[0001] 本发明涉及水导激光控制技术领域，尤其涉及一种水导激光水‑光‑气协同异构控制板卡及控制方法。

[0002] 目前，水导激光加工技术利用激光在微孔水射流中耦合，并作用于工件表面实现加工，水射流可提供冷却，具有热影响区小、切割效率高、切口宽度窄、平行度好、精度高、表面轮廓尺寸误差小等一些列优点，水导激光技术在超硬材料加工领域关注度日益增高。在水导激光加工过程中涉及激光光束控制、高压水射流控制、保护气控制（水‑光‑气控制）。上述控制的最终目的是根据不同的加工工艺参数需求，精确调整水射流的大小和保证水束稳定性、改变保护气体的类型和压力，最终，精准地实现水和激光的同轴耦合，提高水导激光加工的精度和效率。

[0003] 专利号2023115498199公开了一种水导激光装置及水导激光加工方法，装置包括：控制模块、水导激光发射模块以及工件放置加工平台；水导激光发射模块面向工件放置加工平台的一面设有视觉模组，视觉模组用于在水导激光加工过程中，采集工件放置加工平台上工件的二维图像，并将二维图像传输至控制模块；工件放置加工平台设有惯性传感设备，惯性传感设备用于在水导激光加工过程中，采集工件的旋转空间信息，并将旋转空间信息传输至控制模块；控制模块用于基于二维图像和旋转空间信息，构建三维实况模型，基于三维实况模型和预设的标准模型，对水导激光发射模块和工件放置加工平台进行位置调节。上述装置能够有效提高水导激光加工的精确度。

[0004] 专利号CN2023118004627公开了一种多波长光纤输出直接半导体激光器，属于激光器技术领域。半导体激光器，包括水冷板、激光单元、驱动电路板卡、控制电路板卡和输出光纤，其中，水冷板一侧设置有激光单元，激光单元包括若干不同波长的激光器和对应连接的光纤合束器，光纤合束器上固定有光电探测器，激光器连接有驱动电路板卡，光电探测器连接有控制电路板卡，驱动电路板卡、控制电路板卡设置于水冷板另一侧，光纤合束器输出端连接有输出光纤。上述发明实现一机多能的系统集成，自由灵活切换多波长激光输出，无条件即插即用，操作简易，满足不同工况多种应用场景需求。

[0005] 然而，以上专利中的水导激光所采用的高压水路、激光、保护气控制系统是相互独立的，尤其是高压水路控制常采用PLC方案，需要多个独立控制器来实现水‑光‑气的控制，导致高压水‑光‑气控制系统独立性高，协同控制效率低，各部分控制器太过分散，无法对若干种保护气体进行混合、切换和精确比例调节。

[0020] 以下结合附图和实施例对本发明作以详细的描述：如图1‑图2所示，本发明所述的一种水导激光水‑光‑气协同异构控制板卡，包括主控器1、DDR存储器2、ADC/DAC转换模块3、水路控制模块4、保护气路控制模块5、光路控制模块6和激光器控制模块7；其中，
主控器1，用于对控制板卡中水路控制模块4、保护气路控制模块5、光路控制模块6和激光器控制模块7分别连接的外部设备按照水路‑光路和激光器‑保护气路的控制顺序进行逻辑调度、通信传输和信号解码；外部设备包括外接传感器和上位机；
本发明中，主控器1包括FPGA单元S11和ARM单元S12；FPGA单元S11与ARM单元S12之间通过高速总线AXI进行数据交互、数据处理、实时控制和多任务管理；ARM单元S12用于协调控制板卡中各功能模块的运行、处理逻辑控制任务和实现外部设备通信；功能模块包括DDR存储器2、ADC/DAC转换模块3、水路控制模块4、保护气路控制模块5、光路控制模块6和激光器控制模块7；FPGA单元S11用于数据流及信号处理；
DDR存储器2，用于缓存不同类型数据和控制信号，提供稳定的存储支持，以提升控制板卡实时响应能力；不同类型数据包括图像处理数据、激光器参数、激光器温度、实时激光功率、水射流压力和水射流流量；
