功大率半导体直接输出激光加工装备控制系统开发大学论文Word文件下载.docx

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作者姓名：

指导教师：

浙江工业大学机械工程学院

2013年11月

DissertationSubmittedtoZhejiangUniversityofTechnology

fortheDegreeofMaster

DevelopmentofControlSystemforHighPowerDirectOutputSemiconductorLaserProcessingEquipment

Candidate:

Advisor:

CollegeofMechanicalEngineering

ZhejiangUniversityofTechnology

Nov2013

浙江工业大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。

除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人承担本声明的法律责任。

作者签名：

日期：

年月日

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

1．保密□，在_____年解密后适用本授权书。

2．不保密□。

（请在以上相应方框内打“√”）

日期：

导师签名：

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%。

关键词：

半导体激光器，控制系统，数字信号处理器，PID控制，模糊控制

DEVELOPMENTOFCONTROLSYSTEMFORHIGHPOWERDIRECTOUTPUTSEMICONDUCTORLASERPROCESSINGEQUIPMENT

ABSTRACT

Inrecentyears,highpowerdirectoutputsemiconductorlasershaveobtainedrapidapplicationinmaterialprocessing,duetotheircharacteristicsofsmallvolume,highphotoelectricconversionefficiencyandexcellentoperationstability.Withtherapiddevelopmentoflaserprocessingtechnologyandautomationtechnology,andtheincreasingdemandsofthelaserprocessingquality,muchattentionhasbeenpaidtodeveloplaserprocessingautomationequipmentincountriesallaroundtheworld.Thedevelopmentofthedomesticsemiconductorlasershavemadegreatprogress,butrelatedresearchonautomatedprocessingequipmentandcontrolsystemforthedomestichighpowerdirectoutputsemiconductorlaserisrelativelyless.

Inthispaper,controlsystembasedondsPIC30f6014DSPhasbeendevelopedforhighpowerdirectoutputsemiconductorlaserequipment,thehardwarecontrolcircuitandcontrolsoftwareforthesystemhavebeendesigned,theapplicationofPIDcontrolalgorithmandthefuzzycontrolalgorithmhavebeenexploredinthesystem,closed-looptemperaturecontrolwascarriedout,andgoodcontroleffectwasachieved.Themainworkincludesthefollowingaspects:

1）ThedesignofthecontrolsystemhardwarecircuitwhichwasbasedondsPIC30f6014

Modularhardwarecircuitmainlyincludes:

mastercontrolmodulebasedonDSP,A/Dsamplingmodule,matrixkeyboardinputandLCDdisplaymodule,powderfeedingmoduleforstepmotordriving,D/Aconversionmodule,thecontrolpanelinterfaceboardmodule,RS232communicationmodule,etc.

2）Thedevelopmentofmodularcontrolsoftware

Thesystemsoftwarewasdevelopedonthebasisofthehardwarecircuit.Throughcallsofsubroutines，therequiredcontrolfunctionwasachieved.Thesoftwareincludesthehuman-computerinteractioninterfacemodule,dataacquisition,filteringmodule,dataprocessingmodule,feedingpowdermodule,D/Adrivermodule,stateoflasersignaldetectionandprocessingmodule,etc.

3）Thestudyofclosed-loopcontrolalgorithm

Inordertoobtainbettercontrolperformanceandprecision,PIDandFuzzyfeedbackcontrolalgorithmweredesignedrespectively,appropriatecontrolstrategiesweredeterminedforthissystembyanalyzingthecontroleffect.PIDcontroladoptedincrementalcontrolalgorithmandtheonlinereal-timeadjustmentoflaserpowerwasachievedthroughthesettingofPIDcontrolparametersbythematrixkeyboard,withtheemploymentofimprovedfuzzycontrol,differentcontrolparameterswerealsosettorealizeonlinedebugging.

