基于边缘计算的自适应动态调焦激光切割头控制系统设计

戴中达，付兴威，李 正，吴 欣，蔡 亮，曹 宇,

（1.温州大学机电工程学院，浙江温州325035；2.奔腾激光（温州）有限公司，浙江温州325000）

装备制造能力是大国竞争的焦点，也是国家安全和经济发展的重要保障。国内激光加工机床集成制造商通过多年的自主研发，已逐步向高端应用领域探索。然而，美、日、德等国外企业凭借其深厚的技术积累，在核心元器件、智能制造技术等方面长期处于领先地位。由于国产化产业链仍不配套，虽然我国在中低端产品相对能够自给自足，但是高端装备所配置的超高功率激光器、自动调焦激光切割头则高度依赖国外。

激光切割头作为最末端的工艺执行部件，内部光学透镜组需要将光纤导入的原始光束进行准直并聚焦为高能量密度光斑用于切割，焦点漂移控制成为超高功率激光切割的一项共性关键技术。超高功率激光切割过程中的焦点漂移问题，即离焦量的非受控波动现象，主要起源于切割头内光路系统的热致透镜面型畸变（热透镜效应）、折射率梯度分布效应和光-机装配结构热变形[1-2]：切割头内部光路镜片受到超高功率强激光辐照产生面型的热致畸变和折射率的梯度分布，且镜片与支撑结构之间导热换热使得关联的光-机装配结构发生热变形，从而使系统最终输出光束的波前相位分布发生畸变，导致输出聚焦光束的焦点漂移及光束质量下降。此外，切割头内光路的流动空气介质吸收高能激光而被加热，产生的湍流和热晕效应会引起激光束的展宽和强度起伏，对焦点漂移也有影响[3-4]。因此，针对光学透镜面型的热致畸变的焦点漂移进行自动调焦，使其始终保持在最佳切割条件下，是目前超高功率激光切割头亟待解决的技术问题。当前，国外厂商占据了大量动态调焦技术的知识产权，如切割头内光路调节方法与光路机构[5]、动态高度调节系统和方法[6-7]等，而国内厂商则分别在自动调焦算法、切割头调焦方法、调焦结构等方面发展了自己的独有技术[8-10]。

从目前市场上的产品来看，自动调焦激光切割头内部设置有伺服电机调焦系统，其原理是在切割数控系统中预设一个切割焦点偏移补偿值序列，当软件检测到设备长时间出光工作时，根据预设补偿值实时调整焦点的位置。虽然切割头内部也有监测激光切割头运行状态的温湿度及压力传感器，但对透镜进行温度监测的温度传感器和实现调焦的伺服电机之间并没有构成自适应动态调焦的闭环控制，主要原因在于数控系统非实时的操作系统和通信总线带宽，温度传感器数据采集传输、计算处理和调焦指令的生产速率不能可靠地响应温度场实时变化速率，难以满足实时闭环反馈控制要求。

针对目前激光切割头受限于数控总线系统、信号传输不具实时性等问题，本文提出引入边缘计算方法，添加基于RTOSMCU的边缘计算单元，将切割头从传统的“光机电”系统架构升级为“光机电算”系统架构，自主研发出基于自适应动态调焦的新型超高功率智能激光切割头。

1 系统设计原理

基于边缘计算的“光机电算”一体化激光切割头控制系统架构主要包括主控模块、串口屏显示模块、温度传感采集模块、焦点调节模块以及与数控系统的通信模块，各功能模块都受到主控模块的控制，协调各功能模块之间的协调运行。

图1是控制系统的逻辑框图。主控模块可以对数控系统的数据进行解析，同时将激光切割头运行状态反馈到数控系统中，二者通过EtherCAT接口通信。主控模块基于边缘计算设计了具有脱离数控系统对数据独立解析运算而直接控制激光切割头运行的能力，通过边缘计算的低延时、高响应、实时监控特性，可适用于不断发展的超高功率激光切割工况应用场景。温度传感采集模块采用的是非接触红外温度传感器，温度传感器与主控模块之间采用SMBus通信协议，直接实现对温度数字信号采集，降低了主控芯片对数据的处理要求；同时，温度传感器模块与主控模块之间形成反馈闭环控制，并结合焦点控制模块实现激光切割头内部自适应调焦控制功能。

图1 控制系统逻辑框图

图2是多个温度传感器的采集电路。调焦执行结构为导程5 mm、精度0.02 mm的步进电机驱动滚珠丝杆模组以及聚焦透镜组和准直透镜组构成。步进电机驱动模块采用两相步进电机驱动模块，面积小、功耗低，驱动模块与主控模块之间支持SPI或UART接口通信。

图2 多个温度传感器采集电路

采用TMC5160两相步进电机驱动电路操作，基于焦点漂移量与温度传感参数之间的控制算法函数关系式，由主控芯片对多源温度传感器采集的数据进行读取，并结合D-S证据理论对多源温度传感器数据通过其合成规则进行融合[12-13]，对超高功率激光切割头内部光路热工况温度场做出精准诊断，将得到的焦点漂移量转换为驱动步进电机的脉冲量，最终将驱动信号发送给步进电机驱动模块进行电机的驱动，使准直镜组进行上下移动调节，从而实现激光切割头的温度自适应调焦。