ADC/DAC转换模块3，用于将水路控制模块4、保护气路控制模块5和激光器控制模块7采集的外接传感器数据进行采样并转换为数字信号，并将数字信号转换为控制信号进行输出；外接传感器包括水路传感器、气路传感器和光路传感器；
本发明中，ADC/DAC转换模块3包括ADC单元和DAC单元；ADC单元用于对水路控制模块4、保护气路控制模块5和激光器控制模块7采集的外接传感器数据进行高速采样，DAC单元用于实现控制信号的高精度输出；水路传感器包括液体压力传感器、液体流量传感器和温度传感器；气路传感器包括气体压力传感器和气体流量传感器；光路传感器包括光学传感器和激光功率计；
水路控制模块4，用于采集水路传感器数据，监测水射流的压力和温度，并动态调节水射流的压力；
本发明中，水路控制模块4包括水路传感器接口S41、调节接口S42和电磁阀控制接口S43；水路传感器接口S41通过信号线路连接水路传感器；调节接口S42和电磁阀控制接口S43通过信号线路连接叶片泵的增压模块和电磁阀；
保护气路控制模块5，用于采集气路传感器数据，监测及调节保护气体的压力和流量，对不同保护气体进行选择、混合和切换；
本发明中，保护气路控制模块5包括气路传感器接口S51、压力控制接口S52和气体控制接口S53；气路传感器接口S51通过信号线路连接气路传感器；压力控制接口S52通过信号线路连接压力调节器；气体控制接口S53连接若干个电磁阀控制若干路保护气体的切换、混合和选择；
光路控制模块6，用于采集工业相机数据，对工业相机视野和激光位置进行调整，并对激光光斑和相机焦距进行调节；
本发明中，光路控制模块6包括相机接口S61、摆镜控制接口S62和调焦控制接口S63；相机接口S61通过数据线路连接工业相机；摆镜控制接口S62通过信号线路连接二维摆镜片的控制电机；调焦控制接口S63通过信号线路连接调焦结构；
激光器控制模块7，用于采集光学传感器数据，监测并控制激光器的功率、脉宽和频率；
本发明中，激光器控制模块7包括激光器控制接口S71和光路传感器接口S72；激光器控制接口S71通过信号线路连接激光器；光路传感器接口S72通过信号线路连接光路传感器；
主控器1通过信号线路分别连接DDR存储器2、ADC/DAC转换模块3、水路控制模块4、保护气路控制模块5、光路控制模块6和激光器控制模块7；DDR存储器2通过信号线路连接ADC/DAC转换模块；ADC/DAC转换模块通过信号线路分别连接水路控制模块4、保护气路控制模块5、光路控制模块6和激光器控制模块7；
本发明中，协同异构控制板卡还包括调试接口8、通讯接口9、故障检测接口10和电源管理与保护集成芯片11；其中，
调试接口8，用于通过JTAG或UART对控制板卡进行开发、监控和故障排查；
通讯接口9，用于通过USB、CAN和以太网通信与外部设备进行高速数据传输；通讯接口9包括高速串行接口和多协议兼容接口；
故障检测接口10，用于监测和控制板卡各模块的运行状态，并对故障代码进行存储；
故障检测接口10包括监测模块和保护模块；监测模块，用于对控制板卡各模块的运行状态进行监测，并生成故障代码进行存储；保护模块，用于保护控制板卡各模块，并发送故障代码至主控器1；
电源管理与保护集成芯片11，用于提供多路稳定电源输出，并为控制板卡和外接传感器供电，实现过载保护、过流保护和电压异常响应，保障控制板卡安全稳定运行；
主控器1通过信号线路分别连接调试接口8、通讯接口9、故障检测接口10和电源管理与保护集成芯片11；
实施例1：