4）Systemperformancetestandanalysis

Thecontrolplatformincludethecontrolmoduleofhardwareandsoftware,thelaser,therobot,thepowderfeederandthetemperaturesensor.Thetemperaturecontrolaccuracyandstabilityexperimentsbasedonthiscontrolplatformshowthatfuzzycontrolsystemhasgoodadaptabilityandhighcontrolprecision.Forexample,Thelasersurfacetreatmentexperiments（Start-uppower:

500W,Settemperature:

1250℃,Scanningspeed:

2mm/s,45steelsubstrate）showthatthetemperatureofthesteady-stateRMSerrorcanbecontrolledwithin2.34℃.Powderfeedingexperimentsshowthatthefeedingratecanreachto3-50g/mincontinuouslyandsteadily,theerrorratewascontrolledwithin2.6%.

Keywords:

semiconductorlaser,controlsysterm,DSP,fuzzycontrol,PIDcontrol

第1章绪论

随着半导体激光器的快速发展，激光功率的不断提高，半导体激光器在材料加工方面得到了快速应用。

大功率半导体直接输出激光器由于其转换效率高、工作稳定性好、质量轻、体积小等特点成为了各国的研究热点。

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激光技术发展的一个方向，国外对激光装备的研究较早，部分已商品化生产，国内在这方面的研究水平与国外相比还有一定的差距。

绪论中介绍了半导体激光器的发展及直接输出的特点，综述了国内外激光加工控制系统的研究现状，并对本文开发的控制系统方案进行了分析，说明了硕士期间主要的研究工作。

1.1半导体激光器概述

1.1.1半导体激光器的发展

半导体激光器是以半导体材料作为工作物质，受激发射的器件，又称激光二极管（LD），自1962年出现以来，半导体激光器由于其体积小、重量轻、光电转化效率高等特点已成为信息技术的关键器件。

半导体激光器发展速度快、波长范围宽，特别是近年来大功率半导体激光器的发展，使其在材料加工中得到了广泛应用。

早在1953年美国的JohnVonNeumann就论述了半导体材料受激发射的可能性，并认为通过向PN结注入少数载流子来实现受激发射。

J.Bardeen总结冯.纽曼的基本理论后认为，通过扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致使非平衡少数载流子复合而产生光子，其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来提高[1-2]。

自1962年半导体激光器问世以来，经过几十年的研究，半导体激光器的各项性能得到了很大的提高，其波长覆盖红外、红光到紫外光，其寿命由几百小时到几万小时，乃至百万小时，激射阈值电流由几百毫安降到几十毫安,直到亚毫安，从最初的低温（77K）下运转，发展到室温下连续工作，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级（列阵器件）[3-4]。

上世纪90年代中期，半导体激光器开始广泛应用到材料加工方面，使得大功率半导体激光器得到了快速发展，2000年德国成功研制了寿命在10000小时，输出功率达2000W的半导体激光器，2005年德国laserline公司推出商用大功率半导体激光器，其直接输出功率高达10000W，光纤耦合输出功率达6000W。

我国大功率半导体激光器的应用和起步较晚，近年来也取得了巨大的进步，2008年炬光科技生产的连续和准连续大功率激光器，其功率可达5000W，可输出毫米级的矩形和圆形光斑，光斑能量可近似平顶输出[5]。

2011年王立军团队攻克千瓦级半导体激光器散热难题，开发了6700W激光迭阵模块；

同时解决了垂直腔面发射激光器大面积二维集成面阵需大电流驱动的难题,为千瓦至万瓦级高光束质量激光面阵开发及应用奠定了基础[6]。

张志军等人[7]研制了2218W的高亮度光纤耦合模块，可直接用于金属材料的焊接、熔覆等工业领域。

1.1.2半导体激光器直接输出的特点

半导体激光器根据输出方式的不同分为半导体直接输出激光器和光纤耦合半导体激光器[8]，半导体激光器加工过程所输出的激光是由激光列阵通过光束整形与耦合输出，其功率的大小由列阵的数量决定。

