直徑。其中，材料熱導(dǎo)率K、熱光系數(shù)和光學(xué)元件吸收系數(shù)α均與環(huán)境溫度存在理論關(guān)聯(lián)函數(shù)，以下進(jìn)行分析。

熱導(dǎo)率K（T）與溫度變化之間的關(guān)系式為：

式中：K（T）為熱導(dǎo)率，W/（m·K）；Q為傳遞的熱量，W；L為材料的厚度或長(zhǎng)度，m；A為材料的面積，m2；ΔT為溫度差，K。

當(dāng)溫度變化時(shí)，透鏡材料折射率的變化量為：

式中：n（λ，T0）為透鏡材料在常溫常壓下的絕對(duì)折射率；ΔT為溫度變化量；D0、D1、D2、E0、E1和λtk為常數(shù)，由材料廠家提供。

式中：T0為初始溫度，℃；T為測(cè)量后的溫度，℃；ΔT為溫度差，℃；λ為光的波長(zhǎng)，μm。

聯(lián)立式（1）~式（4），即可獲得焦點(diǎn)漂移值與溫度之間的控制函數(shù)關(guān)系。在調(diào)焦控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分，可根據(jù)上述函數(shù)關(guān)系與溫度傳感器采集的參數(shù)進(jìn)行溫度自適應(yīng)調(diào)焦算法的設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中也可以改善熱效應(yīng)帶來(lái)的焦點(diǎn)漂移對(duì)加工工件質(zhì)量的影響。

2.2 基于D-S證據(jù)推理的多源溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)處理算法

D-S證據(jù)理論引入信任函數(shù)，形成了一套“證據(jù)”和“組合”來(lái)處理不確定性推理的數(shù)學(xué)方法。設(shè)m（A）為A的基本概率賦值，表示對(duì)命題A的精確信任程度，即對(duì)A的直接支持。Dempster合成規(guī)則也稱證據(jù)合成公式[14-16]。

對(duì)于?A?Θ，Θ上的兩個(gè)mass函數(shù)m1、m2的Dempster合成原則為：

在對(duì)激光切割頭中的四個(gè)溫度場(chǎng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)決策時(shí)，需遵循式（5）函數(shù)進(jìn)行兩兩合成。

對(duì)于假設(shè)A，合成的mass函數(shù)是所有相交有A的兩個(gè)假設(shè)進(jìn)行兩個(gè)mass函數(shù)計(jì)算后乘積的和，再除以歸一化系數(shù)K。K的算法如下：

還有一些地方將K定義如下，將1-K當(dāng)成歸一化系數(shù)，說(shuō)法不同，但含義一樣：

激光切割頭內(nèi)部包含四個(gè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)不同位置的溫度場(chǎng)范圍，分別是光學(xué)機(jī)械夾具、準(zhǔn)直鏡組、聚焦鏡組及保護(hù)鏡周圍的溫度場(chǎng)?；贒-S證據(jù)理論，在激光切割頭不同運(yùn)行狀態(tài)下，四個(gè)溫度傳感器的溫度參數(shù)對(duì)焦點(diǎn)漂移量的影響，設(shè)在不同激光參數(shù)下作為證據(jù)體，溫度傳感器檢測(cè)溫度對(duì)焦點(diǎn)漂移影響作為事件，構(gòu)建的識(shí)別框架為Θ={T1，T2，T3，T4}。激光參數(shù)選擇的是在相同出光時(shí)間下，中功率、高功率、超高功率三個(gè)激光參數(shù)作為證據(jù)體構(gòu)建基于D-S證據(jù)理論的模型，為了解決與實(shí)際情況不符的問(wèn)題，添加對(duì)識(shí)別框架Θ的基本概率分布，如表1所示，預(yù)設(shè)在不同證據(jù)下對(duì)不同傳感器溫度值的基本概率分布。

表1 不同證據(jù)的基本概率分布預(yù)設(shè)

首先，對(duì)中功率與高功率激光進(jìn)行融合，計(jì)算它們之間的歸一化系數(shù)，得到：

然后，根據(jù)合成原則計(jì)算四個(gè)溫度傳感器及Θ的組合BPA，得到：

最后，利用相同的合成原則，將得到的融合數(shù)據(jù)與超高功率激光的四個(gè)溫度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最終得到表2所示的融合數(shù)據(jù)。

表2 最終數(shù)據(jù)合成結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)識(shí)別框架的數(shù)據(jù)融合，可看到準(zhǔn)直鏡組與聚焦鏡組周圍溫度參數(shù)對(duì)焦點(diǎn)漂移的影響較大，其次是機(jī)械周圍溫度參數(shù)的影響。基于D-S證據(jù)理論的決策，針對(duì)這幾組激光參數(shù)焦點(diǎn)漂移量的計(jì)算主要使用的是透鏡組的溫度參數(shù)。激光的其他參數(shù)也可作為證據(jù)體，決策出不同激光切割參數(shù)下不同位置溫度傳感器對(duì)焦點(diǎn)漂移量的影響程度。

2.3 自動(dòng)調(diào)焦程序設(shè)計(jì)

結(jié)合上述光機(jī)熱焦點(diǎn)漂移量與溫度之間的控制函數(shù)關(guān)系及基于D-S證據(jù)推理的多源溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)處理算法，得到圖3所示的自動(dòng)調(diào)焦控制主程序流程。在運(yùn)行工況下，控制系統(tǒng)使用溫度傳感器對(duì)內(nèi)部光路溫度場(chǎng)各處溫度進(jìn)行采集，接著利用解析處理后的溫度參數(shù)，對(duì)焦點(diǎn)相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整。

圖3 主程序的工作部分流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)目前超高功率激光切割頭面臨焦點(diǎn)漂移的技術(shù)問(wèn)題，提出基于邊緣計(jì)算的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)焦控制系統(tǒng)新架構(gòu)，用STM32作為主控芯片對(duì)激光切割頭內(nèi)部各個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)激光切割頭自主控制并提高與激光切割頭之間控制信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和響應(yīng)性?；跓嵊绊懛治鐾茖?dǎo)的焦點(diǎn)漂移與溫度之間的理論關(guān)系以及用D-S證據(jù)理論對(duì)多源溫度傳感器的數(shù)據(jù)整合，設(shè)計(jì)出溫度傳感器與STM32主控模塊之間閉環(huán)控制光路系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)焦算法，改善了超高功率激光切割厚板在極端工況下的工件加工質(zhì)量。