（测试计量技术及仪器专业论文）数字式多功能激光加工系统的研究.pdf

摘要 激光加工因其非接触加工、加工精度高和使用范围广等优点，已经越来越多 的被应用于现代工业各领域。中国工业激光市场的起步晚于发达国家2 0 年左右， 但由于中国经济的迅速发展，市场需求带动了激光加工产业的发展。 激光加工主要依赖激光加工设备，它的技术水平代表了激光加工技术的水 平。激光加工设备的性能在激光器和机械运动装置确定之后，系统的功能、精度、 加工工艺水平等关键性指标主要由控制系统决定。美、日等国家一直把它列为重 点发展目标，也正成为我国该领域研究的重点。 本文在认真调研和深入分析的基础上，设计了数字式多功能激光加工系统。 系统在继承了过去激光加工系统的传动系统与光源设计的基础上，设计了基于 d s p 与单片机的控制系统，使激光加工效果与操作的人性化大大提高，并实现了 矢量切割、矢量雕刻与位图雕刻的多功能加工方式。 具体完成的工作有： ( 1 ) 对该领域的发展现状进行调研，结合激光加工的特性，确定数字式多 功能激光加工系统的总体设计方案，包括激光加工方式和系统结构。 ( 2 ) 完成以d s p 和单片机为核心的控制系统的设计。 ( 3 ) 完成控制系统硬件电路的制作与调试，主要有d s p 模块、单片机模块 和控制模块等。 ( 4 ) 完成d s p 和单片机的软件编程与调试，d s p 的程序包括与上位机和单 片机的通信，对n f l a s h 的操作以及加工时的数据处理；单片机的程序包括与 人机交互界面的通信，与d s p 的通信以及限位保护。 ( 5 ) 完成激光加工系统整机调试，制作了三台样机，并通过了用户验收。 关键词：激光加工，控制系统，d s p ，单片机，f p g a a b s t r a c t l a s e rm a c h i n i n gi sa p p l i e dw i d e l yi nt h ei n d u s t r yf o r n o n - c o n t a c t ，h i g hp r e c i s i o n a n dw i d ea p p l i c a t i o n ，e t c a l t h o u g ht h ed o m e s t i cl a s e rm a c h i n i n gm a r k e tl a g s2 0 y e a r sb e h i n dt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，t h el a s e rm a c h i n i n gm a r k e tg r o w sf a s td u et o t h ec h i n e s ef l y i n ge c o n o m y t h et e c h n o l o g yo fl a s e rm a c h i n i n gd e p e n d so nt h ed e v e l o p m e n to fl a s e rm a c h i n i n g s y s t e m t h ec a p a b i l i t yo fl a s e rm a c h i n i n gs y s t e mi sa f f e c t e dn o to n l yb yt h el a s e ra n d t h em a c h i n i n ge q u i p m e n t ，b u ta l s ot h ec o n t r o ls y s t e m i td e t e r m i n e st h e a b i l i t y ， p r e c i s i o na n dm a c h i n i n gl e v e lo ft h el a s e rm a c h i n i n gs y s t e m t h eu s aa n dj a p a n e m p h a s i z et od e v e l o pi t s ow es h o u l dr e a l i z et h ei m p o r t a n c eo fd e v e l o p i n gt h el a s e r m a c h i n i n gc o n t r o ls y s t e m ，a n dp u ti ta st h ek e y s t o n eo f i n t e r n a lr e s e a r c h