随着激光功率的不断提高，半导体激光器在材料加工中的应用范围不断扩大，同时直接输出大功率半导体激光器由于输出波长较短，材料对此波长的吸收率较高，在激光表面改性处理、激光熔覆、激光淬火、合金化等材料加工方面与其他激光器相比，直接输出半导体激光器具有以下优点[9-11]：

1）体积小，重量轻，结构紧凑。

直接半导体激光器集成之后的机器体积较小，如2KW的直接输出半导体激光器集成大小与鞋盒大小相似，重量也只有几千克，方便安装，与同功率CO2激光器相比，后者就显得笨重许多。

2）光电转化效率高。

直接半导体激光器的光电转化效率一般在45%左右，或者更高，而光纤耦合激光器的转化效率一般为25%，CO2激光器或灯泵浦激光器的转化效率只有5%左右。

3）寿命长，工作稳定，维护费用少。

半导体激光器的寿命一般在10000小时以上，维护周期较长，灯泵浦激光会因为热透镜效应产生光束质量的不稳定，影响激光加工的质量，而CO2激光器需要定期更换气体灯，造成了维护费用的增加，对激光加工生产效率也带来了一定的影响。

4）波长较短，应用范围广。

在激光材料加工过程中，金属材料对短波长的激光吸收效率较好，一般为808nm到980nm，因此直接输出半导体激光器的波长更利于金属材料的吸收，加工效果好。

5）模块化结构设计，可以根据不同的加工环境设计不同的激光加工系统。

6）关键部件成本低，运行成本低。

7）热影响区小，加工质量好。

直接半导体激光器激光能量密度高、加工速度快、波长较短、材料吸收率较高，加工过程中热影响区较小，与CO2横流激光器在激光熔覆0.5mm相同基体材料时，直接半导体激光器的热影响区为0.2-0.8mm，而CO2横流激光器的热影响区为1.0-2mm[12]。

1.2激光加工过程控制系统研究现状

激光加工技术是高能激光束与材料相互作用的加工技术，当激光束照射到工件表面时，工件瞬间升温，产生较高的加工温度，温度的高低直接影响着激光加工质量，在激光加工控制过程，温度控制系统的研究对提高激光加工质量具有重大意义。

1.2.1激光加工过程的控制参量分析

影响激光加工质量的因素有很多，一般包括激光功率、光斑大小、扫描速度、加工温度等，而在这些因素中，加工温度是一个比较关键的因素，激光加工过程温度的控制可以有效提高激光加工质量[13]。

在激光焊接过程中，焊接温度间接反映着焊接的质量，温度的动态变化直接影响着焊接头的形状，性能、金相组织以及焊接的应力梯度[14]。

在激光熔覆、激光再制造等加工过程中，激光加工温度直接影响着工件的表面形貌、裂纹和气孔的产生。

温度决定了激光熔池的尺寸和稀释率，如果温度过低，熔池的稀释率就会太小，熔池中的金属粉末就不能完全熔化，基体与熔覆层之间不能形成很好的冶金结合，结合强度不够，易脱落，熔覆层表面易形成气孔、裂纹。

如果温度过高，熔覆层的稀释率过高，基体材料熔化过多，降低了熔覆层的性能，不能形成高硬度、耐腐蚀、耐磨损等特殊性能的熔覆层，同时，由于温度过高，熔覆材料就会造成烧损，增加了裂纹产生的几率[15-17]。

因此，合理控制激光加工温度对提高激光加工质量具有重大意义。

1.2.2激光加工控制系统国内外进展

激光加工技术始于上世纪60年代，自激光器产生以来，激光加工技术成为了各国的研究热点，激光加工控制装备的研究成为了当今激光加工技术的一个重要方向，国外对激光加工温度控制装备的研究较早，部分系统已经商品化，早在1973年Swift-Hook、Gick[18]便开始对激光焊接熔池温度进行研究。

近年来，各国对激光熔覆、激光再制造、激光直接成形等激光加工过程的温度监测与控制系统研究报导较多[19-22]。

上世纪90年代初期，国外对激光加工过程的控制研究已经取得了较大的进展，主要包括直接对激光功率的控制、加工工件运动速度的控制、激光加工过程温度的控制，而在激光加工温度控制方面的研究较多。

