激光切割高精度Z軸調高隨動控制系統設計

西大馳，李中凱,2，張志峰，洪兆溪

自動化與智能化技術

激光切割高精度軸調高隨動控制系統設計

西大馳1，李中凱1,2，張志峰2,3，洪兆溪2,3

（1.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116；2.浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室，杭州 310027；3.湖州綠產智能制造有限公司，浙江 湖州 313000）

設計一種基于STM32主控制器芯片與FPGA從控制器芯片的激光切割高精度軸調高隨動控制系統。介紹該控制系統的工作原理、硬件設計、軟件設計以及微電容測量電路的仿真實驗。同時，針對系統隨動過程中存在干擾的現象，提出基于滑動平均值濾波算法的改進濾波算法。經過上機切割測試驗證，該隨動控制系統動態跟隨精度為0.01 mm，最大跟隨速度為500 mm/s。該隨動控制系統能夠使激光切割機床實現高速高精度的切割。

STM32主控制器；激光切割；軸調高；微電容測量電路；隨動系統

由于激光切割技術具備可控性強、切割速度快、切割精度高、切割熱影響區和熱畸變小、材料適應性強等優點，使得激光切割技術近年來得到快速發展，逐漸取代線切割、火焰切割、等離子切割、沖床和數控剪床等傳統切割加工技術。相比傳統切割技術，使用激光切割技術進行板材切割，不僅大大降低了企業生產成本、提高了產品加工質量，而且無須二次加工，符合綠色發展理念，因此，激光切割技術被廣泛應用于汽車制造、工程機械、船舶制造、航空航天等領域，成為主流的切割加工技術[1-7]。伴隨著激光加工技術的興起，在平面切割中，激光切割機床對隨動系統在軸方向的跟隨精度和跟隨速度要求也越來越高。在激光切割過程中，要求激光切割頭與切割工件之間始終保持一定的間距，間距過大或者過小都會影響激光切割產品的質量。為了解決該問題，相關技術人員提出了軸調高隨動控制系統的解決方案。

李建新[8]基于差動式電橋和相敏檢波電路設計了一種跟隨精度為0.2 mm的激光切割調高系統。陳和平等[9]設計了一種接觸式彈性定距隨動系統，但該隨動系統測距裝置結構復雜，難以加工表面變化幅度大的板材且測距裝置存在磨損問題。孫玉國等[10]設計了一款基于STC15單片機和AD7746電容轉換器的軸隨動控制系統，跟隨精度為0.1 mm。劉愛偉[11]設計了一種基于ET8010運動控制器的激光切割隨動系統，并通過實驗驗證該系統的跟隨誤差為0.1 mm。張振華[12]基于STM32與FPGA設計了一款激光切割電容調高系統，但該系統跟隨精度仍然停留在0.1 mm。由此可以看出，目前國內激光切割軸調高隨動控制系統跟隨精度低，僅適應于中低速激光切割場合。

針對上述問題，文中設計了一種適合國內工業生產現狀，接口少且易標定的高速高精度激光切割軸調高隨動控制系統。該隨動控制系統動態跟隨精度為0.01 mm，最大跟隨速度為500 mm/s。通過配備該隨動控制系統，激光切割機床不僅能夠快速準確地加工出各種用于產品外觀包裝的高質量金屬飾品，而且能夠在產品的包裝外殼上快速準確地加工出各種形狀復雜的外觀圖形，滿足消費者的個性化審美需求，對于產品包裝具有重要意義。

1 工作原理

圖1所示為本次激光切割高精度軸調高隨動控制系統設計的工作原理圖。該系統通過微電容測量模塊將激光切割頭噴嘴與待加工工件表面的位置信息轉化為電容頻率值，然后通過專用的通信線纜發送給調高控制器。調高控制器將接收的電容頻率轉化為位置信息，通過控制器內部的運動控制，信號處理模塊處理之后輸出控制指令到伺服驅動模塊。伺服驅動模塊將控制器輸出的速度控制指令發送給伺服驅動器，由伺服驅動器控制伺服電機轉動。最后通過滾珠絲杠副絲杠滑臺將伺服電機的旋轉運動轉化為切割頭在軸方向的垂直運動，使切割頭在待加工工件表面垂直上下移動，實現激光切割時切割頭在軸的高度跟隨運動。