t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r dd i g i t a lm u l t i f u n c t i o n a ll a s e rm a c h i n i n gs y s t e m b a s e do nd e e pa n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o n t h es y s t e mi n h e r i t st h et r a n s m i s s i o na g e n t a n dt h el a m p - h o u s ef r o mt h eo l ds y s t e m s ；d e s i g n san e wc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e d s pa n dt h em i c r o c h i o p t h e s ec h a n g e sd e v e l o pt h el a s e rm a c h i n i n ge f f e c ta n dm a k e i tm o l ec o n v e n i e n tf o ru s e r s t h el a s e rm a c h i n i n gs y s t e mc a nd ot h ev e c t o rc u t t i n g v e c t o rc a r v i n ga n db i tc a r v i n g m a i nw o r k sh a v eb e e na c h i e v e d ： 1 r e f e r r e dt or e l a t e dd a t aa n dd e t e r m i n e dt h ew h o l ed e s i g np r o j e c t , i n c l u d i n gt h e m a c h i n i n gm o d e sa n dt h es y s t e ms t r u c t u r e 2 ，m a n a g e dt h ed e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do i lt h ed s pa n dt h em i c r o c h i p 3 d e b u g g e dt h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed s pm o d u l e ，t h e m i c r o c h i pm o d u l ea n dt h ec o n t r o lm o d u l e 4 d e v e l o p e da n dd e b u g g e dt h ep r o g r a ma n da l g o r i t h mo ft h ed s pa n dt h e m i c r o c h i p 5 d e b u g g e dt h ef u n c t i o no ft h el a s e rm a c h i n i n gs y s t e m c o m p l e t e dt h r e em o d e l m a c h i n e sa n dg a v eb s e r st ow o r k k e yw o r d s ：l a s e rm a c h i n e ，c o n t r o ls y s t e m ，d s p ，m i c r o c h i p ，f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁垄叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杀白坦杀 签字日期： 2 口一l ：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：栖- i 鳞 导师签名： 签字日期：护6 年1 月f 日 圜 签字日期：文辟月日 f 第一章绪论 第一章绪论 本章对激光加工的发展状况、激光加工的特点以及应用领域进行了分析，结 合国内激光加工技术发展中存在的问题，提出了本课题的研究意义和主要内容。 1 1 引言 激光j i i 指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变，或物体性能改 变的加工过程。