B.Grnenwald[23]等人采用高温计对激光加工过程温度进行检测并实现了闭环反馈控制，通过对熔覆过程的激光功率适时调整，保证了激光加工过程温度的稳定。

该系统的控制原理是通过高温计对激光加工过程进行检测，通过PID算法适时调整激光器功率控制器，进而保证加工温度的稳定性。

同年，英国L.Li和Steen等人[24]采用CCD对激光熔池动态过程进行了图像采集，并实时调节放电电流来控制激光器的输出功率，进而达到加工温度的稳定。

美国密西根大学J.Mazumder[25]研究小组开发了DMD技术，并加入了DMD反馈控制系统，该系统已进入了商品化生产阶段，其反馈控制主要包括两个方面的控制，一方面是对熔覆高度进行控制，另外一个关键控制因素是对熔池进行闭环控制，它包括熔池的尺寸、温度等，温度闭环反馈控制如图1-1，在激光加工温度检测过程中采用棱镜来减少噪声信号，并通过双色红外测温仪对加工温度进行检测，把采样信号传送到DMD控制中心，DMD控制系统通过调节激光实时功率，进而使温度保持稳定。

英国诺丁汉大学GuijunBi[26]等研究小组通过对不同测温系统的研究，开发了一套基于CCD红外温度信号检测技术的同轴温度信号控制系统，实验结果表明该系统可以很好的控制加工温度的稳定性。

澳大利亚D.Salehi[27]等采用LabView系统检测并控制熔池温度，降低了熔覆层的稀释率。

图1-1DMD系统中温度控制原理图[25]

我国对激光加工技术上的研究较晚，控制装备的研究还不成熟，对激光加工过程温度的控制大都以数值模拟为基础，进而指导实验加工过程。

与国外激光加工温度控制系统相比，国内总体研究水平相对较低，控制策略和控制手段还不完善，但部分研究单位在激光加工温度控制系统的研究上已经取得了巨大进步。

周广才[28]等采用改进的温度传感器对加工温度进行了测量，并开发了温度反馈控制系统，其闭环控制系统原理如图1-2所示，经改进的温度传感器检测熔池温度，并与工艺要求最佳温度相比较，其差值经信号处理控制数控系统实时调节工艺参数，进而保证加工温度的稳定性。

该系统的优点在于采用改进的温度传感器对加工温度进行采集，提高了温度采样的精度。

姜淑娟，刘伟军[29]采用CCD摄像机完成熔池图像的采集，然后经计算机计算出加工温度，经PID-模糊控制实现加工过程温度的稳定性，实验表明该系统可以实现激光加工的实时控制，有效提高了产品的质量。

图1-2熔池温度闭环控制系统原理图[28]

沈治[30]采用高温热像仪对激光加工温度进行监测，并基于模糊控制理论建立了温度闭环控制系统，其反馈控制原理是传感器采集的温度高于设定温度时通过模糊控制器提高扫描温度，采集温度低于设定温度时降低扫描速度。

实验表明，该加工系统可以有效提高激光加工质量。

1.3控制系统方案分析

本文研究的目的是开发大功率半导体直接输出激光加工装备的控制系统，实现大功率半导体直接输出激光加工装备的加工过程控制，优化该系统的控制方法与控制策略。

具体开发内容包括：

1）系统集成。

实现该控制系统的器件包括激光头、激光电源、机械手、送粉器、测温仪等，这些器件之间是相互独立的，操作性较差，必须把他们集成在一起才能实现系统的方便操作，提高他们之间的灵活性及机动性。

2）信号处理与分析。

该控制系统信号的设计包括激光器功率信号的控制，激光器状态信号的检测，送粉量的准确控制，温度的闭环控制，与机械手运动系统信号的交互。

激光器为国产大功率半导体激光器，根据其信号控制特点设计信号