基於比較器電路設計的雷射切割機電路結構的製作方法

2023-05-04 05:56:11

本實用新型涉及金屬材料生產技術等領域，具體的說，是基於比較器電路設計的雷射切割機電路結構。

背景技術：

金屬是一種具有光澤(即對可見光強烈反射)、富有延展性、容易導電、導熱等性質的物質。金屬的上述特質都跟金屬晶體內含有自由電子有關。在自然界中，絕大多數金屬以化合態存在，少數金屬例如金、鉑、銀、鉍以游離態存在。金屬礦物多數是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及矽酸鹽。金屬之間的連結是金屬鍵，因此隨意更換位置都可再重新建立連結，這也是金屬延展性良好的原因。金屬元素在化合物中通常只顯正價。相對原子質量較大的被稱為重金屬。

由於金屬的電子傾向脫離，因此具有良好的導電性，且金屬元素在化合物中通常帶正價電，但當溫度越高時，因為受到了原子核的熱震蕩阻礙，電阻將會變大。金屬分子之間的連結是金屬鍵，因此隨意更換位置都可再重新建立連結，這也是金屬伸展性良好的原因。

在自然界中，絕大多數金屬以化合態存在，少數金屬例如金、銀、鉑、鉍以游離態存在。金屬礦物多數是氧化物及硫化物，其他存在形式有氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及矽酸鹽。

屬於金屬的物質有金、銀、銅、鐵、錳、鋅等。在一大氣壓及25攝氏度的常溫下，除汞(液態)外，其他金屬都是固體。大部分的純金屬是銀白(灰)色，只有少數不是，如金為黃赤色，銅為紫紅色。金屬大多帶「釒」旁。

通常將具有正的溫度電阻係數的物質定義為金屬。使用的含112中種元素的元素周期表中，金屬元素共90種。位於「硼-砹分界線」的左下方，在s區、p區、d區、f區等5個區域都有金屬元素，過渡元素全部是金屬元素。

在固態金屬導體內，有很多可移動的自由電子。雖然這些電子並不束縛於任何特定原子，但都束縛於金屬的晶格內；甚至於在沒有外電場作用下，因為熱能，這些電子仍舊會隨機地移動。但是，在導體內，平均淨電流是零。挑選導線內部任意截面，在任意時間間隔內，從截面一邊移到另一邊的電子數目，等於反方向移過截面的數目。

金屬製造(金屬工藝)，是一種把金屬物料加工成為物品、零件、組件的工藝技術，包括了橋梁、輪船等的大型零件，乃至引擎、珠寶、腕錶的細微組件。它被廣泛應用在科學、工業、藝術品、手工藝等不同的領域。

金屬材料的成型加工按其特點分為冷加工(機械加工、冷軋、冷鍛、衝壓等)和熱加工(鑄造、熱扎、鍛造、焊接、熱處理等)。

按工藝分：

1、變形加工：

(1)塑性成型加工：

塑性(成型)加工是指高溫加熱下利用模具使金屬在應力下塑性變形。

(2)固體成型加工：

固體成型加工：是指所使用的原料是一些在常溫條件下可以進行造型的金屬條、片以及其他固體形態。加工成本投入可以相對低廉一些。

(3)壓力加工：

利用金屬在外力作用下所產生的塑性變形，來獲得具有一定形狀、尺寸和機械性能的原材料、毛坯或零件的生產方法，稱為壓力加工。

壓力加工的基本方式：鍛造、板料衝壓、軋制、擠壓、拉拔。

(4)粉末冶金：

粉末冶金一種可以加工黑色金屬元件也可以加工有色金屬元件的工藝，包括將合金粉末混合以及將混合物，壓入模具兩項基本工序。金屬顆粒經過高溫加熱燒結成型。這種工藝不需要機器加工，原材料利用率可以達到97％。不同的金屬粉末可以用於填充模具的不同部分。

2、切削加工：

製造尺寸、形狀、位置精度要求較高，表面粗糙度較細的零件，通常採用切削加工方法。

金屬切削工具機就是利用刀具對金屬毛坯進行切削加工的設備，通常簡稱為工具機。

3、磨削加工：

利用磨料去除材料的加工方法，通常按工具類型進行分類，可分為使用固定磨粒加工及使用自由磨粒加工兩大類。

通常所說磨削主要指用砂輪或砂帶進行去除材料加工的工藝方法，它是應用廣泛的高效精密的終加工方法。

4、焊接，是一種永久性連接金屬材料的工藝方法。焊接過程的實質是用加熱或加壓力等手段，藉助於金屬原子的結合與擴散作用，是分離的金屬材料牢固地連接起來，分熔化焊、壓力焊、釺焊三大類。

