（凝聚态物理专业论文）激光微加工系统中若干关键技术的研究.pdf

x6 3 5 9 3 3 摘要 激光微加工具有加工条件较易满足、功率密度高、加工对象广泛、自动化程度高 等特点，得到了广泛的应用。在激光微加工系统中，激光为能量提供者，被加工的工 件为能量接受者。加工的过程是激光与物体表面相对运动，从而实现各种方式的加工。 在研制的激光微加工系统中采用了工件运动、加工光源固定的方式。本文针对系统中 运动控制系统部分提出了系统的设计方案，依据该方案完成了系统的设计、安装和调 试工作。 1控制系统组成。控制系统由设定器、数字控制器、输入通道( 位置检测) 、后 向通道( 执行机构) 四部分组成。p c 计算机作为设定器将控制的目标值( 加工轨迹) 下载至数字控制器，数字控制器是控制系统的核心部件，它由硬件电路和程序两部分 组成，控制规律以及控制算法由数字控制器完成。数字控制器通过前向通道( 光栅尺) 完成对位置信号的采集，经数据处理，通过控制算法输出经执行机构( 基于步进电机 的x y 平台) 驱动完成闭环的运动控制。 2 执行机构和反馈部件的选择。运动控制是由电机带动x y 平台来实现的，步 进电机能够将控制器发出的脉冲信号变为x y 平台的位移。相对于其他测长传感器 而言，因为光栅尺具有精度高、响应速度快等优点，尤其是输出信号可以直接与数字 电路接口且能方便地安装在x y 平台上，很适合于本系统使用。因为步进电机具有 积分的性能，在理论上能够实现无静差控制，但实际控制系统中，执行机构和反馈部 件的分辨率决定了系统中存在着稳态误差。) ( - 一y 平台的步进分辨率与反馈部件的分 辨率决定了系统的静态误差，在本系统中) ( _ _ y 平台步进分辨率为1 2 5um ，光栅尺 的分辨率为( 经四细分) 1u m ，决定了静态误差能控制在2u m 以内。 3 步进电机的驱动和光栅尺信号的处理。基于t a 8 4 3 5 h 步进电机驱动集成芯片 完成了两相矢量步进电机驱动电路的设计与实现，整个驱动电路简洁可靠。本系统采 用单片e p f i o k i o ( f p g a 芯片) 完成了光栅尺信号处理模块的设计，包括x 、y 两个方 向的四细分辨向电路、1 8 位的计数电路，锁存接口电路、地址译码电路，总线接口 等功能单元。本系统采用了单片e p f i o k i o ，如果用通用的逻辑集成电路设计，需要 几十片。同时该模块响应速度快，与m c u 接口时是直接的并行输入输出，访问的时间 很短，为几个微秒。在系统中，可以认为延时时间为0 ，光栅尺信号处理模块的传递 函数为h ( z ) = 1 ，符合系统中的动态特性的要求。光栅尺的栅距为4 pm ，智能模块经 四细分辨向后分辨率为lum ，满足系统对反馈部件分辨率的要求。 4 加工的运动轨迹文档的形成。p c 计算机可以通过三种方式形成工件加工轨迹 文档并下载至控制器：( 1 ) 利用被观察的工件的c c d 图象的像素点的位置与工件在x y 平台的坐标的对应关系形成加工轨迹在c r t 上通过键盘( 或鼠标) 的移动形成 加工轨迹；( 2 ) 利用在计算机上编辑的w o r d 、t x t 、b m p 文档经二值化转换形成 的点阵图作为加工轨迹文档：( 3 ) 经各种图像输入设备得到的图像文件经图像处理和 二值化转换形成的点阵图作为加工轨迹文档。 5 运动控制的实现。在定位控制中，对步进电机采用闭环和加减速控制，通过 算法可以将误差控制在2 口m 以内：在轨迹控制中，在速度低于2 5 m m s 时( 脉冲频 率2 k h z ) ，基于光栅尺的闭环系统中，控制误差在2 pm 以内。 6 本系统采用的电磁兼容性措施( 包括s m r 抗干扰措施以及光电隔离等) 和在 设计安装过程中的采取的其他可靠性措施保证了控制系统安全、可靠地运行。 a b s t r a c t l a s e r m i c r o p r o c e s s i n gh a sb e e nw i d e l yu s e dd u et oi t se a s yr e a l i z a t i o no fp r o c e s s i n g c o n d i t i o n s ，h i g hp o w e rd e n c i t y , b r o a dp r o c e s s i n go b j e c t sa n dh i g ha u t o m a t i o n l a s e ri s e n e r g yp r o v i d e ra n dp r o c e s s i n go b j e c t sa r ee n e r g ye m b r a c e ri nt h el a s e rm i c r op r o c e s s i n g s y s t e m t h ep r o c e s si st h er e l a t i v em o v e m e n t b e t w e e nt h el a s e r s p o ta n dt h es u r f a c eo