CN114423136A - 三维等离子体射流自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了三维等离子体射流自动控制系统，包括：上位机，供用户进行参数设置并下发参数信息；连接于上位机的主控制器，接收来自上位机的参数信息并据此产生控制信号；连接于主控制器的三轴导轨控制系统和高压电源状态控制器，三轴导轨控制系统具有由多个导轨单元组合搭建而成的三轴导轨模块，可供固定被处理样品或等离子体射流装置的射流管；三轴导轨控制系统被配置为在控制信号的控制下，控制三轴导轨模块带动被处理样品或射流管根据预设参数移动，以进行处理距离和/或处理区域可控的样品处理；高压电源状态控制器被配置为可与等离子体射流装置的电源参数控制端连接，以根据从上位机接收的参数信息进行等离子体射流装置的电源参数控制。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体应用领域，具体涉及等离子体射流的自动控制技术，特别是在等离子体表面处理、生物医疗等多个应用领域中实现对等离子体射流自动控制的三维等离子体射流自动控制系统。
背景技术
等离子体是一种由气体经过电离产生的大量带电粒子和中性粒子所组成的特殊物质，一般被称为物质的第四态。等离子体内含有大量的活性物质，这些活性物质会与等离子体所接触到的物质发生物理、化学反应，产生不同的处理效果。
传统的等离子体射流技术对于等离子体产生的环境有着很高的要求，因此大气压低温等离子体越来越受到学者们的关注。大气压低温等离子体作为一项前沿技术，逐渐被用于各种领域，如医疗中的设备灭菌、材料消毒、生物组织修复、牙齿美白等，材料科学中的材料表面改性等。低温等离子体作用在物体表面，一般会产生以下几种表面效应：改变化学结构、清洗除污、蚀刻等。低温等离子体中的各种粒子含有能够破坏有机大分子化学键的能量，从而影响到物质的表面性能，如改变物质表面的憎水性、粘合性、电性能等。
传统的大气压低温等离子体射流在进行表面处理时，由于等离子体射流直径较小、处理面积受限，在处理大面积样品时工作量非常大。传统方法需要使用多个升降台和位移台实现三维层面的等离子体射流管移动，操作繁琐并且难以保证处理强度的均匀性。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述前述技术的不足，提出一种三维等离子体射流自动控制系统，以解决现有的三维等离子体射流控制方案所存在的三维层面控制操作繁琐并且难以保证处理强度均匀性的技术问题。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三维等离子体射流自动控制系统，包括：上位机，用于供用户进行参数设置并下发参数信息；连接于所述上位机的主控制器，用于接收来自所述上位机的所述参数信息并根据所述参数信息产生控制信号；以及，连接于所述主控制器的三轴导轨控制系统和高压电源状态控制器；其中，所述三轴导轨控制系统具有由多个导轨单元组合搭建而成的三轴导轨模块，所述三轴导轨模块可供固定被处理样品或者等离子体射流装置的射流管；所述三轴导轨控制系统被配置为：在所述控制信号的控制下，控制所述三轴导轨模块带动被处理样品或者所述射流管根据预设参数移动，以进行处理距离和/或处理区域可控的样品处理；所述高压电源状态控制器被配置为可与所述等离子体射流装置的电源参数控制端连接，以根据从所述上位机接收的所述参数信息进行等离子体射流装置的电源参数控制。
进一步地，所述三轴导轨控制系统包括所述三轴导轨模块、控制所述三轴导轨模块的导轨运动的步进电机以及步进电机驱动器；其中，所述三轴导轨模块被配置为在所述步进电机的驱动下带动所述被处理样品或者所述射流管在三维空间移动。
进一步地，所述三轴导轨模块包括相互连接的X轴导轨单元、Y轴导轨单元和Z轴导轨单元，每一导轨单元各配备一所述步进电机，每一所述步进电机各对应一所述步进电机驱动器。