圖1 Z軸調高隨動控制系統工作原理

2 系統總體設計

激光切割高精度軸調高隨動控制系統主要由微電容測量模塊、調高控制器和伺服驅動模塊組成。

1）微電容測量模塊用來實時檢測切割頭噴嘴與待加工工件表面形成的平行板電容值，電容值的變化引起電容三點式LC振蕩電路輸出正弦波的頻率變化。

2）調高控制器在接收到頻率值后將其轉化為距離信息，并輸出運動控制指令到伺服驅動模塊。

3）伺服驅動模塊主要由伺服驅動器和伺服電機組成。通過伺服驅動器控制伺服電機調節激光切割頭與待加工工件表面之間的距離，從而保證切割時切割頭與待加工工件表面之間的高度保持為最佳恒定值。

系統總體結構見圖2，其中調高控制器主要由STM32F407芯片、FPGA芯片、伺服驅動電路、差分轉單端電路、人機交互模塊和電源模塊組成。微電容測量模塊主要由電容三點式LC振蕩電路與單端轉差分電路組成。

圖2 激光切割頭隨動系統的體系結構

2.1 系統硬件設計

如圖3所示，系統硬件以STM32F407芯片和FPGA芯片為核心。其中，伺服驅動電路包括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。為了提高系統的穩定性，伺服驅動電路與FPGA芯片之間采用了光耦隔離電路與數字隔離電路進行隔離。人機交互模塊采用傳統的人機交互技術進行單片機與人之間的信息交互，信息交互設備有LCD液晶顯示屏與機械按鍵，通過機械按鍵設置系統的標定距離、標定速度、隨動速度等參數，同時也通過機械按鍵控制系統的回零、回中、標定、隨動等功能。機械按鍵接口、微電容測量模塊的輸出接口均通過I/O接口與FPGA芯片連接，D/A通過SPI由FPGA芯片發送給伺服驅動模塊，LCD液晶顯示屏通過I/O接口與STM32F407芯片連接。STM32F407芯片采用FSMC的方式與FPGA芯片進行信息交換，此種信息交換方式使得數據傳送的實時性效果更好。綜上所述，本設計利用FPGA芯片協調同步I/O接口與STM32單片機之間的數據交換，以此減小調高器內存占有率，使系統具有高實時性、高精度的特點。

2.2 微電容測量電路

設計的軸調高隨動控制系統通過電容三點式LC振蕩電路對切割頭噴嘴與加工工件之間的電容值進行連續采樣。從結構上講，電容三點式LC振蕩電路是一個自帶選頻網絡且沒有輸入信號的正反饋放大電路，由放大電路、正反饋網絡、選頻網絡和穩幅環節4部分組成。其中，放大電路采用一定放大倍數的三級管對某一頻率的輸出信號進行放大處理；正反饋網絡用來將輸出的正反饋信號引入到輸入端，使電路產生自激振蕩；選頻網絡用來篩選出指定頻率信號，保證電容三點式LC振蕩電路實現單一頻率振蕩；穩幅環節用來穩定振蕩電路輸出信號的幅值，使振蕩電路輸出波形維持等幅振蕩。