按光与物质的相互作用机理，大体可将激光加工分为激光热加工 和光化学反应加工两类。激光热加工系指激光束作用于物体所引起的快速热效应 的各种加工过程：激光光化学反应加工系指激光束作用于物体，借助高密度高能 量光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，也称为冷加工。热加工和冷加工 均可对金属材料和非金属材料进行切割、打孔、雕刻、标记等。热加工对金属材 料进行焊接、表面强化、切割均极有利；冷加工则对光化学沉积、激光刻蚀、掺 杂和氧化很合适。 本课题设计开发的数字式多功能激光加工系统是采用激光热加工的作用原 理，实现对被加工物体表面的切割与雕刻。 1 2 激光j or 国内外的发展状况 由于激光具有方向性好、高能量和单色性好等一系列优点，自6 0 年代初问世 以来，就受到科研领域的高度重视。激光技术推动了诸多领域的迅猛发展，应用 范围越来越广，在加工领域中的应用成果尤为显著。 1 2 1 激光加工技术的发展现状 作为2 0 世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之 一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。激光加工是国内 外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要实现对各种材 料的切割、焊接、打孔、雕刻和热处理等。 按激光加工的应用类别分：切割约占4 0 ，雕刻和焊接各占2 0 ，表面改性、 和打孔各占1 0 。当前用于激光加工的激光器主要有三类：c 0 2 、y a g 和准分子 ( k r f 、a r f ) 激光器，但随着半导体激光技术的迅速发展，使得二极管激光器、二 第一章绪论 极管泵浦全固体化激光器、光纤激光器和超短脉冲激光器必然进入材料加工业， 特别在微细加工中的应用增长更快。激光加工应用的行业包括机械制造、纺机、 医疗器械、汽车、航天航空、电子电器、电站电机、量具刃具、冶金、化工、包 装和工艺装饰等。全球现有激光加工站约4 0 0 0 家。按其销售量分：美国、日本和 欧洲约各占1 ，3 。 发达国家的加工业已逐步进入“光加工”时代。日本估计在本世纪，激光加工 将占整个加工业的l o 以上。目前，一些国际性大公司积极采用先进的激光加工 技术，以提高产品的竞争力，如西门子公司在它的一条流水线上就采用了4 0 0 多 台激光器。激光加工不仅技术先进，而且经济效益显著。美国在2 0 0 0 年用于材料 加工的激光器达到2 0 0 0 0 台。 我国激光加工市场前景广阔，预计平均以每年2 0 3 0 速率递增，但在激光加 工系统的可靠性、稳定性以及整体化、智能化、自动化水平与国外差距较大，这 是制约我国激光加工技术迸一步发展的关键所在，国家正在积极采取措施，加速 我国激光加工产业化的进程和发展。因此，激光加工连年增长。十年来增长了了 5 1 6 倍，平均年增长率达到4 8 3 。这表明激光加工用激光器和激光加工技术日 趋成熟，也表明工业界的需求不断地增长，主要矛盾仍然是我们尚不能提供更好 的多样的设备和技术满足不了不同的要求。 目前国内激光加工技术研究开发的重点可归纳为： 新一代工业激光器研究。大功率c 0 2 激光器与其它种类激光器的发展及 应用。 精细激光加工。国外由于微机械加工工艺的先进技术，精细激光加工水 平远远领先中国，因此国内激光行业应当完善加工的传动系统，提高精 细加工能力。 加工系统智能化，系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、反馈 处理，从软硬件提高数控能力，改善激光加工效果，丰富加工能力，扩 展加工领域。 1 2 2 激光加工技术的趋势 激光加工技术是对传统加工技术的革命，随着我国经济的迅速发展和产业的 升级以及激光技术的不断推广应用，激光产品将有非常广阔的市场前景。激光加 工急需高光速质量的千瓦级c 0 2 激光器、百瓦级封离型射频c c h 激光器，以及大 功率连续和脉冲的y a g 激光器以及它们的导光系统。同时也应十分关注大功率 的半导体激光在工业上的应用。加工工艺的研究也是重要一环。激光加工作为信 息时代的一种新型加工工艺，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、 2 第一章绪论 减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用，既得到其他高新技术发展的有力支撑， 又受到社会经济迅速发展强烈要求的牵引，正保持着强劲的发展势头。