f t h e o b j e c t ，s ol o t so fp r o c e s s i n gm o d e sc a nb er e a l i z e d t h em e t h o dt h a tl a s e rb e a mi sf i x e d a n d p r o c e s s i n go b j e c t si sm o v a b l ei sa c c e p t e di nt h es y s t e m t h es y s t e m i cd e s i g ni nt h e t h e s i si st ot h ep a r to fm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e m t h ed e s i g n ，i n s t a l l a t i o na n dr e a l i z a t i o n a r ec o m p l e t e db a s e do nt h ed e s i g n p r o j e c t 1 c o m p o n e n t so f t h ec o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e m i sc o m p o s e do f s e t t i n gu n i t ， d i g i t a lc o n t r o l l e r ，i n p u tc h a n n e la n do u t p u tc h a n n e l p c ，t h es e t t i n gu n i t ，d o w n l o a d st h e s e t t i n gv a l u e ( p r o c e s s i n gt r a c k ) t od i g i t a lc o n t r o l l e r d i g i t a lc o n t r o l l e r , t h eh a r d c o r eo f t h e c o n t r o l s y s t e m ，i sc o m p o s e d o f h a r d w a r ea n ds o f b j c a r e i tc a nr e a l i z et h ec o n t r o la r i t h m e t i c d i g i t a lc o n t r o l l e rc o m p l e t e dt h ec l o s e dl o o pm o v e m e n tc o n t r o lb yg e t t i n gg r a t i n gs c a l e s i g n a l ，p r o c e s s i n gd a t a a n d s e n d i n gp u l s e t os t e e p i n gm o t o r 2 s e l e c t i o no fo p e r a t e ra n df e e d b a c ku n i t m o v e m e n tc o n t r o lr e a l i z e db ys t e p p i n g m o t o rd r i v ex - yt a b l em o v e m e n t c o m p a r e dw i t ho t h e rl i n e a rm e a s u r es e n s o r , g r a t i n g s c a l eh a st h ec h a r a c t e ro f h i g hp r e c i s i o na n dr e s p o n s es p e e d ，o u t p u ts i g n a lb ei n t e r f a c e d t od i g i t a lc i r c u i td i r e c t l ya n di n s t a l l e do nt h ex - yt a b l ec o n v e n i e n t l y t h e s em e r i t sa r e v e r y f i tf o rt h es y s t e m n os t a t i ce r r o rc o n t r o lc a nb er e a l i z e di nt h e o r yb e c a u s e o f i n t e g r a l c h a r a c t e ro fs t e p p i n gm o t o r b u tt h e r ei s s t e a d y s t a t e e r r o ri nt h ep r a c t i c a b l ec o n t r o l s y s t e md e t e r m i n e db yo p e r a t o ra n df e e d