電容三點式LC振蕩電路見圖4，放大電路為單級放大電路，由電阻1、2、3、4，電容1和三體管1組成。1的基極與1相連使得三極管基極接地，實現了正反饋電壓從三極管發射極輸入和集電極輸出的目的，此外，三極管1的非線性特性實現了微電容測量電路的穩幅效果。電容2、3、4、5與電感1串聯組合構成LC選頻電路，為了保證LC環路的準確度，所選電容為NPO電容，電阻與電感也為溫度穩定性較好的高頻元器件，由于輸出頻率高，電容參數在1 000 pF以下。電容5為激光切割頭噴嘴與待加工工件的簡化模型，電路中將其簡化為一個極距變化型電容傳感器，因此5大小不固定，經過實際測試，當5取值范圍為10～50 pF時，電路輸出高頻率信號。該簡化模型使得切割頭噴嘴與待加工工件之間的高度變化轉化為電容極板間距的變化，從而引起振蕩電路輸出信號頻率的變化。輸出的頻率信號經過差分芯片max485濾波后，通過雙絞線發送給調高控制器。調高控制器內部通過差分芯片max485、串聯磁珠與并聯小電容的方式再次對接收到的輸出信號進行濾波處理。

圖3 系統硬件結構

圖4 電容三點式LC振蕩電路

將三極管的輸入電容簡化為I，輸出電容簡化為O，可以得到式（1）：

式中：S為微電容測量電路的總電容；2、3、4為電容；5為可變電容；I為三極管的輸入電容；O為三極管的輸出電容。

式中：S為微電容測量電路的總電容；5為可變電容。

微電容測量電路所用元器件多為非線性元件，不便解析，因此主要采用Multisim仿真軟件對電容三點式LC振蕩電路進行元器件參數調試和仿真實驗，通過調試元器件參數使該微電容測量電路輸出的頻率范圍為1.665～4.053 MHz。圖5為該微電容測量電路仿真時產生的波形圖，可以看出，在測量過程中，輸出的正弦波維持等幅振蕩，波形穩定且無高次諧波出現，能夠達到預期設計目的。

圖5 微電容測量電路輸出信號波形

3 隨動系統軟件設計

在STM32單片機的開發中存在3種常用的軟件架構，分別為順序執行的前后臺系統、時間片輪詢系統和多任務操作系統。在邏輯清晰且功能單一的系統中多采用順序執行的前后臺架構，時間片輪詢系統多應用在對系統可靠性要求較高且單片機資源缺乏的情況下，對功能復雜、邏輯控制較為困難的系統多采用多任務操作系統進行設計。

基于STM32主控制器開發的軸調高隨動控制系統邏輯清晰，且只需完成高度跟隨控制的單一功能，因此，采用簡單的前后臺順序執行架構進行系統軟件設計。如圖6所示，隨動系統正常工作時共調度4個任務：人機界面信息處理任務、電容傳感器數據處理任務、伺服電機控制任務、系統狀態監控任務。此外，為了便于系統的試用管理，系統軟件也提供了基于STM32F407芯片ID的加密認證服務。前臺包括電容傳感器數據處理任務、伺服電機控制任務，由于前臺操作對系統實時性要求較高，將其置于優先級較高的中斷器中執行；而對于人機界面信息處理任務、系統狀態監控任務實時性要求較低的后臺部分，則將其置于優先級較低的主循環中執行。

3.1 傳感器數據處理模塊

由于切割頭噴嘴與待加工工件之間的距離是變化的，導致LC振蕩電路輸出信號的頻率值隨之發生變化，系統將微電容測量電路輸出的電容頻率信號經過放大與單端轉差分處理之后得到電容頻率差分數字信號，通過雙絞線將其傳送給調高控制器，調高控制器對接收到的電容頻率差分數字信號進行差分轉單端處理，將處理之后得到的濾波信號傳送給FPGA芯片，此時，FPGA對被測信號進行頻率測量，確定被測信號的頻率值。任務結束之后，FPGA芯片將處理好的數據信息通過FSMC的方式傳送給STM32F407芯片。