电源管理与保护集成芯片11为控制板卡和外接传感器供电，实现过载保护、过流保护和电压异常响应，主控器1的FPGA单元S11与ARM单元S12之间通过高速总线AXI进行数据交互、数据处理、实时控制和多任务管理；ARM单元S12用于协调控制板卡中DDR存储器2、ADC/DAC转换模块3、水路控制模块4、保护气路控制模块5、光路控制模块6和激光器控制模块7的运行、处理逻辑控制任务和实现外部设备通信；功能模块包括；FPGA单元S11用于数据流及信号处理；DDR存储器2缓存图像处理数据、激光器参数、激光器温度、实时激光功率、水射流压力、水射流流量和控制信号，为控制板卡提供稳定的存储支持，以提升控制板卡实时响应能力；ADC/DAC转换模块的ADC单元用于对水路控制模块4、保护气路控制模块5和激光器控制模块7采集的外接传感器数据进行高速采样，DAC单元用于实现控制信号的高精度输出；水路控制模块的水路传感器接口S41通过信号线路连接液体压力传感器、液体流量传感器和温度传感器；调节接口S42和电磁阀控制接口S43通过信号线路连接叶片泵的增压模块和电磁阀；保护气路控制模块5的气路传感器接口S51通过信号线路连接气体压力传感器和气体流量传感器；压力控制接口S52通过信号线路连接压力调节器；气体控制接口S53连接若干个电磁阀控制若干路保护气体的切换、混合和选择；光路控制模块6的相机接口S61通过数据线路连接工业相机；摆镜控制接口S62通过信号线路连接二维摆镜片的控制电机；调焦控制接口S63通过信号线路连接调焦结构；激光器控制模块7的激光器控制接口S71通过信号线路连接激光器；光路传感器接口S72通过信号线路连接光学传感器和激光功率计；
利用JTAG或UART通过调试接口8对控制板卡进行开发、监控和故障排查；利用USB、CAN和以太网通信通过通讯接口9与外部设备进行高速数据传输；通讯接口9包括高速串行接口和多协议兼容接口；故障检测接口10的监测模块对控制板卡各模块的运行状态进行监测，并生成故障代码进行存储；保护模块，用于保护控制板卡各模块，并发送故障代码至主控器1。

[0021] 本发明中，如图3‑图5所示，一种水导激光水‑光‑气协同异构控制方法，应用于控制板卡，包括以下步骤：H1：控制板卡连接外部设备后，水导激光加工设备开机，水路控制模块4启动；外部设备包括上位机和外接传感器；外接传感器包括水路传感器、气路传感器和光路传感器；
H2：水路控制模块4根据上位机加载的预设的水射流压力和水射流流量，通过调节接口S42和电磁阀控制接口S43开启叶片泵的电磁阀和增压模块进行抽水，并将预设的水射流压力和水射流流量存储于DDR存储器2；
H3：主控器1的FPGA单元S11通过水路传感器接口S41接收水路的实时水射流压力和实时水射流流量；
H4：ADC/DAC转换模块3的ADC单元将实时水射流压力和实时水射流流量转化为对应的数字信号，FPGA单元S11将对应的数字信号进行滤波、校正和量化；
H5：主控器1的ARM单元S12读取存储于DDR存储器2内预设的水射流压力和水射流流量，并与量化后的实时水射流压力和实时水射流流量进行比对及计算，获取水压偏差值和流量偏差值；
H6：ARM单元S12根据水压偏差值和流量偏差值，利用衍生控制算法生成修正指令，FPGA单元S11根据修正指令利用ADC/DAC转换模块3的DAC单元，输出对应的控制信号至叶片泵的调压阀和/或流量阀，直至水射流压力和/或水射流流量达到预设值；
H7：水路控制模块4控制水路稳定后，激光器控制模块7启动，通过激光器控制接口S71对激光器进行连接及控制；
H8：ARM单元S12通过通讯接口9接收上位机的控制指令和激光参数，根据工艺要求对激光器进行启动及参数修正；控制指令包括启动指令和关闭指令；激光参数包括激光功率、脉冲频率和占空比；
H9：ARM单元S12利用衍生控制算法根据激光参数构建若干激光工艺模板，并保存于DDR存储器2；