b a c ku n i t sd i s t i n g u i s h a b i l i t y s t a t i c e r r o ro f s y s t e m d e t e r m i n e d b y x - yt a b l e s s t e e p i n gd i s t i n g u i s h a b i l i t y a n df e e d b a c ku n i t s d i s t i n g u i s h a b i l i t y i nt h es y s t e m ，x yt a b l e ss t e p p i n gd i s t i n g u i s h a b i l i t yi s1 2 5 ma n d g r a t i n gs c a l e sd i s t i n g u i s h a b i l i t y ( f o u rf o l d ss u b d i v i s i o n ) i s1 m s o t h es t a t i ce r r o rc a nb e l i m i t e dw i t h i n2 m ， 3 d r i v eo fs t e p p i n gm o t o ra n dp r o c e s s i n go fg r a t i n gs c a l es i g n a l d i p h a s ev e c t o r q u a n t i t ys t e p p i n gm o t o r d r i v ei sd e s i g n e db a s e do nt a 9 4 3 5 h s t e p p i n gm o t o r d r i v ei c t h e c u r c n i ti sb r e v i t ya n d c r e d i b i l i t y i nt h es y s t e m ，t h es i g l ec h i pe p f l 0 k 1 0 ( f p g a ) i su s e dt o c o m p l e t et h ed e s i g no fg r a t i n gs c a l es i g n a lp r o c e s s i n gu n i t t h eu n i tc o n s i s t so fs o m e f u n c t i o nu n i t ss u c ha sf o u rf o l d ss u b d i v i s i o nd i r e c t i o nj u d e g m e n tc i r c u i to fxa n dy d i r e c t i o n s ，1 8b i t sc o u n t e rc i r c u i t ，l a t c hi n t e r f a c ec i r c u i t , a d d r e s sd e c o d ec i r c u i ta n db u s i n t e r f a c e t h es i g l ec h i pe p f l 0 k 1 0i n s t e a dt e n so f u n i v e r s u a ll o g i ci ci nt h es y s t e m t h e g r a t i n gs c a l es i g n a lp r o c e s s i n gu n i th a sh i g hr e s p o n s es p e e da n dp a r a l l e li n p u ta n do u t p u t a n di t sa c c e s st i m ei ss h o r tt os o m e s t h et i m ed e l a yc a nb ei g n o r e di ns y s t e m t r a n s f e rf u n c t i o no fg r a t i n gs c a l e s i g n a lp r o c e s s i n g u n i ti s h ( z ) 2 1 i t a g r e e s t h e d y n a i m i c a lp r o p e r t yi ns y s t e m t h ep i t c ho fg r a t i n gs c a l e i s4 1m i n t e l l e c tp r o c e s s i n gu n i t d i s t i n g u i s h a b i l i t y i s 1 m a f t e rf o u rf o l d ss u b d i v i s i o na n dd i r e c t i o nj u d g e m e n t t h i s f e e d b a c kd i s t i n g u i s h a b i l i t