圖6 系統軟件啟動流程

3.2 電容值轉化為距離

電容傳感器測量切割頭噴嘴與待加工工件表面之間的距離是基于平行板電容數學模型與LC振蕩電路頻率數學模型：

由于實際計算距離時不能直接依據此理論模型，在軸調高隨動控制系統正常運行前，調高控制器首先控制激光切割頭運動，進行標定處理。

本次設計將激光切割頭在軸方向的標定距離設置為0～10 mm，由于系統每次間隔1 ms采集一個標記點，為了每次間隔0.01 mm的距離采集一次標定點，利用調高控制器將系統的標定速度設置為10 mm/s。理想狀態下，系統會標定1 000個采樣點，若標定過程獲得的標定點數越接近1 000，隨動時系統精度越高。標定結束后，系統生成電容頻率–高度數據表，并把標定數據存儲在STM32芯片內部。當系統處于隨動狀態下，獲取電容頻率值之后，將標定的數據表作為參考，采用二分法查表得到切割頭與待加工工件之間的實時高度值。利用Matlab軟件處理采集到的標定數據，得到圖7所示的標定曲線。

3.3 濾波算法設計

由于采集的電容值很小，僅為幾十皮法，而工業現場環境復雜，周圍環境中的電磁干擾以及切割過程產生的碎屑都會對采樣信號產生干擾。為了保證采樣信號的準確度，需要采用數字濾波技術削弱或濾除隨機干擾信號。數字濾波技術的原理是通過科學判斷和精確計算減小采樣信號中存在的干擾信號，以實現在程序中過濾和削弱干擾信號的目的。常用的數字濾波算法有防脈沖干擾濾波、滯后濾波和滑動平均值濾波等數學計算方法[13]。與其他濾波方法相比，滑動平均值濾波算法測量速度快、數據計算速率高、實時性高，因此，采用滑動平均值濾波算法對系統采集的數據進行濾波處理[14-15]。

圖7 標定曲線

如圖8所示，滑動平均值濾波首先在STM32單片機RAM中建立一個長度為的數據緩沖區，然后將得到的個采樣數據按照順序依次存放到數據緩沖區，每接收一個新數據，就將最早接收到的數據丟掉，然后求包括新數據在內的個數據的算術平均值或加權平均值，每接收一次數據，便可計算出一個新的平均值，該濾波方法大大提高了系統數據處理速度。計算公式為：

式中：x(n)為輸入；y(n)為輸出；N為滑動窗口的寬度，N=2k+1，其中k為正整數。

為了得到更加精確的數據，對此算法進行改進。如圖9所示，該算法分為6個步驟。

1）首先在STM32單片機的RAM區建立一個長度為的隊列。

2）利用電容傳感器采集電容頻率值，將采樣值依次寫入長度為的隊列。

3）當隊列滿時，對隊列中的采樣數據進行求和運算。

4）當隊列滿時，篩選出隊列中采樣數據的最大值與最小值，并將得到的最值做求和運算。

5）步驟3得到的運算結果與步驟4得到的運算結果相減。

6）將步驟5得到的運算結果與?2相除得到采樣數據的平均值，獲得更為準確的濾波結果。

圖9 傳感器數據處理流程圖

3.4 實驗驗證

為了檢驗濾波算法的準確性及軸調高隨動控制系統的跟隨效果，在圖10所示的激光切割機床上對設計的軸調高隨動控制系統進行實驗。實驗分為2種情況，即分別在隨動控制系統采用滑動平均值濾波算法和改進滑動平均值濾波算法的情況下進行激光切割實驗。實驗步驟如下。

1）通過調高控制器在機床上對激光切割頭進行標定處理。

2）設置機床切割板材時的隨動高度和隨動速度。目前，在實際工業加工中，激光切割板材時的隨動高度通常設定在0～1 mm內，設定的隨動高度越高，系統反應越快，隨動誤差越小。本次實驗將隨動高度設置在0～1 mm內，隨動速度設置為500 mm/s。

