大功率半导体直接输出激光加工装备控制系统开发

论文摘要

大功率半导体直接输出激光器由于其体积小、光电转化效率高、工作稳定性好等特点,近年来在材料加工方面得到了快速应用。随着激光加工技术、自动化技术的快速发展,人们对激光加工质量的要求越来越高,激光加工过程自动化装备的研制成为了各国的研究热点。国内半导体激光器的发展已经取得了巨大进展,但基于国产大功率半导体直接输出激光器的自动化加工装备及其控制系统的研究较少。本文以dsPIC30f6014数字信号处理器为核心开发了大功率半导体直接输出激光加工装备控制系统,研制了该系统的硬件控制电路,开发了该系统的控制软件,探索了 PID控制算法与模糊控制算法在该系统的应用,并实现了闭环温度控制,取得了良好的控制效果,本文主要工作包括以下几个方面:1)基于dsPIC30f6014为核心的控制系统硬件电路设计模块化硬件电路主要包括:DSP主控模块、A/D采样模块、矩阵键盘输入与LCD输出显示模块、步进电机送粉模块、D/A转换输出模块、控制面板接口板模块,RS232通讯模块等。2)模块化控制软件开发在硬件电路设计的基础之上,对系统软件进行了设计,通过子程序的调用实现所需要的控制功能,子程序主要包括人机交流接口模块、数据的采集与滤波模块、数据处理模块、送粉模块、D/A驱动模块、激光器状态信号的检测与处理模块等。3)控制算法研究为了使控制系统获得更好的控制性能及精度,针对加工过程的温度控制分别设计了PID和Fuzzy反馈控制算法,通过二者控制效果的分析确定适合本系统的控制策略。PID控制采用增量式控制算法,通过矩阵键盘设置PID控制参数,实现控制量的在线调节,Fuzzy控制采用改进型模糊控制,通过设置不同的控制参数实现控制量的在线调试。4)系统性能测试实验与分析所搭建的控制平台包括软硬件控制模块、激光器、机器人、送粉器及温度传感器等,以该控制平台为基础进行温度监测与控制实验分析,温度控制精度与稳定性实验表明,模糊控制对本系统的适应性较好,控制精度较高。以启动功率为500W,设定温度为1250℃,扫描速度为2mm/s,45钢基板为例进行的激光表面处理实验表明,温度稳态均方根误差为可以控制在2.34℃以内。送粉模块实验表明,送粉率可以实现3-50g/min的连续稳定性输送,送粉误差率控制在2.6%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 半导体激光器概述
• 1.1.1 半导体激光器的发展
• 1.1.2 半导体激光器直接输出的特点
• 1.2 激光加工过程控制系统研究现状
• 1.2.1 激光加工温度对工件质量的影响
• 1.2.2 激光加工温度控制系统国内外进展
• 1.3 控制系统方案分析
• 1.3.1 控制系统特点及要求
• 1.3.2 系统软硬件方案分析
• 1.4 主要研究内容及章节安排
• 1.4.1 本文主要研究内容
• 1.4.2 本文章节安排
• 第2章 控制系统硬件设计
• 2.1 控制系统整体结构设计
• 2.2 主控板电路设计
• 2.2.1 主控芯片选择
• 2.2.2 主控电路设计
• 2.3 送粉模块电路设计
• 2.4 硬件抗干扰设计
• 2.5 实验平台设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 控制系统软件设计
• 3.1 控制系统软件设计概述
• 3.1.1 软件功能需求分析
• 3.1.2 系统软件设计原则
• 3.2 系统程序模块化结构设计
• 3.2.1 主程序模块设计
• 3.2.2 数据的采集及滤波
• 3.2.3 送粉模块软件设计及实验分析
• 3.2.4 D/A驱动模块设计
• 3.2.5 人机接口软件实现
• 3.3 本章小结
• 第4章 PID控制算法的实现及实验分析
• 4.1 控制算法简介及算法实现
• 4.1.1 PID算法简介
• 4.1.2 增量式PID参数整定
• 4.2 实验分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 模糊控制的实现与实验分析
• 5.1 模糊控制简介
• 5.2 模糊控制器的设计
• 5.3 模糊控制实验分析
• 5.4 PID控制和模糊控制对比
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果