yi se n o u g ht os y s t e m 4 d o c u m e n t a t i o no ft h ep r o c e s s i n gt r a c k s t h e r ea r et h r e ek i n d so f m e t h o df o rp c t o o b t a i nt h ep r o c e s s i n gm o v e m e n tt r a c kd o c u m e n t f i r s t ，t h ec o o r d i n a t e so f t h eo b j e c t sp i x e l i nc r ta n dx - yt a b l ea r ec o r r e s p o n d i n g l yc o r r e l a t e d b a s eo nt h ec o r r e s p o n d e n c er e l a t i o n ， t h e p r o c e s s i n gt r a c k d o c u m e n tc a l lb em a d e t h r o u g h t h e k e y b o a r d o rm o u s e s e c o n d ，l a t t i c e b i n a r yp i c t u r et r a n s f o r m e df r o mw o r d ，t x ta n db m pd o c u m e n te d i t i nt h ep c t h i r d ， l a t t i c e b i n a r yp i c t u r et r a n s f o r m e df r o mi m a g ed o c u m e n to b t a i n e db ya n yo t h e ri m a g e d e v i c e 5 r e a l i z a t i o no fm o v e m e n tc o n t r 0 1 i no r i e n t a t i n gc o n t r o l ，s t e p p i n g m o t o ri s a c c e l e r a t e da n dd e c e l e r a t e du n d e rt h ec l o s e dl o o pc o n d i t i o n t h ee r r o rc a nb el i m i t e d w i t h i n 2 2mt h r o u g h t h ea r i t h m e t i c i nt r a c kc o n t r o l ，b a s e do nt h eg r a t i n gs c a l ec l o s e dl o o p ， t h ee r r o rc a nb el i m i t e dw i t h i n2 1mw h e nt h es t e p p i n gm o t o r ss p e e di su n d e r2 5 m r n s ( p u l s ef r e q u e n c y 2 k h z ) 6 t h es y s t e mu s e de m c m e a s u r e ( i n c l u d es m ra n t i - j a m m i n gm e a s u r e ，t h ea u t h o r b r i n gf o r w a r d ，a n dr e d u n d a n c yt e c h n o l o g y ) a n d o t h e rr e l i a b i l i t ym e a s u r e sd u r i n gt h e d e s i g na n di n s t a l l a t i o nt oe n s u r e t h ec o n t r o ls y s t e mr u ns a f e l ya n dr e l i a b l y 第章激光微加工系统的应用及系统组成 第一章激光微加工系统的应用及系统组成 第一节激光微加工是微加工技术中的有力竞争者 现代制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一，不少国家十分重视现 代制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞争能力。 当前，美国、日本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重要原因之一就 是他们把它看作是现代国家经济上获得成功的关键因素“1 。同样的，现代制造技术特 别是精密加工技术对于成为“世界加工厂”的中国的国民经济发展意义重大。 加工技术可以分为4 个层次：一般加工、微细加工( 加工精度0 1 m m 1p 皿) 、 精密加工( 加工精度1um o 1u1 1 1 ) 和超精密加工( 加工精度高于0 1 l am ) “。 