H10：FPGA单元S11调用激光工艺模板设定激光参数，并通过光路传感器接口S72连接的光路传感器反馈至主控器1进行实时调整；
H11：ADC单元实时采集激光器的反馈信号，FPGA单元S11对反馈信号进行滤波与校正，并与激光参数比较后实时调整控制信号，实现闭环控制；
H12：FPGA单元S11调用故障检测接口10的监测模块，对激光器进行故障监测：若激光器异常，则监测模块生成对应的故障代码，故障检测接口10的保护模块将故障代码发送至ARM单元S12触发警报；若激光器正常运行，则主控器1运行光路控制模块6；
H13：FPGA单元S11对光路控制模块6的相机接口S61连接的工业相机，采集的图像数据进行边缘检测和特征提取；
H14：ARM单元S12利用图像处理算法测算工业相机的视野清晰度和激光光斑，并计算激光光斑与喷嘴孔位置的偏差值，同时根据偏差值生成校正指令；
H15：FPGA单元S11根据校正指令利用DAC单元输出摆镜驱动信号和焦距调整信号，并发送至摆镜控制接口S62和调焦控制接口S63进行工业相机清晰度控制；
H16：摆镜控制接口S62连接的二维摆镜片根据摆镜驱动信号，调整摆镜的X、Y轴偏转角度，同时调焦控制接口S63连接的调焦结构根据焦距调整信号调整光斑焦点，进而实现水光同轴耦合；
H17：水光同轴耦合完成后，保护气路控制模块5开始运行，初始化ADC/DAC转换模块3；
H18：ARM单元S12接收上位机设置的气路参数，并存储于DDR存储器2，FPGA单元S11对气路传感器接口S51连接的气路传感器和压力控制接口S52连接的压力调节器进行检测，确保压力调节器和电磁阀处于待机状态；气路参数包括预设气体压力和预设气体流量；
H19：FPGA单元S11根据存储于DDR存储器2的预设气路参数，通过DAC单元输出对应的模拟信号驱动压力调节器，ADC单元实时采集气体压力传感器数据，并反馈至FPGA单元S11进行闭环调节，以保持稳定压力；
H20：ARM单元S12根据预设气体流量向电磁阀发送开关信号，控制保护气体的开关，FPGA实时监测气体流量传感器的反馈值，并与预设气体流量进行比较，进而调整电磁阀的开度；
H21：在输入若干路保护气体时，ARM单元S12协调若干个电磁阀联动，实现若干保护气路的切换或混合，同时FPGA单元S11实时监控联动后的气体压力和气体流量；
H22：FPGA单元S11对气路传感器数据进行高频采集与异常检测：若保护气路异常，则保护模块立即关闭保护气路，并向ARM单元S12发送报警信号；若保护气路正常，则保护气体输出至耦合单元气室进行加工；
本发明中，衍生控制算法首先利用编码器对预设水射流压力、预设水射流流量、激光功率、脉冲频率、占空比、视野清晰度、激光光斑、预设气体压力和预设气体流量进行编码，进而构建三段编码表；然后利用ResNET算法的卷积块对三段编码表进行若干次迭代训练，形成编码特征矩阵；对于编码特征矩阵中的激光功率、脉冲频率、占空比、视野清晰度和激光光斑，利用darknet算法进行再次特征提取，并覆盖编码特征矩阵中对应位置，进而获取编码权重矩阵；随后利用GAN算法对编码权重矩阵进行衍化，并结合实时水射流压力、实时水射流流量、预设气体压力和预设气体流量对衍化过程进行修正，形成衍化权重矩阵；最后利用生成器根据衍化权重矩阵对激光功率、脉冲频率、占空比、视野清晰度和激光光斑进行预演，同时根据修正的激光功率、脉冲频率、占空比、视野清晰度和激光光斑将预演方案中的最优方案设为工艺模板，并保存于DDR存储器2内；
实施例2：