5、表面處理：

熱處理是在一定的條件下，給金屬一定的加熱與冷卻，使金屬獲得一定的機械性能或化學性能的工藝方法。金屬零件進行熱處理的主要目的是：

提高硬度、強度及增加耐磨性；

降低硬度，便於機械加工；

消除加工過程中所引起的內應力；

提高表面耐磨、耐蝕性能。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供基於比較器電路設計的雷射切割機電路結構，利用比較器晶片所搭建的比較器能夠快速穩定的對由霍爾傳感器所檢測的雷射設備的反饋電壓與第二處理器電路所提供的基準電壓進行比較，而後輸送至第一處理器IC1內以備進行第一處理器IC1的管理控制；整個電路具有設計簡單，使用方便，安全穩定等特點。

本實用新型通過下述技術方案實現：基於比較器電路設計的雷射切割機電路結構，設置有相互連接的第一處理器電路和第二處理器電路及分別給第一處理器電路和第二處理器電路供電的電源電路，所述電源電路包括分別與第一處理器電路和第二處理器電路相連接的諧振開關電源系統，在所述諧振開關電源系統上還連接有交流供電系統；在第一處理器電路內設置有第一處理器IC1、傳感器電路、繼電器電路、IGBT、雷射設備及比較器，傳感器電路連接第一處理器IC1，第一處理器IC1連接繼電器電路，雷射設備分別與IGBT和比較器相連接，IGBT連接第一處理器IC1，第一處理器IC1與比較器相連接，比較器和第一處理器IC1皆與第二處理器電路相連接；諧振開關電源系統連接第一處理器IC1；在所述比較器內設置有比較器晶片IC5、供電電路、電阻R2、電阻R1、電容C1、電容C2及穩壓管D1，所述交流供電系統連接供電電路的輸入端，供電電路供電連接比較器晶片IC5的8腳，比較器晶片IC5的2腳與第二處理器電路相連接，比較器晶片IC5的3腳通過電阻R2連接有霍爾傳感器，且霍爾傳感器設置在雷射設備上；霍爾傳感器和電阻R2的共接端通過相互並聯的電阻R1和電容C1接地，比較器晶片IC5的3腳還通過相互並聯的電容C2和穩壓管D1接地；第一處理器IC1主要功能包括高頻時鐘的分頻、模擬開關的選通控制、編碼器脈衝的檢測、外部反饋及數據的傳輸等。

進一步的為更好地實現本實用新型，特別採用下述設置結構：所述供電電路內設置有橋式整流堆IC3、π型RC電源濾波器及三端穩壓器IC4，橋式整流堆IC3的交流端與交流供電系統相連接，橋式整流堆IC3的直流端連接π型RC電源濾波器的輸入端，π型RC電源濾波器的輸出端連接三端穩壓器IC4的輸入端，三端穩壓器IC4的輸出端與比較器晶片IC5的8腳和4腳相連接。

進一步的為更好地實現本實用新型，特別採用下述設置結構：在所述第二處理器電路內設置有第二處理器IC2、液晶顯示器、DA調理電路、PWM輸入檢測電路及時鐘電路，所述第一處理器IC1連接第二處理器IC2，DA調理電路分別連接比較器晶片IC5的2腳和第二處理器IC2，第二處理器IC2分別與液晶顯示器、PWM輸入檢測電路及時鐘電路相連接。

進一步的為更好地實現本實用新型，特別採用下述設置結構：在所述第二處理器電路內還設置有與第二處理器IC2相連接的外部存儲器，所述外部存儲器包括SD卡和隨機存儲器，且隨機存儲器為動態隨機存儲器或/和動態隨機存儲器。

