0 引言

隨著激光行業(ye) 的飛速發展，激光器已廣泛應用於(yu) 工業(ye) 加工領域，如激光切割、激光打標、激光調阻、激光熱處理等，除此之外還被作為(wei) 診療設備應用於(yu) 醫療領域。

激光焊接是以聚焦的激光束作為(wei) 能源轟擊焊件所產(chan) 生的熱量進行焊接的方法，是激光材料加工技術應用的重要方麵之一。

基於(yu) ARM的數字化控製係統能夠有效解決(jue) 激光器的準確、穩定和可靠性問題，數字化、智能化是激光器的必然發展方向。使用ARM對激光電源進行功能擴展控製，能有效提高電源的性價(jia) 比，簡化激光電源的硬件結構，增強整機的自動化程度，為(wei) 整機的功能擴展提供了有利條件。本文重點針對激光焊接應用中的激光電源控製係統進行功能擴展設計，利用ARM 控製激光電源的係統設置，包括開關(guan) 控製、激光參數設置、光柵控製、光閥控製、溫度控製等，有效地解決(jue) 了激光器在焊接過程中的準確、穩定和可靠性問題，同時增設人機界麵(HMI)顯示控製的友好界麵，使用起來更加方便。

1 激光電源的控製功能要求

激光焊接目前已涉及航空航天、武器製造、船舶製造、汽車製造、壓力容器製造、民用及醫用等多個(ge) 領域，因此激光電源在激光焊接工藝中應用時具有其獨特的設計需求，除了激光發生器的性能要高外，還要求其具有高效率、高可靠性、工作壽命長等優(you) 點，實際應用中的激光電源產(chan) 品還需要對其控製係統進行功能擴展和優(you) 化，設計主要從(cong) 以下幾個(ge) 方麵進行考慮：

1.1 顯示和控製

傳(chuan) 統激光器的顯示屏多采用點陣液晶顯示，由於(yu) 液晶顯示屏隻能單純作顯示設備使用，所以係統需要利用鍵盤或按鍵作為(wei) 輸入設備，對激光光源的參數進行設置。這裏采用人機界麵(即觸摸屏)作為(wei) 顯示和控製界麵，操作更加方便，界麵也更加友好。以ARM作為(wei) CPU來對係統進行控製，可以對輸出的激光脈衝(chong) 波形進行精確控製，滿足不同工件的焊接要求。

1.2 散熱

激光電源的許多參數(如波長、閾值電流、效率和壽命)都與(yu) 溫度密切相關(guan) ，因此希望盡可能低而穩定的工作溫度。實驗表明，當工作環境溫度升高時，激光電源的輸出功率將降低，且激光電源外殼每升高30 ℃，使用壽命將減少一個(ge) 數量級[6-7].本激光器係統采用水冷的方式進行散熱降溫，因此係統要求具有過溫檢測功能。

1.3 氣閥和光柵

針對激光焊接的實際應用，在焊接的過程中要充分考慮到操作人員的人身健康和安全。因此在設計激光電源控製係統中，還需要綜合考慮其他輔助功能，比如在焊接時高溫會(hui) 使金屬汽化產(chan) 生煙霧，同時在焊接過程中激光散射也會(hui) 對操作人員的眼睛產(chan) 生影響，因此需增設氣閥控製和光柵控製功能。

氣閥控製的主要功能是，在激光焊接的時候，高溫會(hui) 讓金屬汽化從(cong) 而產(chan) 生煙霧，設置一個(ge) 空氣泵把產(chan) 生的煙霧吹走，而且焊接結束後，再延時吹5~10 s.為(wei) 了在激光焊接的過程中保護操作者的眼睛，要求焊接瞬間光柵閉合，避免焊接時散光輻射人眼，因此係統需具有光柵控製功能。

1.4 光斑調節

對光斑的控製有兩(liang) 個(ge) 要求，一是能夠設置光斑的上、下限;二是能夠通過人機界麵調節光斑的大小，也就是能對光斑的直徑進行調節。

1.5 精確激光脈衝(chong) 控製

IGBT功率控製器作為(wei) 主開關(guan) 器件用於(yu) 控製激光燈的輸出脈衝(chong) [8-9].一般的激光電源多采用單段方形的激光脈衝(chong) ，激光打出的焊點可能會(hui) 出現濺射、坑窪、穿孔等現象。

激光焊接的基本原理為(wei) ：

(1)金屬表麵活化，前期預熱，避免加熱過快讓金屬表麵濺射;

(2)激光打在金屬表麵初期，需要較大的功率讓金屬表麵融解;

(3)表層金屬融解後，進行深層融解過程中，就不在需要這麽(me) 大功率，否則會(hui) 出現很大熔池，這時需要適當降低功率，才能保證金屬熔池不繼續擴大;

(4)當達到需要的融解深度時，如果直接切斷激光，熔池表層硬化閉合可能會(hui) 出現氣孔等現象，這時需要進一步降低激光功率，緩慢淡出激光功率，才可以讓熔池中融解的金屬回流凝固，保證激光焊點的平整。