3）設置切割圖形，進行激光切割實驗并通過示波器采集實驗反饋的隨動高度。

實驗結束后，利用Matlab軟件處理示波器采集到的實驗數據，處理后的實驗結果見圖11。當采用滑動平均值濾波算法時，隨動狀態下系統反饋的高度與系統設定的高度之間的最大誤差為0.03 mm；當采用改進后的滑動平均值濾波算法時，隨動狀態下系統反饋的高度與系統設定的高度之間的最大誤差被限制在0.01 mm內。觀察圖11可以看出，當系統處于隨動狀態時，系統反饋得到的濾波高度在大部分情況下均大于系統設定的高度，此種現象是為了避免切割頭在系統設定值附近來回跳變，導致切割頭切割時產生抖動，影響板材切割質量。分析表1中的5組隨動實驗數據，可以看出，滑動平均值濾波絕對誤差的最大值為0.033 357 mm，改進后滑動平均值濾波絕對誤差的最大值為0.009 783 mm，小于0.01 mm，達到設計目的。由表1可以看出，隨著設定高度的增加，系統絕對誤差逐漸減小，主要歸因于隨動高度越高，系統響應速度越快，誤差越小。對比圖11的濾波高度曲線與表1中的實驗數據，得到如下結論：在相同的實驗條件下，當采用改進滑動平均值濾波算法進行激光切割時，系統產生的隨動誤差較小，該算法顯著提高了軸調高控制系統的跟隨精度。

圖10 激光切割實驗機床

圖11 隨動控制系統上機實驗結果

表1 隨動實驗數據

Tab.1 Data of servo test

4 結語

文中設計了一種基于STM32與FPGA的激光切割高精度軸調高隨動控制系統，該系統采用變極距電容傳感器，以STM32F407作為隨動系統的控制核心，同時STM32F407通過FSMC與FPGA芯片連接。FPGA芯片通過I/O接口連接各種外設，處理接收到的數字信號，節省了CPU的占用空間，提高了單片機的運行速度，從而快速實現激光切割頭對待加工工件切割高度的跟隨運動。通過實驗驗證，該隨動系統動態響應精度能夠達到0.01 mm，靜態響應精度為0.001 mm，最大隨動速度達到500 mm/s。系統滿足激光切割機床加工板材時高速高精的加工要求，有效解決了加工板材表面彎曲不平造成的切割質量問題，提高了切割產品的合格率與產品競爭力，安全可靠。文中設計的系統對產品外觀包裝設計具有重要意義，具有廣闊的市場應用前景。

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Design of Servo Control System for Laser Cutting-axis Height Adjustment

XI Da-chi1,LI Zhong-kai1,2,ZHANG Zhi-feng2,3,HONG Zhao-xi2,3

(1. School of Mechatronics Engineering, China University of Mining & Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China; 2. State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 3. Huzhou Lvchan Intelligent Manufacturing Co., Ltd., Zhejiang Huzhou 313000, China)

The work aims to design a high-precision servo control system of-axis height adjustment for laser cutting based on an STM32 master controller chip and an FPGA slave controller chip. The principle, hardware design, software design and simulation experiment of micro capacitance measuring circuit of the control system were introduced. Aiming at the interference of servo control system, an improved filtering operator based on moving average filtering algorithm was put forward. Laser cutting test was conducted to verify the proposed method. The dynamic following accuracy of the servo control system was 0.01 mm, and the maximum following speed was 500 mm/s. The servo control system enables laser cutting machines to achieve high speed and high precision cutting effect.

STM32 main controller; laser cutting;-axis height adjustment; micro capacitance measuring circuit; servo system

TB486；TP275

A

1001-3563(2023)03-0131-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.03.016

2022?06?29

國家自然科學基金（51475459，52105281）；浙江省重點研發計劃（2022C01196）

西大馳（1996—），男，碩士生，主攻機電一體化系統設計。

李中凱（1980—），男，博士，副教授，博導，主要研究方向為現代設計方法和智能設計。

責任編輯：曾鈺嬋