精密加工的工具有金刚石、立方氮化硼、陶瓷等刀具、磨具等工具，而电子束、离子 束和激光束等非传统加工方法是精密加工的一个重要的富有前途的方向。 一“兰束”微细加工技术的进展 1 、光学光刻：光学光刻法。1 一直是u l s i 工业生产的主流，现已成功地用于 0 2 5um 的2 5 6 md r a m 研制与生产。使用波长为1 9 3 n m 的h r f 准分子激光光源，其分 辨率可达到o 1um ，使用移相掩膜其其分辨率可达到0 0 8 8 “m 。聚焦激光束暴光技 术已迅速发展，已能做出0 5l am 的线条，并在集成光学等特殊器件制作中得到应用。 2 、x 光光刻：象光学光刻法一样，x 光光刻也是一种适应于工业生产的光刻方法， 现已制出5 0 r t m 的细线条，成功地用于0 2 5pm 的2 5 6 ks r a m 生产。理论分析表明等 倍曝光方式实用的极限分辨率为o 0 7 “m 。工艺实现的主要困难是掩膜制作和纳米精 度的套准。另一方面，x 射线缩小投影曝光原理上没有限制，然而光学系统的材料及 设计存在许多问题，离实用化很远。 3 、电子束光刻：束斑已聚焦到l n r a 以下，采用p m m a 以实现8 n m 的图形，已 达到高分子抗蚀剂的极限。利用n a c i 、m 萨、l i f 、a i f 等卤化物抗蚀剂，已作到l n m 的图形，已接近加 极限。但灵敏度太低仅为前者的1 3 0 一一1 1 0 。电子束光刻有极 高的分辨率，又町以在计算机控制卜_ 产7 卜任意图形，是理想的纳米加= ：| 4 手段，t ：艺实 第一章激光微加工系统的应用及系统组成 现的困难是效率低，目前不能实现工业生产的需要。 4 、离子束加工：束斑可以聚焦到1 0 0 珊n 以内，可以达到1 0 r i m ，现在可以实现 1 2 n m 的图形加工。但离子束加工生产效率不够高，选择比不高。 二激光微加工的特点 1 9 6 0 年，随着第一台红宝石激光器的诞生，引发了激光、光电子等新兴学科的 兴起，同时促进了微电子、通讯等信息科学的发展和应用。激光具有高亮度、单色性、 高相干性和良好的方向性等特点，在光机电系统中得到广泛的应用，同时在微细加工 中具有明显的优越性。主要表现在以下几个方面： i 、加工条件较易满足。尽管电子束、x 射线、离子束具有更短波长、更高的分 辨率，但它们在曝光源、掩膜、抗蚀剂、成象光学系统等方面存在极大困难，与此相 比，激光加工条件容易满足，具有明显的经济性和现实性。 2 、功率密度高。激光加工的功率密度可达1 0 8 一1 0 9 w c m 2 ，大大缩短了加工时间。 3 、加工对象广泛。可以用于多种材料的加工，如金属、有机物、无机物、陶瓷 等，在加工中可以控制激光的作用深度、作用时间，扩展了应用范围。 4 、自动化程度高。激光光源、光学器件、光电转换器件、光电控制器件和成套 设备种类繁多，很方便的进行数据采集、数据处理、自动控制。并且光电转换技术的 成熟使其控制系统与计算机接口方便，使得加工系统有更高的自动化程度，更利于工 业生产。 当然，激光微加工还具有非接触加工、不受工件限制、无工具磨损、灵活的三维 加工、加工精度较高而设备价格较底( 优良的性能价格比) 等特点。 第二节激光微加工技术的应用及发展概况 一激光微加工的应用 激光微加工的应用范围十分广泛，尤其在集成电路芯片的制造、计算机外设以及 通讯等方面的应用推动了2 0 世纪的信息产业革命。下面介绍了激光微加工在各个领 域的应用【1 8 1 。 1 微电子部件 第一章激光微加工系统的应用及系统组成 ( 1 ) 准分子激光 应用：b g a 打孔、柔性电路打孔、切割、开槽，典型材料：塑料。 应用：m c m ，t a b 窗、和互连孔，典型材料：塑料、陶瓷、硅片。 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：b g a 打孔，典型材料：塑料。 应用：柔性电路打孔、切割、开槽，典型材料；塑料、金属。 应用：m c m ，t a b 窗，和互连孔，典型材料：塑料，陶瓷，硅。 ( 3 ) 二极管泵固体激光 应用：高值打孔，典型材料：塑料、金属料。 ( 4 ) c 0 2 激光( 封闭，慢流或t e a ) 应用：调谐石英振荡器，典型材料：无机物 应用：激光电路元件切割、电路元件划线，典型材料：陶瓷 应用；大平面刚性或柔性电路打孔、切割、开槽，典型材料：塑料 2 半导体制造 ( 1 ) 准分子激光 应用：紫外光刻机，用于d r a m 和逻辑产品，典型材料：抗蚀剂 应用：集成电路修复，典型材料：塑料、金属 应用：薄膜去除，典型材料：金属、氧化物 应用：半导体诊断仪器，典型材料：金属、陶瓷，塑料 应用：晶片清洁，典型材料：硅 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：集成电路修复，典型材料：塑料、硅、金属 应用：薄膜去除、掩模修复，典型材料：金属、无机物 应用：半导体诊断仪器，典型材料：金属、陶瓷、塑料 