Разработка программы соосного слежения за профилем образца при лазерной микрообработке (ПСС)

1.

Разработка программы соосного слежения за профилем образца при
лазерной микрообработке (ПСС)
Руководитель от СПИНТех: д.ф.-м.н., доц. Кононова Александра Игоревна
Исполнитель: ст. гр. ПИН-41 Сальков Юрий Алексеевич
Цель: повышение качества лазерной микрообработки при помощи точной
настройки фокуса силового лазера прямо над поверхностью разрезаемой детали.
Задачи:
● исследование предметной области;
● сравнительный анализ существующих аналогов;
● разработка концептуальной модели ПСС;
● выбор платформы, языка и средств разработки;
● разработка дизайна ПСС;
● разработка прошивки для микроконтроллера ПСС;
● разработка хост-ПО для ПСС;
● тестирование ПСС;
● разработка руководства оператора ПСС.
Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
1

2. Исследование предметной области – общая схема работы ПСС

Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
2

3.

Исследование предметной области
До разработки ПСС
плохое качество лазерной микрообработки;
отсутствие подстройки фокуса в режиме
реального времени;
плохой интерфейс хост-ПО.
После разработки ПСС
высокое качество лазерной микрообработки;
высокая скорость отклика контроллера, позволяющая
вовремя корректировать положение фокуса;
удобный интерфейс хост-ПО.
Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
3

4. Сравнительный анализ существующих аналогов

Функции
ПСС
Altechna [1]
BCS 100 [2]
Adjust box EG
8030 [3]
Оптический
Оптический
Емкостной
Емкостной
Xilinx ZYNQ
7000
Analog Device DSP
и LPC2368 (ARMпроцессор)
микропроцессор
STM
микропроцессор
STM
Протокол общения
с компьютером
UDP и TCP
RS232
TCP
RS485
Алгоритмы
сглаживания
картинки
Скользящее
среднее
Быстрый алгоритм
сглаживания
нет
нет
Скорость отклика
системы
менее 200 мкс
менее 1 мс
менее 1 мс
менее 1 мс
Отрисовка графика
по данным с
камеры
есть
нет
нет
нет
Передача видео с
камеры на хост-ПО
есть
нет
нет
нет
Тип слежения
Аппаратная
платформа
Источники информации:
[2] https://purelogic.ru/
[1] https://www.altechna.com/
[3] https://www.precitec.com/
Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
4

5. Выбор языка программирования

Язык
Критерий
Наличие фреймворков для
создания GUI
Компилируемый
Портируемый
Присутствие в других
программах компании
Опыт разработки
C++[1]
C# [2]
Python [3]
Java [4]
Qt
WPF
PyQt
Swing
+
-
-
-
+
-
+
+
+
+
-
-
4 года
1 месяц
нет
1 месяц
Источники информации:
[1] https://cplusplus.com/
[3] https://www.python.org/
[2] http://www.microsoft.com/net [4] https://docs.oracle.com/javase/specs/index.html
Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
5

6. Концептуальная модель ПСС

Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
6

7. Архитектура контроллера ПСС

Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
7

8. Функции прошивки для PL-части контроллера ПСС

Кадр CL-камера имеет разрешение 2*4096
пикселей.
После фильтрации размер изображения 1*(4096 - n), где n — размер окна
усреднения.
Прошивка должна реализовывать:
● прием данных и формирование кадра;
● фильтрация кадра;
● поиск пика после фильтрации;
● подстройка положения Z-оси;
● передачу отфильтрованного
видеопотока и данных о пике в
процессорную часть контроллера.
Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
8

9.

9

10.

Прототип пользовательского интерфейса хост-ПО для ПСС
Хост-ПО должно
реализовывать:
● получение и отображение
текущих настроек контроллера
ПСС;
● отправку команд для
изменения параметров
контроллера ПСС;
● получение данных о
положении пика;
● получение видеопотока;
● отображение видеопотока с
отрисовкой данных о пике.
Рис. 1 – прототип пользовательского
На рисунке 1 изображена прототип интерфейса хост-ПО
хост-ПО. В окне программы виден
обнаруженный пик на графике.
Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
10

11.

11

12.

Испытательный стенд для отладки и тестирования ПСС
Для проверки всех функций ПСС был создан
испытательный стенд, представленный на
рисунке 2.
● Камера (1 на картинке) закреплена к zоси (2);
● на камеру снизу светит под углом
лазерный диод (3);
● при помощи программы на компьютере
можно двигать z-осью;
● при изменении положении камеры пик,
создаваемый лазером на матрице камеры,
перемещается в разные стороны;
● ПСС реагирует на изменение положения
пика и изменяет напряжение на ЦАП, тем
самым производится отладка функции
ПСС по регулированию положение Zоси.
2
1
3
Рис. 2 – Фотография
испытательного стенда
Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
12

13.

Апробация
● Сальков Ю.А. Разработка программы
соосного слежения при лазерной резке //
IV научно-практическая конференция с
международным участием «Актуальные
проблемы информатизации в цифровой
экономике и научных исследованиях –
2023». - М.: 2023. - С. 141;
● Сальков Ю.А. о возможности
программирования контроллера системы
управления подстройкой фокуса для
лазерной микрообработки //
«Перспективные материалы и
технологии». - М.: 2024. в печати;
● выступление на конференции FPGA
разработчиков: V конференции FPGA
разработчиков «FPGA-Systems 2023.2» //
https://www.youtube.com/live/dJ_pFsOa7G
k?si=jnwKhUcp30_J1c3t, начало
выступления 3:38:15
Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
13

14.

Результаты работы
В ходе разработки ПСС были выполнены следующие задачи:
● исследована предметная область;
● произведен сравнительный анализ существующих аналогов;
● разработана концептуальная модель ПСС;
● выбраны платформа, язык и средства разработки;
● разработан дизайн ПСС;
● разработана прошивка для микроконтроллера ПСС;
● разработано хост-ПО для ПСС.
● произведена отладка и тестирование ПСС;
● разработано руководство оператора ПСС.
Разработал
Сальков Ю.А.
Утвердил
Кононова А.И.
14