金属激光切割机焦点控制系统的设计

摘要

激光切割技术经过五十多年的发展，已成为先进制造技术的重要组成部分，其精确性高、加工效率高、低污染的特性使其在金属切割领域得到了非常广泛的应用。焦点控制系统是金属激光切割机至关重要的组成部分，它与激光焦点位置的准确性和稳定性直接相关，由此决定了金属工件的切割质量。因此设计一种焦点控制系统对于金属激光切割具有十分重要的意义。本文设计一种以DSP作为控制核心的金属激光切割机焦点控制系统。
　　首先介绍了研究背景以及意义，分析金属激光切割机焦点控制系统的国内外研究现状和发展趋势。对金属激光切割机焦点控制系统进行了需求分析，并以此为基础完成了系统总体框架的设计。对比各种位置检测手段的优缺点，根据金属激光切割这个特定应用场合的特点，最终选择电容传感器作为焦点位置检测的传感器。结合传统PID控制理论和模糊控制理论，对激光焦点位置进行闭环控制，设计了金属激光切割机焦点控制系统模糊PID控制器。
　　对金属激光切割机电容传感器的机械机构和电气特性进行了分析，通过理论推导得到电容值与距离的关系曲线，并由此计算电容的变化情况，为电容检测电路的设计以及对电容信号的处理提供理论支持。设计了以Pcap01作为核心芯片的电容检测模块，将经过Pcap01处理过的数字电容信号以SPI通信方式发送给焦点位置控制模块。
　　完成了以DSP作为核心的焦点位置控制模块的硬件和软件设计，通过软硬件的配合实现了金属激光切割机焦点控制系统的各个功能。其中，通过对几种非线性校正算法的比较分析，选择最小二乘法作为本系统的非线性校正算法，从而设计非线性校正程序对电容数据进行非线性校正。焦点位置控制模块对接收到的数字电容信号进行数字滤波，并利用非线性校正程序进行曲线拟合，最终得到高精度的焦点位置测量值。结合传统PID控制算法和模糊控制算法，设计了模糊PID控制器，并进行了仿真研究。
　　最后搭建了金属激光切割机焦点控制系统的测试平台，对系统进行了实验测试，并通过对比分析，发现实验结果与预期相符，满足系统的各项性能指标要求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究现状和发展趋势

1.3论文研究内容与章节安排

第2章 系统总体方案设计

2.1需求分析与总体框架

2.2 焦点位置检测方案

2.3 焦点位置控制系统方案

2.4本章小结

第3章 系统硬件设计

3.1电容传感器特性分析

3.2焦点位置检测模块硬件设计

3.3焦点位置控制模块硬件设计

3.4 本章小结

第4章 系统软件设计

4.1系统主程序软件设计

4.2焦点位置检测软件设计

4.3焦点位置控制软件设计

4.4本章小结

第5章 测试结果及分析

5.1金属激光切割机焦点控制系统测试平台

5.2测试结果

5.3本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果