進一步的為更好地實現本實用新型，特別採用下述設置結構：還包括與所述第二處理器IC2相連接的上位機。

進一步的為更好地實現本實用新型，特別採用下述設置結構：所述第二處理器IC2採用的處理器晶片為STM32F3系列單片機。

進一步的為更好地實現本實用新型，當出現溫度過高或切割位置偏移燈影響產成品質量的情況時，能夠及時的進行提醒，特別設置成下述結構：在所述第一處理器電路內還設置有報警電路和反饋電路，所述報警電路和反饋電路皆與第一處理器IC1相連接。

進一步的為更好地實現本實用新型，能夠實時的對雷射設備的工作溫度信息進行採集，並及時反應雷射設備與工件之間的距離，特別採用下述設置結構：所述傳感器電路內設置有分別與第一處理器IC1相連接的溫度傳感器和距離傳感器。

進一步的為更好地實現本實用新型，特別採用下述設置結構：所述第一處理器IC1採用的處理器晶片為Spartan-7FPGA系列；所述比較器晶片IC5採用LM393。

進一步的為更好地實現本實用新型，特別採用下述設置結構：所述第二處理器IC2採用的處理器晶片為STM32F3系列單片機；所述橋式整流堆IC3採用貼片整流橋MBL6S，所述三端穩壓器IC4採用LM78系列三端穩壓器。

本實用新型與現有技術相比，具有以下優點及有益效果：

本實用新型利用比較器晶片所搭建的比較器能夠快速穩定的對由霍爾傳感器所檢測的雷射設備的反饋電壓與第二處理器電路所提供的基準電壓進行比較，而後輸送至第一處理器IC1內以備進行第一處理器IC1的管理控制；整個電路具有設計簡單，使用方便，安全穩定等特點。

本實用新型利用現有成熟的ARM及FPGA技術而設計，採用兩級核心處理電路設計的雷射切割機，應用最簡單的硬體配置實現雷射切割機的智能化，整個結構具有體積小、操作簡單、功能強等特點。

本實用新型有效的利用現有成熟技術的FPGA及ARM來進行整個雷射切割機的核心管理功能，從而達到智能化、自動化的對雷射切割機結構操作的目的。

本實用新型所述的外部存儲器能夠進一步的通過第二處理器IC2的處理性能，並有效保障整個雷射切割機的工作穩定度，避免由於性能原因而影響整個雷射切割機的工作。

附圖說明

圖1為本實用新型所述比較器工作原理電路圖。

圖2為本實用新型結構示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本實用新型作進一步地詳細說明，但本實用新型的實施方式不限於此。

值得注意的是，在本實用新型的實際應用中，不可避免的會應用到軟體程序，但申請人在此聲明，該技術方案在具體實施時所應用的軟體程序皆為現有技術，在本申請中，不涉及到軟體程序的更改及保護，只是對為實現發明目的而設計的硬體架構的保護。

實施例1：

基於比較器電路設計的雷射切割機電路結構，利用比較器晶片所搭建的比較器能夠快速穩定的對由霍爾傳感器所檢測的雷射設備的反饋電壓與第二處理器電路所提供的基準電壓進行比較，而後輸送至第一處理器IC1內以備進行第一處理器IC1的管理控制；整個電路具有設計簡單，使用方便，安全穩定等特點，如圖1、圖2所示，特別採用下述設置結構：設置有相互連接的第一處理器電路和第二處理器電路及分別給第一處理器電路和第二處理器電路供電的電源電路，所述電源電路包括分別與第一處理器電路和第二處理器電路相連接的諧振開關電源系統，在所述諧振開關電源系統上還連接有交流供電系統；在第一處理器電路內設置有第一處理器IC1、傳感器電路、繼電器電路、IGBT、雷射設備及比較器，傳感器電路連接第一處理器IC1，第一處理器IC1連接繼電器電路，雷射設備分別與IGBT和比較器相連接，IGBT連接第一處理器IC1，第一處理器IC1與比較器相連接，比較器和第一處理器IC1皆與第二處理器電路相連接；諧振開關電源系統連接第一處理器IC1；在所述比較器內設置有比較器晶片IC5、供電電路、電阻R2、電阻R1、電容C1、電容C2及穩壓管D1，所述交流供電系統連接供電電路的輸入端，供電電路供電連接比較器晶片IC5的8腳，比較器晶片IC5的2腳與第二處理器電路相連接，比較器晶片IC5的3腳通過電阻R2連接有霍爾傳感器，且霍爾傳感器設置在雷射設備上；霍爾傳感器和電阻R2的共接端通過相互並聯的電阻R1和電容C1接地，比較器晶片IC5的3腳還通過相互並聯的電容C2和穩壓管D1接地；第一處理器IC1主要功能包括高頻時鐘的分頻、模擬開關的選通控制、編碼器脈衝的檢測、外部反饋及數據的傳輸等；利用現有成熟的ARM及FPGA技術而設計，採用兩級核心處理電路設計的雷射切割機，應用最簡單的硬體配置實現雷射切割機的智能化，整個結構具有體積小、操作簡單、功能強等特點。