应用：电阻电容修整，典型材料：厚薄膜 ( 3 ) 二极管泵固体激光 应用：集成电路修复，典型材料：塑料 应用：薄膜去除，典型材料：金属，氧化物 应用：掩模修复，典型材料：金属，无机物 应用：、 ，导体诊断仪器( 如晶片检验) ，典型材料：会属，陶瓷，塑料 第一章激光微加工系统的应用段系统组成 应用：电阻电容修整，厚薄膜 ( 4 ) c 0 2 ( 封闭，慢流或t e a ) 应用：激光切割、修整，典型材料：硅 3 数据存储器件 ( 1 ) 准分子激光 应用：导线剥除，典型材料：塑料，玻璃 应用：空气轴承( 用于拾音头) 、修整，典型材料：硅： 应用：微型打孔，典型材料：硅、无机物、陶瓷、塑料 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：打微孔，典型材料：塑料 ( 3 ) 二极管泵固体激光 应用：磁盘刻制，典型材料：金属，陶瓷 应用：软盘随动系统刻蚀，典型材料：金属 应用：打微孔，典型材料：塑料 ( 4 ) c 0 2 ( 封闭，慢流或t e a ) 应用：激光导线剥除，典型材料：塑料 4 医疗器件诊断 ( 1 ) 准分子激光 应用：血管造形、心脏血管、神经导管的微型打孔、气球血管造形设备的微型 打孔、电生理学上的绝缘物质去除、电生理学上的电极成像、用于d n a 分析的微观 流体学，典型材料：塑料 应用：静脉滴管小孔加工，典型材料：金属 应用；口腔喷雾的喷嘴，典型材料：金属、陶瓷、塑料 应用：标准漏孔检测，典型材料：塑料、金属 应用：用于d n a 分析的显微注射，典型材料：塑料、无机物 应用：血液细胞幻灯片显示，典型材料：塑料、金属、陶瓷、无机物 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：医疗扩张、用于癌症和病理学检测的医疗诊断工具，典型材料：金属 ( 3 ) 二极管泵浦固体激光 应用：医，扩张、医疗诊断工具典犁材料：金属 4 第章激光微加工系统的应用及系统组成 ( 4 ) c 0 2 ( 封闭，慢流或t e a ) 应用：激光静脉滴管的小孔加工、气体小孔，典型材料：塑料 5 通信 ( 1 ) 准分子激光 应用：移动电话互连，典型材料：塑料 应用：光纤光栅制作、光缆外层剥除，典型材料：无机物 应用：光学电路，典型材料：玻璃 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：移动电话互连，典型材料? 塑料，金属 ( 3 ) 二极管泵浦固体激光 应用：移动电话互连，典型材料：塑料，金属 ( 4 ) c 0 2 ( 封闭，慢流或t e a ) 激光 应用：光学电路，典型材料：玻璃、硅 6 计算机外设 ( 1 ) 准分子激光 应用：平面板显示器退火，典型材料：硅 应用：喷墨打印机头，典型材料：塑料 应用：a m l c d 成像，典型材料：金属 ( 2 ) 灯泵固体激光 应用：显示器件的选择性外层去除，典型材料：金属氧化物 应用：磁带储存器件，典型材料：陶瓷 二激光微加工国内外发展概况 l 国外现状【1 4 】 激光精密打孔随着技术的进步，传统的打孔方法在许多场合已不能满足需求。 例如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔；在硬而脆的红、蓝宝石上加 工几百微米直径的深孔等用常规的机械加工方法无法实现。而激光束的瞬时功率密 度高达1 0 8 w cf f l 2 ，可在短时间内将材料加热到熔点或沸点，在上述材料上实现打 孔。与电子束、电解、电火仡、和机械打孔相比，激光打孔质量好、重复精度高、通 第一章激光微加工系统的应用及系统组成 用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。国外在激光精密打孔已经达到很 高的水平。瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打孔，可以加工直径从 2 0 um 到8 0 um 的微孔，并且其直径与深度之比可达l ：8 0 。激光束还可以在脆性材 料如陶瓷上加工各种微小的异型孑l 如盲孔，这是普通机械加工无法做到的。 激光精密切割与传统切割法相比，激光精密切割有很多优点。例如，它能开出狭 窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小，并可以节省材料1 5 3 0 。 由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力，故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导 体等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切缝窄，所以特别适宜于对细小部件作各种精 密切割。瑞士某公司利用固体激光器进行精密切害g ，其尺寸精度已经达到很高的水平。 激光精密切割的一个典型应用就是切割印刷电路板p c b 中表面安装用模板。