预期它将 沿着以下一些方向发展： 1 数控化和综合化 把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定 位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。 2 小型化和组合化 国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲 床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂 外形、打孔、打标、雕刻等加工。 3 高频度和高可靠性 目前，国外脉冲y a g 激光器的重复率己达2 0 0 0 h z ，连续二极管泵浦的y a g 激光系统输出功率己达1 0 k w ，1 0 0 w 的器件已商品化。二极管阵列泵浦的n d ： y a g 激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到1 2 万小时。 4 超快和紫外激光加工 适用微电子、微机械和分子生物学发展的需要，利用波长更短的激光，包括 x 射线激光、其它固体激光的高次谐波、特别是准分子激光，发展亚微米和纳米 加工，可以实现最小横向尺寸2 5 u m 、深度1 0 0 u r n 的精细加工，纳米机电零件的 清洗与搬运等。同时，可用激光对生物细胞及其中的染色体进行切割、搬运和改 造，成为生物工程和医学研究的一种精密工具。目前，全固化的紫外激光器输出 功率已达2 0 w ；准分子激光已达到1 0 w 。 总之，激光加工是2 1 世纪最具竞争力的先进加工技术，它的发展前景是十分 广阔的。 1 3 激光加工技术的特点与应用 现在，激光加工已经凭借其独特的工作方式和加工效果，越来越广泛地运用 于现代涉及加工处理技术的各行各业。 1 3 1 激光加工技术的特点 激光具有亮度高、方向性强、单色性和相干性好等性能，加上激光的空间控 制性和时间控制性很好，易获得超短脉冲、尺度极小的光斑，能够产生极高的能 量密度和功率密度，足以融化世界上任何金属和非金属物质，特别适用于材料自 动化加工，而且对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大。与 第一章绪论 计算机数控技术相结合，激光加工系统为优质、高效和低成本的加工生产开辟了 广阔道路，激光加工技术已成为工业生产自动化加工生产的关键技术，并具有 普通加工技术所不能比拟的优势。 激光加工为无接触加工：其主要特点也就是无惯性，因此其加工速度快、无 噪声。由于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的，因而可以实现各种复 杂面型的高精度的加工目的。且加工过程中无“刀具”磨损，对工件无“切削力”。 加工质量好，加工精度高：由于激光能量密度高可瞬时完成加工，与传统机 械加工相比，工件热变形小、无机械变形，使得加工质量显著提高；激光可通过 光学聚焦镜聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，如p c 机硬盘高速转子 采用激光平衡技术，其转子平衡精度可达微米或亚微米级。 加工效率高：激光切割可比常规机械切割提高加工效率几十倍甚至上百倍； 激光打孔特别是微孔可比常规机械打孔提高效率几十倍至上千倍；激光焊接比常 规焊接提高效率几十倍；激光调阻可提高效率上千倍，且精度亦显著提高。 材料利用率高，经济效益高：激光加工与其他加工技术相比可节省材料1 0 3 0 ，可直接节省材料成本费，且激光加工设备操作维护成本低，对加工费用降 低提供了先决条件。 它不仅可以进行金属加工，还可以实现对非金属的加工，特别适合于加工高 硬度、高脆性及高熔点的材料，如钻石打孔、金屑切割。由于光束照射到物体表 面是局部的，虽然加工部位的热量很大、温度很高，但移动速度快，对非照射的 部位没有什么影响。因此，其热影响区很小。例如，在热处理、切割、焊接过程 中，加工工件基本无变形，可省去或减少后继加工量。这一特点也可以成功地用 于局部热处理和显像管的焊接。 激光加工不受电磁干扰。与电子束加工相比，其优越性就在于可以在大气中 进行。在大工件加工中，使用激光加工比使用电子束加工要方便得多。 激光束易于导向、聚焦和发散。根据加工要求，可以得到不同的光斑尺寸和 功率密度。通过外光路系统可以使光束改变方向，因而可以和数控机床、机器人 连接起来，构成各种加工系统。