华中科技大学
硕士学位论文
姓名：卢伟
申请学位级别：硕士
专业：光学工程
指导教师：程愿应
2011-01-08
华中科技大学硕士学位论文
摘要
随着我国汽车工业的蓬勃发展以及人们对汽车安全性、美观性和舒适性的追求，激光弱化技术将有广阔的
市场前景。激光弱化技术将机器人自动化控制与激光加工技术有机结合起来，保证了弱化的效率与精度。本论文主要就弱化设备中机器人自动化控制以及弱化剩余厚度控制进行研究与设计。
激光弱化设备的电气控制主要涉及到激光器的控制和夹具气缸的控制。通过对Rofin CO2激光器电气控制、ABB机器人总线控制以及SMC旋转气缸电气控制的深入了解，设计了通过ABB机器人的DeviceNet总线扩展I/O端口来控制激光器和夹具气缸。
为了对弱化剩余厚度进行控制，需要一个闭环控制系统进行实时监控。本文提出的闭环控制策略为：利用传感器探测与弱化剩余厚度有关的物理量，根据传感器的输出信号来控制激光器的出光与关光。闭环控制系统主要由两个模块组成：反馈信号采集模块和反馈信号处理模块。
在反馈信号采集模块设计过程中，提出了背面同轴光探测方案。详细比较了HgCdTe探测器、热电偶和热释电探测器的性能与性价比，最终选择热释电探测器。理论分析了热释电探测器对脉冲辐射的响应，并进行了Matlab仿真。对比了电容补偿放大、电压和电流前置放大电路，最终选择电流前置放大并对前置放大电路进行了噪声分析、TINA模拟仿真以及实际测试。测试结果与理论分析基本相符，此探测方案可行。
反馈信号处理模块的设计，主要涉及脉冲信号发生模块、占空比可调模块、脉冲调制模块和电平匹配模块的设计。脉冲信号发生模块利用555芯片实现；占空比可调模块由寄存器和加法器来实现；脉冲调制
模块由与门实现；电平匹配模块采用电平转换芯片实现。利用Protel DXP对占空比可调模块和脉冲调制模块进行仿真以及实际测试，仿真与测试结果符合预期要求。
关键词：激光弱化CO2激光器ABB机器人热释电探测器占空比可调
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ABSTRACT
With the vigorous development of China’s automobile industry and people’s need of car safety、delicacy and comfort,laser weakening technology will have broad market.Laser weakening technology combines robot automatic control and laser processing technology to ensure the efficiency and precision of laser weakening. This paper reseaches and designes robot automatic control and the remaining thickness control.
The electrical control of laser weakening mainly relates to laser control and clamp cylinder control.Through in-depth study of Rofin CO2 laser electrical control、ABB robot fieldbus control and SMC rotary cylinder electrical control, this paper designs control scheme of the laser and the clamp cylinder by ABB robot DeviceNet fieldbus extended I/O ports.
In order to control the remaining thickness, it requires a closed loop control system for real-time monitoring.The paper brings up a contol strategy: using a sensor to detect physical quantity that relates with weakening remaining thinkness and according to the output signal’s value from the sensor to control the open and close of the laser beam. Closed loop control system mainly consists of two modules: the feedback signal acquisition module and the feedback signal processing module.
The feedback signal acquisition module propounds a plan that provides coaxial optical detection on the backside of the workpiece .Comparing the performance and cost of HgCdTe detector、thermocouple and pyroelectric detector, the paper ultimately selects the pyroelectric detector. This module analyzes the pyroelectric detector’s response to the pulse radiation theoretically and makes simulaions using Matlab.Comparing capacitance compensation preamplifier、voltage and current preamplifiers it finally selects current preamplifier and makes noise analysis for preamplifier circuit、TINA simulation and actually testing.The test results is consistent with the theoretical analysis and the detection
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scheme is feasible.
The design of the feedback signal processing module mainly relates to pulse signal generator module、duty cycle adjustable module、pulse modulation module and level matching module.Pulse signal generator module is achieved by 555 chip;duty cycle adjustable module is achieved by register and adder; pusle modulation module is achieved using and gate; level match module is achieved using level conversion chip.The final step is to simulate the duty cycle adjustable module and pulse modulation module by Protel DXP.
Key words：laser weakening CO2laser ABB robot pyroelectric detector adjustable duty cylce
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