實施例2：

本實施例是在上述實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本實用新型，如圖1、圖2所示，特別採用下述設置結構：所述供電電路內設置有橋式整流堆IC3、π型RC電源濾波器及三端穩壓器IC4，橋式整流堆IC3的交流端與交流供電系統相連接，橋式整流堆IC3的直流端連接π型RC電源濾波器的輸入端，π型RC電源濾波器的輸出端連接三端穩壓器IC4的輸入端，三端穩壓器IC4的輸出端與比較器晶片IC5的8腳和4腳相連接。

實施例3：

本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本實用新型，如圖1、圖2所示，特別採用下述設置結構：在所述第二處理器電路內設置有第二處理器IC2、液晶顯示器、DA調理電路、PWM輸入檢測電路及時鐘電路，所述第一處理器IC1連接第二處理器IC2，DA調理電路分別連接比較器晶片IC5的2腳和第二處理器IC2，第二處理器IC2分別與液晶顯示器、PWM輸入檢測電路及時鐘電路相連接。

實施例4：

本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本實用新型，如圖1、圖2所示，特別採用下述設置結構：在所述第二處理器電路內還設置有與第二處理器IC2相連接的外部存儲器，所述外部存儲器包括SD卡和隨機存儲器，且隨機存儲器為動態隨機存儲器或/和動態隨機存儲器。

實施例5：

本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本實用新型，如圖1、圖2所示，特別採用下述設置結構：還包括與所述第二處理器IC2相連接的上位機，上位機能夠用於對雷射切割機進行後臺管控或遠程管控。

實施例6：

本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本實用新型，如圖1、圖2所示，特別採用下述設置結構：所述第二處理器IC2採用的處理器晶片為STM32F3系列單片機。

實施例7：

本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本實用新型，當出現溫度過高或切割位置偏移燈影響產成品質量的情況時，能夠及時的進行提醒，如圖1、圖2所示，特別設置成下述結構：在所述第一處理器電路內還設置有報警電路和反饋電路，所述報警電路和反饋電路皆與第一處理器IC1相連接。

實施例8：

本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本實用新型，能夠實時的對雷射設備的工作溫度信息進行採集，並及時反應雷射設備與工件之間的距離，如圖1、圖2所示，特別採用下述設置結構：所述傳感器電路內設置有分別與第一處理器IC1相連接的溫度傳感器和距離傳感器。

實施例9：

本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本實用新型，特別採用下述設置結構：所述第一處理器IC1採用的處理器晶片為Spartan-7FPGA系列；所述比較器晶片IC5採用LM393。

Spartan-7FPGA系列器件採用小型封裝並提供業界最高的性能功耗比，可滿足最苛刻的要求；採用28nm技術構建，是工業、消費類應用以及汽車應用的理想選擇，其中包括任意連接、傳感器融合以及嵌入式視覺等應用；速度比45nm器件系列快30％；達到1.25Gb/s LVDS；高度靈活的軟內存控制器支持每秒25.6Gb的峰值DDR3-800內存帶寬；1.0V內核電壓或0.95V內核電壓選項；總功耗比45nm器件系列低50％；優選採用XC7S6。

LM393LM393是雙電壓比較器集成電路；輸出負載電阻能銜接在可允許電源電壓範圍內的任何電源電壓上，不受Vcc端電壓值的限制。此輸出能作為一個簡單的對地SPS開路(當不用負載電阻沒被運用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅動和器件的β值所限制.當達到極限電流(16mA)時，輸出電晶體將退出而且輸出電壓將很快上升。