进一步地，所述步进电机的接线置于包塑金属软管中，软管内部镀有电磁屏蔽层。
进一步地，该三维等离子体射流自动控制系统集成有高压电源；所述高压电源状态控制器包括：连接于所述主控制器的信息中转控制器，连接于所述信息中转控制器的单相正弦波调压电路，以及，连接于所述单相正弦波调压电路和所述等离子体射流装置的所述高压电源；其中，所述主控制器接收到来自所述上位机的电源参数控制信息后，向所述信息中转控制器发送电压调节信号，所述信息中转控制器根据所述电压调节信号输出相应的高压电源控制信号，以控制所述高压电源的电学参数。
进一步地，还包括：连接于所述上位机的气体状态控制器，所述气体状态控制器被配置为可与所述等离子体射流装置的气体参数控制端连接，以根据从所述上位机接收的所述参数信息控制所述等离子体射流装置的气体参数。
进一步地，还包括：由所述等离子体射流装置指向所述上位机的等离子体在线监测反馈通路，用于向所述上位机实时反馈等离子射流工作状态。
进一步地，还包括：连接于所述上位机的图像采集单元，用于采集被处理样品的三维图像并反馈至所述上位机；所述上位机配置有样品可视化处理模块，用于根据被处理样品的三维图像规划等离子体射流的处理路线。
进一步地，所述上位机具有若干通信接口并配置有系统应用界面，所述系统应用界面可供用户进行系统操作模式的选择和切换；所述上位机通过所述通信接口下发用户输入的参数信息和所选择的系统操作模式。
进一步地，所述系统操作模式包括手动控制模式、自动控制模式、编程控制模式和图像识别控制模式，其中，所述图像识别控制模式可供用户根据样品图像识别信息规划处理路径。
本发明技术方案的有益效果在于：
本发明的三维等离子体射流自动控制系统，通过模块化的三轴导轨控制系统，配合上位机的控制，能够对射流管处理距离和处理区域进行精确的自动控制，将等离子体射流装置的电源控制和等离子体射流管位置控制相结合，实现等离子体大面积表面处理自动化、精细化控制；并且有效解决了现有技术中等离子体处理面积小、大面积处理不均匀的问题，实现了等离子体大面积均匀性处理；并且，本发明模块化组装的三轴导轨控制系统，其三维移动控制方便，操作简单，可实现处理精度0.05mm以内的等离子体射流管位置控制。
在本发明的进一步技术方案中，对步进电机的接线和集成的高压电源之间做了电磁屏蔽处理，有效解决了步进电机接线与高压电源之间的电磁干扰问题。
在本发明的进一步技术方案中，针对等离子体控制参数多、表面处理复杂的问题，开发了控制系统的图形应用界面，利用触屏进行人机交互，实现手动控制模式、自动控制模式和编程控制模式和图像识别控制模式，满足从简单平面到复杂立体材料的三维处理需求，在保证处理效果的同时提高表面处理效率。此外，用户可基于编程控制模式进行自定义控制，实现复杂的3D样品处理，并且可以结合图像处理技术，可视化待处理不规则样品的外观并自动识别、自动规划处理路径。
在本发明的进一步技术方案中，结合等离子体非接触式诊断，结合各传感器进行等离子体工作状态的在线监测，有利于实验和应用场景下数据的记录与观察。
附图说明
图1是本发明实施例的三维等离子体射流自动控制系统框图。
图2是本发明实施例的高压电源控制原理框图。
图3是本发明实施例的串口接收程序与主程序示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