2 光机热变形的自适应调焦控制算法设计

2.1 光机热变形所致焦点漂移量控制函数

为了满足激光切割头对其内部光学系统自适应动态调焦控制算法的设计，需确立焦点漂移量与温度场之间的控制函数关系式，已有相关研究给出了焦点漂移量的估算公式[11]：

式中：α为光学元件的吸收率；P为激光功率，W；T为温度，K；K为热导率，W/（m·K）；f为焦距；DL为透镜上的光束直径。其中，材料热导率K、热光系数和光学元件吸收系数α均与环境温度存在理论关联函数，以下进行分析。

热导率K（T）与温度变化之间的关系式为：

式中：K（T）为热导率，W/（m·K）；Q为传递的热量，W；L为材料的厚度或长度，m；A为材料的面积，m2；ΔT为温度差，K。

当温度变化时，透镜材料折射率的变化量为：

式中：n（λ，T0）为透镜材料在常温常压下的绝对折射率；ΔT为温度变化量；D0、D1、D2、E0、E1和λtk为常数，由材料厂家提供。

式中：T0为初始温度，℃；T为测量后的温度，℃；ΔT为温度差，℃；λ为光的波长，μm。

联立式（1）~式（4），即可获得焦点漂移值与温度之间的控制函数关系。在调焦控制系统的软件设计部分，可根据上述函数关系与温度传感器采集的参数进行温度自适应调焦算法的设计，在实际应用中也可以改善热效应带来的焦点漂移对加工工件质量的影响。

2.2 基于D-S证据推理的多源温度场数据处理算法

D-S证据理论引入信任函数，形成了一套“证据”和“组合”来处理不确定性推理的数学方法。设m（A）为A的基本概率赋值，表示对命题A的精确信任程度，即对A的直接支持。Dempster合成规则也称证据合成公式[14-16]。

对于∀A⊆Θ，Θ上的两个mass函数m1、m2的Dempster合成原则为：

在对激光切割头中的四个温度场传感器进行数据决策时，需遵循式（5）函数进行两两合成。

对于假设A，合成的mass函数是所有相交有A的两个假设进行两个mass函数计算后乘积的和，再除以归一化系数K。K的算法如下：

还有一些地方将K定义如下，将1-K当成归一化系数，说法不同，但含义一样：

激光切割头内部包含四个温度传感器监测不同位置的温度场范围，分别是光学机械夹具、准直镜组、聚焦镜组及保护镜周围的温度场。基于D-S证据理论，在激光切割头不同运行状态下，四个温度传感器的温度参数对焦点漂移量的影响，设在不同激光参数下作为证据体，温度传感器检测温度对焦点漂移影响作为事件，构建的识别框架为Θ={T1，T2，T3，T4}。激光参数选择的是在相同出光时间下，中功率、高功率、超高功率三个激光参数作为证据体构建基于D-S证据理论的模型，为了解决与实际情况不符的问题，添加对识别框架Θ的基本概率分布，如表1所示，预设在不同证据下对不同传感器温度值的基本概率分布。

表1 不同证据的基本概率分布预设

首先，对中功率与高功率激光进行融合，计算它们之间的归一化系数，得到：

然后，根据合成原则计算四个温度传感器及Θ的组合BPA，得到：

最后，利用相同的合成原则，将得到的融合数据与超高功率激光的四个温度传感器数据进行融合，最终得到表2所示的融合数据。

表2 最终数据合成结果

经过对整个识别框架的数据融合，可看到准直镜组与聚焦镜组周围温度参数对焦点漂移的影响较大，其次是机械周围温度参数的影响。基于D-S证据理论的决策，针对这几组激光参数焦点漂移量的计算主要使用的是透镜组的温度参数。激光的其他参数也可作为证据体，决策出不同激光切割参数下不同位置温度传感器对焦点漂移量的影响程度。

2.3 自动调焦程序设计

结合上述光机热焦点漂移量与温度之间的控制函数关系及基于D-S证据推理的多源温度场数据处理算法，得到图3所示的自动调焦控制主程序流程。在运行工况下，控制系统使用温度传感器对内部光路温度场各处温度进行采集，接着利用解析处理后的温度参数，对焦点相对位置进行调整。

图3 主程序的工作部分流程图

3 结束语

本文针对目前超高功率激光切割头面临焦点漂移的技术问题，提出基于边缘计算的自适应动态调焦控制系统新架构，用STM32作为主控芯片对激光切割头内部各个模块进行数据处理，实现控制系统对激光切割头自主控制并提高与激光切割头之间控制信号传输的稳定性、实时性和响应性。基于热影响分析推导的焦点漂移与温度之间的理论关系以及用D-S证据理论对多源温度传感器的数据整合，设计出温度传感器与STM32主控模块之间闭环控制光路系统的自适应调焦算法，改善了超高功率激光切割厚板在极端工况下的工件加工质量。