該電路的特點如下：

工作溫度範圍:0℃--+70℃；

SVHC(高度關注物質):No SVHC(18-Jun-2010)；

工作電源電壓範圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，雙電源：±1～±18V；

消耗電流小，ICC＝0.8mA；

輸入失調電壓小，VIO＝±2mV；

共模輸入電壓範圍寬，VIC＝0～VCC-1.5V；

輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；

輸出可以用開路集電極連接「或」門；

表面安裝器件:表面安裝。

實施例10：

本實施例是在上述任一實施例的基礎上進一步優化，進一步的為更好地實現本實用新型，特別採用下述設置結構：所述第二處理器IC2採用的處理器晶片為STM32F3系列單片機；所述橋式整流堆IC3採用貼片整流橋MBL6S，所述三端穩壓器IC4採用LM78系列三端穩壓器。

STM32F3系列單片機具有運行於72MHz的32位ARM Cortex-M4內核(帶有FPU和DSP指令)併集成多種模擬外設，從而降低應用成本並簡化應用設計，它包括：超快速比較器(25ns)；具有可編程增益的運算放大器；12位DAC；超快速12位ADC，單通道每秒5M次採樣(每秒五百萬次採樣)，交替模式下可達到每秒18M次採樣；精確的16位sigma-delta ADC(21通道)；內核耦合存儲器SRAM(程序加速器)是提高時間關鍵程序性能所專用的存儲器架構，可將性能提升43％；144MHz高級16位脈寬調製定時器(解析度<7ns)，用於控制應用；高解析度定時器(217ps)，對供電和溫度漂移可自補償；靈活的互連矩陣可在外設之間自主式通信，節省了CPU資源和功耗；優選的採用STM32F301。

通過第二處理器IC2向第一處理器IC1發送指令，按照指令依次打開繼電器電路內的主繼電器和浪湧繼電器，並實現對雷射設備的開啟操作，當設定符合加工要求的參數以後，第二處理器IC2發送脈寬和頻率數據到第一處理器IC1，確定打開和關閉IGBT的時間。當第二處理器IC2向第一處理器IC1發送發光指令操作的時候，第一處理器IC1依據脈寬和頻率執行打開和關閉IGBT，從而實現對雷射設備的打開和關閉操作。

液晶顯示器，可直觀清楚地顯示出各種設定的參數以及實時工作狀態中的出光次數、雷射設備工作時間等。優選的液晶顯示器採用迪文320×240的全雙工異步串口的液晶屏。同時，為了能更好的監測雷射設備工作的時間，保證雷射設備的工作安全，反映系統出現的故障，在外部加入報警電路和時鐘電路。

電源電路採用的是諧振開關技術的電路結構，可以實現電流過零時刻的關斷，能夠有效地減少開關損耗，從而提高了轉換效率。在設計時電源電路與控制系統電路的接口增加隔離措施(諧振開關電源系統)，以防止電源主電路對控制電路的幹擾而造成控制電路失控現象的發生。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型電晶體，是由BJT(雙極型三極體)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT模塊是由IGBT(絕緣柵雙極型電晶體晶片)與FWD(續流二極體晶片)通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝後的IGBT模塊直接應用於變頻器、UPS不間斷電源等設備上；

IGBT模塊具有節能、安裝維修方便、散熱穩定等特點；當前市場上銷售的多為此類模塊化產品，一般所說的IGBT也指IGBT模塊；隨著節能環保等理念的推進，此類產品在市場上將越來越多見；

IGBT是能源變換與傳輸的核心器件，俗稱電力電子裝置的「CPU」，作為國家戰略性新興產業，在軌道交通、智能電網、航空航天、電動汽車與新能源裝備等領域應用極廣。

脈衝寬度調製,PWM(Pulse Width Modulation),是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

脈衝寬度調製是一種模擬控制方脈衝寬度調製是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中脈衝寬度調製是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

脈衝寬度調製是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調製電晶體基極或MOS管柵極的偏置，來實現電晶體或MOS管導通時間的改變，從而實現開關穩壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恆定，是利用微處理器的數位訊號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態響應好的優點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由於當今科學技術的發展已經沒有了學科之間的界限，結合現代控制理論思想或實現無諧振波開關技術將會成為PWM控制技術發展的主要方向之一。其根據相應載荷的變化來調製電晶體基極或MOS管柵極的偏置，來實現電晶體或MOS管導通時間的改變，從而實現開關穩壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恆定，是利用微處理器的數位訊號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型做任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本實用新型的保護範圍之內。