针对现有技术中等离子体射流处理三维立体样品时三维层面控制繁杂、大面积处理不均匀的问题，以及，等离子体射流在实际应用中，除了需要控制其处理位置，还需要控制其电气参数，因此需要设计一套控制系统将两者系统集成化，并且保证各部分的运行相对独立，加强用户的可操作性，提高实验效率。并且需要根据对应的三维移动设备配备相应的控制策略和等离子体射流参数。鉴于此，本发明的实施例提出了一种可自动化、精细化控制射流管处理距离和处理区域的三维等离子体射流自动控制系统，图1是该三维等离子体射流自动控制系统的系统框图。请参考图1，该三维等离子体射流自动控制系统包括：上位机，用于供用户进行参数设置并下发参数信息；连接于所述上位机的主控制器，用于接收来自所述上位机的所述参数信息并根据所述参数信息产生控制信号；以及，连接于所述主控制器的三轴导轨控制系统和高压电源状态控制器，其中，所述三轴导轨控制系统具有由多个导轨单元组合搭建而成的三轴导轨模块，所述三轴导轨模块可供固定被处理样品或者等离子体射流装置的射流管；所述三轴导轨控制系统被配置为：在所述控制信号的控制下，控制所述三轴导轨模块带动被处理样品或者所述射流管根据预设参数移动，以进行处理距离和/或处理区域可控的样品处理；所述高压电源状态控制器被配置为可与所述等离子体射流装置的电源参数控制端连接，以根据从所述上位机接收的所述参数信息进行等离子体射流装置的电源参数控制。
继续参考图1，所述三维等离子体射流自动控制系统基于所述高压电源状态控制器集成了高压电源。图2是本发明实施例的高压电源控制原理框图。请参考图2，高压电源状态控制器包括：连接于所述主控制器的信息中转控制器(DAC模块)，连接于所述信息中转控制器的单相正弦波调压电路，以及，连接于所述单相正弦波调压电路和所述等离子体射流装置的所述高压电源。用户可通过上位机输入或者设置电源参数以作为电源控制的控制依据，然后上位机依据用户的设置将电源参数控制信息发送至主控制器，主控制器据此产生有关电源控制的控制信号(比如电压调节信号)，并将电压调节信号发送给DAC模块(一种数字模拟信号转换芯片，用于处理控制器发出的控制信号来对高压电源进行控制)，然后DAC模块输出相应的高压电源控制信号，以控制所述高压电源的电压、频率等电学参数。
继续参考图1，所述三维等离子体射流自动控制系统还可进一步包括气体状态控制器，该气体状态控制器连接于上位机，并且被配置为可与所述等离子体射流装置的气体参数控制端连接，以根据从所述上位机接收的所述参数信息控制所述等离子体射流装置的气体参数(如气体流量、流速等)。
继续参考图1，所述三维等离子体射流自动控制系统还可进一步包括：由所述等离子体射流装置指向所述上位机的等离子体在线监测反馈通路，用于向所述上位机实时反馈等离子射流工作状态。具体而言，可以通过各种传感器实施等离子体非接触式诊断，在线监测等离子体射流的工作状态，并反馈至上位机，在上位机上进行显示，方便用户观察、记录和分析。此外，在处理不规则三维样品时，可以使用图像识别技术将待处理样品的三维外观形貌进行可视化，然后在上位机可视化界面进行等离子体射流处理路线的规划，实现对不规则样品的有效处理。具体而言，比如，可以通过与上位机连接的图像采集单元获取样品的外观形貌并传输至上位机进行外观可视化。
在一些实施例中，为了便于提升系统的集成度，主控制器一般采用小型的微控制器来实现，比如单片机。用户可以根据实际的控制需求写入相应的控制程序嵌入到单片机中，实现对应的控制功能。作为接收上位机的信息并进行相应处理而产生控制信号的核心单元，主控制器应具备足够的运算能力、丰富的接口、多定时器和低功耗等特点。而上位机作为整个系统与用户进行交互的交互设备，除了接收用户输入的信息之外，还负责接收采集的样品图像、反馈的等离子体射流工作状态参数等，因此，应具备可供用户输入信息的交互界面，比如工业触控屏；另外，还可配置有与所述三维等离子体射流自动控制系统相匹配的系统应用界面，用户可以通过该系统应用界面输入与等离子体射流自动控制有关的参数信息。上位机接收用户的参数信息输入，并传给下一级比如主控制器、气体状态控制器，因而上位机需要拥有丰富的内存和通信接口。