这是一种极灵活的柔性加工系统，对于改造传统 的机床和机器人是一种极好的方法。 激光加工技术具有的优越性使其在机械、电子、冶金、汽车、石油和国防等 领域得到了广泛应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益，应用前景是十分广 阔的。 1 3 2 激光加工技术的应用 激光加工技术是集光学、机械学、电子学、计算机学等为一体的高技术，是 4 第一章绪论 激光应用最有发展前途的领域。目前已开发出2 0 多种激光加工技术，如雨后春笋 般地应用于各个新工艺领域，如激光切割、激光雕刻、激光打孔、激光焊接、激 光表面热处理、激光快速成型、激光清洗、激光冗余修正、激光退火、激光光刻 与存储等。激光加工技术的出现是对传统的加工工艺和加工方法具有重大影响的 技术变革，很快被广泛应用于汽车、电子电器、航空、冶金、机械制造等国民经 济重要行业，推动了工业的快速发展，并产生了巨大经济效益。现阶段，激光加 工技术主要有以下几方面的应用。 ( 1 ) 激光焊接 激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上，使工件受热 熔化，然后冷却得到焊缝。激光焊缝熔深大，速度快，效率高；激光焊缝窄，热 影响区很小，工件变形也很小，可实现精密焊接，激光焊缝结构均匀，晶粒很小， 气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能，抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。 激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料 问的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高导热率和物理特性相差很大的金 属焊接特别有利。目前，汽车行业将不同材质的薄钢板实施激光拼接焊后冲压成 型，激光拼接焊取代了电焊，使得每辆轿车可节约1 0 0 美元。 在激光焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞 士和美国等。激光焊接能够实现的材料厚度最大已达8 0 m m ，最小o 0 5 m m ，正朝 着低成本、高质量的方向发展。 ( 2 ) 激光切割 激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑，将材料快速加热至汽化 温度，蒸发形成小孔洞，并使光束与材料相对移动，实现连续孔洞的窄切缝。激 光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区域小、 加工柔性好、可实现众多复杂零件的切割等优点而应用越来越广。与计算机控制 的自动设备结合，激光束具有无限的仿形切割能力，切割轨迹修改方便；通过预 先在计算机内设计，进行众多复杂零件整张板排料，可实现多零件同时切割，节 省材料。激光切割以其优越的性能成为现代工业应用中的第一大户。在美国、德 国、日本等发达国家，因其汽车工业的发达而使激光切割的使用比例达6 0 以上。 ( 3 ) 激光打标技术 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一激光打标是利用高能量密度 的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而 留下永久性标记的一种打标方法激光打标可以打出各种文字、符号和图案等， 字符大小可以从毫米量到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义准分子激光 打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标， s 第一章绪论 目前，广泛用于微电子工业、生物工程、食品包装和防伪鉴别等领域 ( 4 ) 激光雕刻 激光雕刻就是利用高能量密度的聚焦激光束代替传统的凿子和刻刀，对工件 多余的部分去除雕刻，形成一定的形貌。像传统雕刻一样，分镂空雕刻和普通刻 划雕刻两类。激光可用于仿古家具的镂空雕刻，石碑碑文和原子印章雕刻。其中 激光雕刻原子印章技术的出现，使印章业跨入了大规模现代化生产时期。其优点 在于能大批量生产，效率大为提高。目前我国印章雕刻用的c 0 2 激光雕刻系统已 批量生产，并满足于市场需求。此外，激光雕刻现在已经开始运用于工艺器和印 刷模板的制作，其前景非常广泛。 ( 5 ) 激光打孔 激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益 显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。目前，工业发达国家已将激 光深微孔技术大规模地应用到飞机制造业、食品加工业、医药制造业等行业。进 入9 0 年代，激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更微小的方向发展。例如，在飞 机机翼上打上5 万个直径为o 0 6 4 m m 的小孔，可以大大减小气流对飞机的阻力， 取得节油4 0 的效果。目前，激光可在3 m m 厚的不锈钢板上以每秒6 5 个孔的速度 进行打孔，在l m m 厚的不锈钢板上的打孔速度可达1 0 0 孔s 。 ( 6 ) 激光表面处理技术 激光表面处理主要包括以下几方面的工艺：激光表面相变硬化( l t h ) 、激光 表面熔化( l s m ) 、激光表面合金化( l s a ) 、激光表面涂覆( l s c ) 以及激光表面冲击 硬化( l s h ) 。激光表面相变硬化是用高能量激光束照射材料表面，使表面温度达 到相变温度点以上，当激光束移开后，由于基体的传热使表面快速冷却( 自淬火) ， 从而使材料表面硬化的一项技术；激光表面熔化可使材料表面得到细晶组织、 非晶态和亚稳相，在满足材料表面某些方面需要，如耐磨性、耐蚀性、防止氧化 等方面显示出独特的优点；激光表面合金化是利用激光照射使材料表面熔化并提 供给表面( 预覆或喷射) 的合金元素的物质熔化、混合均匀，以便在材料表面形成 一个理想的合金层，从而改善材料表面性质的工艺；激光表面涂覆和激光表面合 金化技术相似，激光表面涂覆经常用来提高材料的耐磨性、耐蚀性和耐高温性能； 激光表面冲击硬化是利用激光脉冲使材料表面薄层( 几个原子厚) 快速蒸发，在表 面原子移走的时候，发生动量脉冲并产生一个冲击波或应力波，对材料表面产生 残余压应力，从而达到改善材料疲劳寿命的目的。 ( 7 ) 激光热处理 激光热处理是指利用激光高能量密度的能量照射金属材料表面时，材料表层 温度迅速升高，当激光停止作用后，材料基体温度迅速下降，从而使材料表层经 6 第一章绪论 历一个热处理过程。通过控制激光功率、功率密度分布、激光作用时间等参数， 改变金属热循环形式，从而可以完成材料表层的淬火或退火等工艺。我国从上世 纪7 0 年代研制成功千瓦级c 0 2 激光器之后，激光热处理的工业应用也取得了重要 的成就。激光热处理主要应用于汽车工业( 如美国通用汽车缸套热处理生产线) 和 精密机械微小零部件的热处理。目前，激光热处理技术由于成本高、控制复杂， 还处于实验室技术层面，还没有大范围、大面积的工业化应用。 ( 8 ) 激光快速成型技术 自2 0 世纪9 0 年代初美国3 ds y s t e m s 公司开发出世界首台商品化的快速成型系 统以来，快速成型技术褥到蓬勃发展。快速成型( r a p i dp r o t o t y o i n g ，简称r p ) 是 通过把材料堆积，快速、精密地制造出实际零件，它体现了计算机辅助设计、数 控、激光加工、新材料等学科和技术的综合利用。它不需要借助其它设备和工具 迅速和精确地制造出复杂的工模具、模型和工艺品。激光快速成型技术主要有激 光层叠法、粉末烧结法、光固化法等。 1 4 本课题研究的意义和主要内容 随着我国国民经济的飞速发展，激光加工系统在中国已经有了一定规模的应 用。国内加工厂商使用的激光加工系统主要依赖从日本和台湾地区进口，虽然在 加工速度、加工精度和稳定性方面有技术优势但是仍存在加工面积小、应用领域 窄和价格昂贵的缺点。 目前，我国激光加工技术虽然得到了飞速的发展，但从总体来说还处于相对 落后的水平。激光器质量、激光加工工艺、导光系统以及高速传动和精密定位系 统等方面的技术不够先进，是制约我国激光加工技术发展的关键难题。主要的几 家国内厂商生产的激光加工系统虽然在价格上具有优势，但是在加工速度、加工 精度和稳定性三方面无法与进口产品媲美，而且操作比较繁琐、与上位机的接口 不丰富、控制系统存储器只能存储单一图像文件、图形预处理软件编辑功能不够 强大、没有对操作人员的适当的保护措施和占地面积大等明显的缺点。 本文在认真调研和深入分析的基础上，对现有的激光加工系统存在的问题提 出了一种改进方案。将以d s p 为核心的数字信号处理技术应用到激光加工中，开 发出全新的数字式多功能激光加工系统。本文完成的主要工作有： ( 1 ) 对该领域的发展现状进行调研，结合激光加工的特性，确定数字式多 功能激光加工系统的总体设计方案，包括激光加工方式和系统结构。 ( 2 ) 完成以d s p 和单片机为核心的控制系统的设计。 ( 3 ) 完成控制系统硬件电路的制作与调试，主要有d s p 模块、单片机模块 第一章绪论 和控制模块等。 ( 4 ) 完成d s p 和单片机的软件编程与调试，d s p 的程序包括与上位机和单 片机的通信，对n f l a s h 的操作以及加工时的数据处理；单片机的程序包括与 人机交互界面的通信，与d s p 的通信以及限位保护。 ( 5 ) 完成数字式激光加工系统调试，制作了三台样机，并通过了用户验收。 8 第二章激光加工系统及工作原理 第二章激光加工系统总体设计 本章在分析激光加工机理的基础上，完成了激光加工系统的结构设计，包括 激光加工系统的传动系统、光源、控制系统以及图形预处理软件的设计。 2 1 激光加工原理及分析 激光是一个特定的低真空谐振腔中，一种特定介质( 如红宝石，钇铝石榴石 和c 0 2 ) 在电( 光或其他能波) 激发下经反复震荡、放大后射出的束光子流。 这束光子流波长单一( 单色) ，发散角小( 方向性好) ，具相干、高能、高亮度 特性，经聚焦可达极高功率密度( 1 0 6 一l o ”w c m 2 ) 。用它作热源，对材料或 零件进行高效率、高精度加工( 切割、雕刻、打孔、焊接及表面硬化等) ，通常 称之为激光加工。 激光加工的基本热过程可这样来描述：在高功率聚焦激光束照射下，被加工 材料表面与光束间发生许多不同的能量转换，包括吸收、反射、透射、气化、再 辐射及热扩散。材料吸收光束能量的效应取决于材料的热特性，包括导热率、热 扩散率、熔点、气化温度、比热和潜热，也和材料的密度和几何形状( 它们影响 热的扩散和传导) 有关。 影响激光加工质量的因素很多，主要有加工速度、激光功率、透镜焦距。 1 加工速度 加工速度是影响加工质量的最重要的因素之一，在激光功率一定时，不同的 切割速度对切缝质量的影响及工件背面粘附的熔渣不一样。实验表明，在能切 透的前提下，切割速度越快，切缝质量越好，其切缝整齐，熔渣少，变形小；切 割速度慢，工件光照肘间长，氧气供给量大，氧化反应严重，工件温度高，热影 响区大，因而切缝粗糙，熔渣多。另外喷嘴运动的方向也会影响切割质量，实践 证明推动切割比拖动切割更容易获得较好的切割质量，而侧动切割效果最差。 2 激光功率 激光功率是影响切割质量的重要因素之一。对于特定的工件，一定的功率对 应一定的切割速度。激光功率越大，切割的厚度越大。但随着激光功率的增加， 切缝宽度和热影响区均增大。 激光的输出功率与切割速度之间的关系为： 4 pd4 p q5 万歹2 ：万 9 第二章激光加工系统及工作原理 式中q 激光能量密度； p 一激光器输出功率； d 一光斑直径； v 一光斑移动速度。 由此可知，激光器输出功率和切割速度是相互关联的，它们共同作用着激光 能量密度。增加激光功率和降低切割速度，都能增加能量密度，造成切缝宽度增 加，热影响区变大；反之，则有利于减小切缝宽度和热影响区宽度。 3 透镜焦距 采用实际聚焦透镜将基模激光束聚焦所得的最小光斑直径可近似为由衍射 所决定的腰斑直径与由透镜像差所决定的最小弥散圆直径的和： d ：1 2 7 2 f + 一k d 3d j ” 式中d 聚焦光斑直径； 旯一激光波长： f 透镜焦距； k 系数，取决于透镜曲率半径和材料； d 一聚焦透镜处光束直径。 由上式可见，焦数比f d 对衍射的腰斑直径和像差弥散圆直径有相反的影响， 对于平凸透镜，k 取值为2 8 9 1 0 4 。在焦数比较大的情况下，k d 3 肛2 很小， 口 可忽略不计，即：d = 1 2 7 2 r 。 对于厚板切割，除考虑焦斑尺寸外，还必须保证焦深，焦深定义为光束直径 扩展到腰斑直径的p 倍处距离腰斑位置的轴向距离，可按下式计算 z = 石石i 等 叶 将前式代入可得：z = 士c d ) 2 由此可见，焦深z 与焦数比的平方成正比，其中c = 1 2 7 2 p 2 一l 。在保证一 定焦深的前提下，光斑直径应尽可能小。采用8 0 0 w 激光器，切割速度为0 8 r r d m i n ， 出口辅助氧气压力为5 m p a 时，切割厚度为6 m m 的石油筛缝管切缝宽度试验表明， 切缝宽度与光斑直径大体一致，选用短焦距透镜可减小切缝宽度，透镜焦距主要 依据工件厚度来选取，同时兼顾光斑直径和焦深。工件厚，则焦深大，反之，则 焦深小。