传统的 s m t 模板加工方法是化学刻蚀法，其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚， 并且化学刻蚀法工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境。采用激光加工，不仅可 以克服这些缺点，而且能够对成品模板进行再加工，特别是加工精度及缝隙密度明显 优于前者，制作费也由早期的远高于化学刻蚀到现在的略低于前者。 但由于用于激 光加工的整套设备技术含量高，售价亦很高，目前仅美国、日本、德国等少数国家的 几家公司能够生产整机。 激光精密焊接激光焊接热影响区很窄，焊缝小，尤其可焊高熔点的材料和异种 金属，并且不需要添加材料。国外利用固体y a g 激光器进行缝焊和点焊，已有很高的 水平。另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂。并可减少热冲击，对 电路管芯无影响，从而保证了集成电路管芯的质量。 2 国内现状 经过二十多年的努力，在激光精密加工工艺与成套设备方面，我国虽然已在陶瓷 激光划片与微小型金属零件的激光点焊、缝焊与气密性焊接以及打标等领域得到应 用，但在激光精密加工技术中技术含量很高、应用市场广阔的微电子线路模板精密切 割与刻蚀工艺、陶瓷片与印刷电路板上各种规格尺寸的通孔、盲孔与异型孔、槽的激 光精密加： 等方面，尚处于研究与开发阶段。 三激光微加工的发展前景 1 i 断扩宽的技术及应削领域 第一章激光微加工系统的心用及系统组成 在电子、半导体、通讯、光信息存储以及医疗方面，激光微加工有若广阔的前景 和强势竞争力。在其他方面，激光微加工的市场也在开拓。 目前反犯罪、反恐怖在世界上呼声很高。纽曼公司正在进行一项利用微加工来帮 助执法的开发研究把凸起字符刻到半自动手枪的撞针上，把这种字符压印到被手枪弹 出的弹壳上，当用这支手枪进行犯罪时，为司法机关提供线索。这种想法也可以用到 爆炸物的标记上 6 1 。 2 激光光源的发展 大功率激光器在加工中具有生产效率高的特点，目前国内1 0 k w 的c 0 2 激光器 已经进入实用化；同时，优质、高效、稳定、可靠、廉价的激光器是精密加工推广应 用的前提，近年来，二极管泵浦激光器发展十分迅速，它具有转换效率高、工作稳定性 好、光束质量好、体积小等一系列优点，很有可能成为下一代激光精密加工的主要激 光器。 3 一体化、小型化的加工系统 激光微加工的发展趋势之一就是加工系统小型化，加工系统集成化是激光微加工 发展的又一重要趋势。二极管泵浦激光器转换效率高、工作稳定性好、光束质量好、 体积小，在系统小型化方面将会有极大的竞争力；微控制器( 国内又称单片机) 在一 体化、小型化的加工系统中的数据采集、数据处理、系统控制中起着核心的作用。 4 智能化加工系统 智能化首先表现在加工系统过程的自动化和智能化，它包括：激光光源的自动控 制、光路的自动控制、加工工件运动的自动控制、自动检测以及过程中的故障报警与 处理等内容。当然，一些系统可能包含上述的部分功能。这些功能保证了加工系统的 可靠性和实用性。 智能化还表现在加工系统的功能上，应包括：图象检测、图象识别、加工的目标 值的自动获取、加工效果的自动评价以及友好的人、机界面等功能。这些功能能够提 升产品的档次、提高系统的竞争力。 国内在激光加工的工艺与设备方面虽然与国外存在较大的差距，但是如果我们在 原有基础上不断提离激光器的光束质量和加工精度，结合材料的加工工艺研究，就可 以推动激光加工技术的迅速发展，并最终会使激光精密加工形成较大的规模产业。 第一章激光微加工系统的应用及系统组成 系统组成 第三节激光微j am 系统的组成及性能指标 在激光微加工系统中，激光为能量提供者，被加工的物体为能量接受者。加工的 过程是激光与物体表面相对运动，从而实现各种方式的加工。这种“相对运动”既可 以是光束的运动也可以是工件的运动 3 7 7 7 3 0 因为工件的机电运动控制较容易实现，同 时也为了保证光束的质量，本系统采用工件运动、加工光源固定的方式。基于这种工 作方式，本系统应由以下部分组成； 图2 - l 激光微加工组成框图 1 激光器：提供加工光源。 2 扩束装置：将光源扩束后传播，再经过聚焦后，可以有效地减小光斑。 3 反射镜：对于加工的光源高反，对于其他波长的光高透。 4 物镜：聚焦凸透镜，将加工光源聚焦，光斑聚焦于工件上。 5x y 二维平台：可移动，手动和自动两种方式。工件固定于平台上，工件运动， 光源固定，通过工件与光源的相对运动达到预期的加工轨迹和加工效果。 6 辅助部分：辅助光源对工件照明，利于工件的观察。辅助部分还包括吹渣等部件。 7 显微观察系统：它由显微镜系统、c c d 摄像机组成。用户可以通过显微目镜 人1 + 观察；c c d 摄像机和计算机视频采集专接fi ，计算机完成对工件的图象采集勺 第一章激光微加工系统的应用及系统组成 处理，通过计算机屏幕，也可以完成对工件的观察。 作为整体构成的部分，系统的电气部分如下： 8p c 计算机，通过视频采集卡与c c d 摄像机接口，完成对工件的图象采集与处 理，通过计算机屏幕，也可以完成对工件的观察；与电控系统双向通讯完成x y 平 台的运动控制。 