在一些实施例中，上位机在硬件上使用工业触摸屏，软件上利用Java语言实现三维等离子体射流自动控制系统的系统应用界面的开发和串口通信，并且底层配置有系统的多种操作模式。在系统应用界面，用户可便捷切换手动控制模式、自动控制模式、编程控制模式和图像识别控制模式。系统应用界面需要将用户选择的操作模式和相关操作数据传递给下一级，在不同模式中完成不同的操作。特别地，在编程控制模式下，用户可以自行编程等离子体射流管的运动路径与电源控制参数，达到高度系统化的控制。在图像识别控制模式下，首先将被处理样品使用图像处理技术进行外观可视化，之后在可视化基础上进行操作控制，并智能化给出推荐处理路径，用于对不规则的三维样品进行高效处理。
在一些实施例中，所述三轴导轨控制系统包括所述三轴导轨模块、控制所述三轴导轨模块的导轨运动的步进电机以及步进电机驱动器；其中，所述三轴导轨模块被配置为在所述步进电机的驱动下带动所述被处理样品或者所述射流管在三维空间移动。所述三轴导轨模块包括相互连接的X轴导轨单元、Y轴导轨单元和Z轴导轨单元，每一导轨单元各配备一所述步进电机，每一所述步进电机各对应一所述步进电机驱动器。三轴导轨模块的一种示例性的实现方式是：以一条同步带导轨为单元，多条导轨可以任意组合实现单轴、多轴运动。在搭建好三维导轨模块后，可以将等离子体射流管或者样品固定在导轨可移动的部位上，通过控制导轨移动实现等离子体射流管的移动(样品不动)或者样品的移动(射流管不动)。导轨的可模块化组合设计使其具有多样性，并且为后期拓展留下了空间。在处理过程中，主控制器根据上位机下发的处理路径信息，向步进电机驱动器下发控制信号，使得相应的步进电机驱动对应的导轨按预设的路线移动，可完成平面样品、三维立体样品的大面积均匀性处理。使用步进电机控制三轴导轨模块的运动，从而控制射流管或样品移动的过程中，可以通过脉冲信号的频率和脉冲数来控制转速与转动角度。另外传统的步进电机在断电后会失去保持扭矩，考虑到断电后的安全问题，需要增加断电刹车系统来解决。
对于三轴导轨模块的运行逻辑，用户可设计相应的串口接收程序和主程序嵌入到主控制器，主控制器需要对来自上位机的用户输入(操作数据、参数信息等)进行处理，然后产生相应的控制信号，并向三轴导轨控制系统和高压电源状态控制器发送控制信号，实现三轴导轨模块的运行。图3为串口接收程序与主程序示意图，如图3所示，在主程序中检测到串口接收标志位后，会对接收到的数据进行处理，其处理程序如图3所示，在串口接收程序中，主程序在初始化之后准备接受数据。先根据相应的通讯协议判断数据的接收情况，在检验到数据停止位并进行检验结束后得到对应的数据，之后需要对上位机传递的数据进行数据处理，数据处理中包括运行模式的判断以及各运行模式下设备各个系统模块的操作数据，最后将各系统模块的控制命令发送到下一级。数据处理程序主要的功能是识别需要控制的各个参数，调整需要运行的模式，并存储相应的参数设置。数据处理完成之后，进入相应的程序执行环节。将等离子体射流装置的高压电源控制和等离子体射流位置控制相结合，实现等离子体大面积表面处理自动化、精细化控制。
高压电源的输出可以达到十几千伏，而步进电机的接线裸露在外面容易对步进电机的控制造成电磁干扰，为了减轻这种干扰，将连接线放入包塑金属软管中，软管的内部进行电磁屏蔽镀层设计，比如铁金属镀锌钢层，具备很好的电磁屏蔽效果。
关于系统的集成设计：三维等离子体射流自动控制系统的各个模块的功能经过测试完成之后，将各个模块集成在一个统一的系统中。为了便于样品的处理与系统的集成，可以为导轨定制一块平板，导轨与各个驱动器等可以牢固地安装在平板上。另外，将各个模块、电源、开关等集成到专用的控制箱中，保证系统的美观、易用性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于，包括：
上位机，用于供用户进行参数设置并下发参数信息；
连接于所述上位机的主控制器，用于接收来自所述上位机的所述参数信息并根据所述参数信息产生控制信号；以及，