控制板卡连接上位机和外接传感器后，水导激光加工设备开机，水路控制模块4启动；水路控制模块4根据上位机加载的预设的水射流压力和水射流流量，通过调节接口S42和电磁阀控制接口S43开启叶片泵的电磁阀和增压模块进行抽水，并将预设的水射流压力和水射流流量存储于DDR存储器2；主控器1的FPGA单元S11通过水路传感器接口S41接收水路的实时水射流压力和实时水射流流量；ADC/DAC转换模块3的ADC单元将实时水射流压力和实时水射流流量转化为对应的数字信号，FPGA单元S11将对应的数字信号进行滤波、校正和量化；主控器1的ARM单元S12读取存储于DDR存储器2内预设的水射流压力和水射流流量，并与量化后的实时水射流压力和实时水射流流量进行比对及计算，获取水压偏差值和流量偏差值；ARM单元S12根据水压偏差值和流量偏差值，利用衍生控制算法生成修正指令，FPGA单元S11根据修正指令利用ADC/DAC转换模块3的DAC单元，输出对应的控制信号至叶片泵的调压阀和/或流量阀，直至水射流压力和/或水射流流量达到预设值；
水路控制模块4控制水路稳定后，激光器控制模块7启动，通过激光器控制接口S71对激光器进行连接及控制；ARM单元S12通过通讯接口9接收上位机的控制指令和激光参数，根据工艺要求对激光器进行启动及参数修正；控制指令包括启动指令和关闭指令；激光参数包括激光功率、脉冲频率和占空比；ARM单元S12利用衍生控制算法根据激光参数构建若干激光工艺模板，并保存于DDR存储器2；FPGA单元S11调用激光工艺模板设定激光参数，并通过光路传感器接口S72连接的光路传感器反馈至主控器1进行实时调整；ADC单元实时采集激光器的反馈信号，FPGA单元S11对反馈信号进行滤波与校正，并与激光参数比较后实时调整控制信号，实现闭环控制；FPGA单元S11调用故障检测接口10的监测模块，对激光器进行故障监测：若激光器异常，则监测模块生成对应的故障代码，故障检测接口10的保护模块将故障代码发送至ARM单元S12触发警报；若激光器正常运行，则主控器1运行光路控制模块
6；FPGA单元S11对光路控制模块6的相机接口S61连接的工业相机，采集的图像数据进行边缘检测和特征提取；ARM单元S12利用图像处理算法测算工业相机的视野清晰度和激光光斑，并计算激光光斑与喷嘴孔位置的偏差值，同时根据偏差值生成校正指令；FPGA单元S11根据校正指令利用DAC单元输出摆镜驱动信号和焦距调整信号，并发送至摆镜控制接口S62和调焦控制接口S63进行工业相机清晰度控制；摆镜控制接口S62连接的二维摆镜片根据摆镜驱动信号，调整摆镜的X、Y轴偏转角度，同时调焦控制接口S63连接的调焦结构根据焦距调整信号调整光斑焦点，进而实现水光同轴耦合；
水光同轴耦合完成后，保护气路控制模块5开始运行，初始化ADC/DAC转换模块3；
ARM单元S12接收上位机设置的气路参数，并存储于DDR存储器2，FPGA单元S11对气路传感器接口S51连接的气路传感器和压力控制接口S52连接的压力调节器进行检测，确保压力调节器和电磁阀处于待机状态；气路参数包括预设气体压力和预设气体流量；FPGA单元S11根据存储于DDR存储器2的预设气路参数，通过DAC单元输出对应的模拟信号驱动压力调节器，ADC单元实时采集气体压力传感器数据，并反馈至FPGA单元S11进行闭环调节，以保持稳定压力；ARM单元S12根据预设气体流量向电磁阀发送开关信号，控制保护气体的开关，FPGA实时监测气体流量传感器的反馈值，并与预设气体流量进行比较，进而调整电磁阀的开度；
在输入若干路保护气体时，ARM单元S12协调若干个电磁阀联动，实现若干保护气路的切换或混合，同时FPGA单元S11实时监控联动后的气体压力和气体流量；FPGA单元S11对气路传感器数据进行高频采集与异常检测：若保护气路异常，则保护模块立即关闭保护气路，并向ARM单元S12发送报警信号；若保护气路正常，则保护气体输出至耦合单元气室进行加工。