9 电控系统，与p c 计算机双向通讯，确定加工的轨迹；发送脉冲驱动步进电机 决定x y 平台的运动；与平台上的光栅尺接口，采集x - y 平台的运动信息。 1 0 步进电机及其功率驱动部分。 可以将整个系统分为3 个主要模块：光源及光路部分，将光聚焦在一固定点上； p c 计算机部分，可以采集图象信号，更重要的功能是形成加工轨迹的图形文本并下 载至电控系统以及与电控系统的双向通讯功能；电控系统，能够与p c 计算机双向通 讯，同时能够通过与光栅尺、步进电机一起完成对x 。y 平台的运动控制。以上的关 系可以通过图2 2 表示： 二光学系统的性熊参数 图2 - 2 系统工作框图 光学系统各部分参数取值如下： 加工光源：采用n d ”：y a g 激光器：连续输出功率4 w ；基模高斯光束，发散角 2o = 1 0 m r a d ；声光q 开关，脉冲重复频率f = 2 0 0 h z ：激光器谐振腔采用平一凹腔， 腔长l = 4 0 c m ，凹面镜曲率半径r 2 = 6 0 c m 。 扩束器：放大倍率m = 1 0 ：1 ，经过扩束，光束的发散角为2 目7 为1 m r a d 。，满 足了我们提出的技术指标。 9 第一章激光微加工系统的应用及系统组成 反射镜：采用平面介质膜反射镜；镀对九= 1 0 6 4 n m 高反膜 短焦透镜( 聚焦镜镀) ：对凡= 1 0 6 4 n m 、6 3 2 8 r i m 增透膜，焦距f = 1 0 m m 。短焦透镜 聚焦后光斑直径为d = 1 0 m m + l m r a d = 1 0 pm 。 三运动控制系统的性能要求 激光微加工系统是由光学部分和工件运动控制系统两部分组成，运动控制系统只 有与光学部分有机结合，才能达到最佳的效果。这就要求，在控制系统设计中，应尽 可能地结合微电子技术的发展( 尤其是微控制器技术的发展) 提升控制系统的性能， 但同时应考虑光学系统的性能，不必追求单方面的精度。结合光学部分的特性制订出 运动控制系统的性能参数如下： 1 加工图形：直线、圆弧、任意点阵图形。 2 工件运动方式：点位控制( 快速定位) 、匀速直线运动、圆弧运动。 3 定位精度的要求：因为聚焦后光斑直径为1 0 um ，所以定位误差应优于5 p m 。 4 工件最大重量：1 k g 。 5 控制系统应具备较高的电磁兼容性。 四问题的提出 本文针对加工系统的运动控制部分，提出并讨论了如下问题： l 控制系统的组成及分析。 2 控制系统给定值的获取( 即加工图样文档的形成) 。 3 控制系统的i o 通道。 4 控制器的设计。 5 控制系统的实现 6 其他问题的讨论。 第一章激光微加工系统的应用及系统组成 第一章参考文献： 1 】朱企业，激光精密加工北京：机械工业出版社，1 9 9 0 ，7 2 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第一章激光微加工系统的应用及系统组成 2 1 颜严，光纤激光器将成功用于制造业，激光与光电子学进展，2 0 0 1 ，4 ：5 5 5 6 2 2 】s a r a h m i l e s ，p r e c i s i o nm a t e r i a lp r o c e s s i n g ，e l e c t r o n i cp r o d u c t i o n ，1 9 8 9 ，1 8 ( 4 ) ：1 2 2 3 】l a s e r j o b s h o pa m i s t oc u t a h e a do f t h e p a c k ，w e l d i n gj o u r n a l ，1 9 9 8 ，7 7 ( 3 ) ：4 9 2 4 f e r d i n a n d y o na l v e n s l e b e nm a r t i ng o n s c h i o rh e i n e r k a p p e l t a l l a s e r m i e r o m a c h i n i n g o p t i n c s a n dp h o t o n i c sn e w s ，1 9 9 5 ，6 ( 8 ) ：2 5 2 5 k h g e r l a c h ，j j e r s c h ，k d i c k m a n n e t a l d e s i g na n dp e r f o r m a n c eo f a ne x c i m e r l a s e rb a s e do p t i c a ls y s t e mf o rh i g hp r e c i s i o nm i e r o s t m c t u r i n g o p t i c s l a s e r t e c h n o l o g y , 19 9 7 ，2 9 ( 8 ) ：4 3 9 2 6 a n d e r s o n sgr e v i e wa n df o r e c a s to f t h el a s e rm a r k