连接于所述主控制器的三轴导轨控制系统和高压电源状态控制器；其中，所述三轴导轨控制系统具有由多个导轨单元组合搭建而成的三轴导轨模块，所述三轴导轨模块可供固定被处理样品或者等离子体射流装置的射流管；所述三轴导轨控制系统被配置为：在所述控制信号的控制下，控制所述三轴导轨模块带动被处理样品或者所述射流管根据预设参数移动，以进行处理距离和/或处理区域可控的样品处理；所述高压电源状态控制器被配置为可与所述等离子体射流装置的电源参数控制端连接，以根据从所述上位机接收的所述参数信息进行等离子体射流装置的电源参数控制。
2.如权利要求1所述的三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于：所述三轴导轨控制系统包括所述三轴导轨模块、控制所述三轴导轨模块的导轨运动的步进电机以及步进电机驱动器；其中，所述三轴导轨模块被配置为在所述步进电机的驱动下带动所述被处理样品或者所述射流管在三维空间移动。
3.如权利要求2所述的三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于：所述三轴导轨模块包括相互连接的X轴导轨单元、Y轴导轨单元和Z轴导轨单元，每一导轨单元各配备一所述步进电机，每一所述步进电机各对应一所述步进电机驱动器。
4.如权利要求2所述的三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于：所述步进电机的接线置于包塑金属软管中，软管内部镀有电磁屏蔽层。
5.如权利要求1所述的三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于：所述高压电源状态控制器包括：连接于所述主控制器的信息中转控制器，连接于所述信息中转控制器的单相正弦波调压电路，以及，连接于所述单相正弦波调压电路和所述等离子体射流装置的所述高压电源；
其中，所述主控制器接收到来自所述上位机的电源参数控制信息后，向所述信息中转控制器发送电压调节信号，所述信息中转控制器根据所述电压调节信号输出相应的高压电源控制信号，以控制所述高压电源的电学参数。
6.如权利要求1所述的三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于，还包括：连接于所述上位机的气体状态控制器，所述气体状态控制器被配置为可与所述等离子体射流装置的气体参数控制端连接，以根据从所述上位机接收的所述参数信息控制所述等离子体射流装置的气体参数。
7.如权利要求1所述的三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于，还包括：由所述等离子体射流装置指向所述上位机的等离子体在线监测反馈通路，用于向所述上位机实时反馈等离子射流工作状态。
8.如权利要求1所述的三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于，还包括：连接于所述上位机的图像采集单元，用于采集被处理样品的三维图像并反馈至所述上位机；所述上位机配置有样品可视化处理模块，用于根据被处理样品的三维图像规划等离子体射流的处理路线。
9.如权利要求1所述的三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于：所述上位机具有若干通信接口并配置有系统应用界面，所述系统应用界面可供用户进行系统操作模式的选择和切换；所述上位机通过所述通信接口下发用户输入的参数信息和所选择的系统操作模式。
10.如权利要求9所述的三维等离子体射流自动控制系统，其特征在于：所述系统操作模式包括手动控制模式、自动控制模式、编程控制模式和图像识别控制模式，其中，所述图像识别控制模式可供用户根据样品图像识别信息规划处理路径。
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