2 器件選型和係統硬件組成

2.1 主要器件的選型

(1)CPU選型。係統控製單元的核心是完成控製任務所必須的關(guan) 鍵電路，本設計以集成ARM 公司高性能“Cortex-M3”內(nei) 核的STM32F101C8T6為(wei) 核心來設計激光電源的數字控製係統，發揮其高速、低功耗的功能，可以實現各種複雜控製功能，同時簡化激光電源控製部分的硬件結構，增強了自動化程度和功能擴展能力。#p#分頁標題#e#

(2)人機界麵選型。人機界麵選用的是型號為(wei) FE2070的4線工業(ye) 電阻觸摸屏，用它代替傳(chuan) 統的分離式按鍵控製和液晶顯示，用戶隻要用手指輕輕地觸碰顯示屏上的圖符或文字就能實現對主機的操作，從(cong) 而使激光電源的人機交互更為(wei) 直截了當。

2.2 係統硬件組成

係統的控製指令是由CPU 發出的，負責係統的顯示和各項控製。STM32F101C8T6 有3 串口：一個(ge) 連接IGBT控製板，一個(ge) 連接HMI通信，一個(ge) 連接PC用於(yu) 控製係統升級。係統的硬件電路整體(ti) 結構框圖如圖1所示。

激光器的開啟和預燃使用腳踏開關(guan) 來實現，激光電源開光柵控製即為(wei) 一個(ge) 光柵開關(guan) ，光柵電源的要求是當開機後，踩下腳踏開關(guan) ，光柵電源就打開。光柵控製通過光耦輸出後，通過一個(ge) 三極管來控製15 V 電源的通斷，從(cong) 而控製光柵的開閉。激光電源中光斑的大小是通過驅動步進電機來實現的，步進電機控製透鏡的移動，從(cong) 而調整激光的焦距，實現光斑調節。硬件電路中，光斑控製通過一個(ge) 3PIN 插座控製步進電機調節光斑直徑，為(wei) 脈衝(chong) 方向控製，三個(ge) PIN 分別為(wei) GND,方向和脈衝(chong) 。氣閥控製用於(yu) 控製氣閥的開啟，報警檢測主要用於(yu) 過溫檢測。

3 軟件實現

係統軟件主要分為(wei) 三個(ge) 部分：Modbus RTU 通信處理程序，負責和HMI的通信;操作流程控製，瞬變脈衝(chong) 的輸出;數字輸入和輸出量的處理;STM32的內(nei) 部資源、FLASH 容量和SRAM 容量都比51 單片機要豐(feng) 富，對於(yu) 本係統，非常適合用實時操作係統進行軟件的編寫(xie) ，所以本係統采用了Keil自帶的RTX實時操作係統，共開啟了4個(ge) 進程：Task_init()，Task1_Modbus()，Task2_Laser-CTL()和Task3_IO();基本軟件流程圖如圖2所示。

4 調試結果

4.1 人機界麵控製調試

圖3 顯示的是係統搭建完成後液晶控製觸摸屏上顯示調節光斑直徑的界麵。在該界麵上通過增、減調節，在上、下限範圍內(nei) 設置光斑直徑的實際值。內(nei) 部是通過控製步進電機調整透鏡位置，調整激光焦距，從(cong) 而使光斑直徑發生改變。

在圖3觸摸屏界麵中，點擊“光閘設置”可以進入光閘控製的設置界麵，如圖4所示，智能光閘控製，ms級時間內(nei) 的延遲時間可根據需求定製，保證完全遮光，功能穩定，而且操作界麵顯示和設置都非常友好方便。

設置激光輸出參數的界麵如圖5所示。

共有99組參數設置，可以對15段波形編程，兩(liang) 組參數切換，能滿足使用者的各種需求。使用觸摸屏控製，人機界麵十分友好、操作功能強大，並且可實現用戶的遠程操作，因為(wei) 觸摸屏可遠離激光設備使用。

4.2 脈衝(chong) 控製調試

針對以上問題，設計的這款激光電源控製器，可以控製每個(ge) 打出的激光脈衝(chong) 的功率，並對單個(ge) 激光脈衝(chong) ，進行精確分段，每段設置，保證焊點光滑平整。圖6是針對某種焊接工件給的激光波形預覽。

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實際使用中，可以根據焊接工件的要求，設計不同的波形和焊接頻率，例如針對金屬激光切割，可以設置單段很大電路的激光脈衝(chong) 和高頻率的波形。

4.3 激光焊接結果

理想的激光電源是提高激光供能係統效率的關(guan) 鍵，利用本設計實現的激光電源具有很好的焊接效果。圖7是焊接成品圖示，從(cong) 細節圖中可以看出焊後外觀精美，結合度高，效果理想，很好地實現了設計目的。

5 結語

激光電源的功能擴展控製係統主要針對激光焊接行業(ye) 設計，具有控製簡單、精確度高、穩定性好、符合人機工程學等優(you) 點。隨著激光焊接行業(ye) 的蓬勃發展，該係統的成本較低，具有很好的市場優(you) 勢。