激光切割的聚焦光斑位置应在工件表面以下并靠近工件表面，约在工件 上表面偏下1 3 板厚处，可采用如下方法确定聚焦位置：用2 0 0 3 0 0 w 的小功率激 光，压力为0 1 0 0 k p a 的压缩空气，喷嘴在工件上快速移动，不断调整其高度， 第二章激光加工系统及工作原理 一旦出现蓝光及爆裂声，则说明焦点已落在工件表面，然后向下调1 3 板厚即可。 4 辅助气体压力与种类 激光切割时需喷射同轴辅助气体，其主要作用是吹除切割熔体和熔渣，保持 切割断面整洁；加快切割过程，加深切割深度，减小切缝宽度和热影响区宽度； 保护激光器透镜不受加工飞溅物损伤并冷却透镜。使用不同的冷却气体，对切割 质量会产生不同的影响，因此辅助气体的选择是获得高质量切割效果的关键参数 之一。在切割功率为5 0 0 w ，切割速0 6 m m i n ，切f f 0 3 m m 厚钛板试验中不同辅助 气体对切缝质量的影响，见表2 1 。 表2 1 辅助气体的切缝质量 辅助 切缝热影响区宽度切缝 气体 宽度 上表面 下表面外观 氩气 o 2 40 4 70 6 2整洁，氧化轻，熔渣少 压缩空气 0 3 80 5 6o 6 8 整洁，氧化轻，熔渣少 氮气 o 4 so 7 60 9 4 整洁，熔渣较多 氧气1 3 71 3 2 1 6 8 氧化严重，熔渣多 在炭钢反应切割中，采用氧气作为辅助气体，有三个基本功能：提供氧化放 热反应所需氧气；提供机械能以去除熔融物质；强制对流冷却切割区。氧化反应 供给的热量约为激光切割所需总能量的2 1 3 以上，可降低对激光器输出功率的要 求。 当激光功率和切割速度一定，氧压大，则反应剧烈，速度快，热影响区大， 切缝质量低；反之则切缝质量高。但氧压过低可能出现切不透或切缝下粘附熔渣 过多。一般氧压应不低于2 k g 厂o , , 2 。 5 激光入射角与工件表面的逆反射 在一定的工艺条件下，激光入射角在一定范围变化时，对薄板的切割质量影 响不大，超过某一角度，将无法进行切割，即存在一个临界角度。入射角越大， 用于切割的有效能量越小，而像散现象越严重。对于碳钢类材料，光束应与工件 表面垂直。但对于反射率较高的有色金属，如果光束垂直于工件表面，逆反射的 光线会反射入激光腔，使激光器工作不稳定。对于此类问题，可以调整工序，使 待切割的工件处于“毛面”状态，也可以在工件表面涂敷炭黑，效果更好。 6 厚板切割 激光切割常用于1 5 r a m 以下厚度钢板的切割，当板材较厚时采用大功率激光 器切割，质量会下降。为此可采用中小功率激光器配合以下新工艺进行切割。 第二章激光加工系统及工作原理 a 预热法。与传统切割方法不同，于切割喷嘴前加预热焰，有利于维持准稳 态燃烧过程，又可对切割氧流起预热作用，有利于维持氧的压力和纯度。预热焰 可由氧炔焰或对激光束分束获得。但采用预热法使设备趋于复杂，当采用分束光 路时，需要额外的透镜，光路的震动也将影响切割质量。采用火焰预热则会使切 边出现塌角。 b 散焦法。其特点是激光的焦点不在工件表面，而在喷嘴内部，这样当光束 到达工件表面时，不是会聚而是发散光束。由于光斑略大于氧流直径，因而燃烧 较稳定。散焦法设备简单，切割过程稳定，但切害速度较低，切割5 0 m m 低碳钢 板时，最佳切割速度只能达到1 6 0 m m m i n 。 c 锯切法。焦点随着自适应反射镜镜面的周期性变化在几个毫米内振动，既 提高了切割厚度范围又提高了切割质量。但其切割厚度有限，一般不超过3 0 m m 。 d 双聚焦法。采用特殊的透镜使光束在工件上下表面两次聚焦，上焦点使上 表面能量高度集中，因而起割容易，下焦点在切缝下边缘提供了较高的能量密度， 提高了局部温度，增加了切割厚度，也有利于挂渣的清除。切割过程对焦点漂移 也不敏感。但双聚焦法需用特殊透镜，且必须随着工件厚度的变化而更换不同的 透镜。 7 工件变形 有些工件，尤其是薄板，由于某些原因发生变形使表面不平，激光焦深发生 较大变化。实践表明，当工件表面不平达到+ l m m 时影响切缝质量。因此应先用 机械方法校平，再进行激光切割。由于激光切割热影响区小，切后工件变形很小， 改进夹具及采用较低的激光功率和较快的切割速度并降低氧气含量、压力，可进 一步减小变形。 其它改进激光切割的手段还有多种，包括激光输出能量的控制与监测，对激 光被加工物体结合面的监测和激光加工过程建模。确切说，提高激光束的连续性 和单色性，将有助于提高激光加工的质量。 2 2 系统设计 激光加工系统主要实现激光切割、激光雕刻等工艺的加工。系统由传动系统、 光源、控制系统与图形预处理软件四部分组成，其结构如图2 一l 所示。 激光加工主机是加工设备的载体，步进电机、c 0 2 激光器、人机交互界面与 控制系统都安装在激光加工主机中。上位机与控制系统进行通信，图形预处理软 件为控制系统提供图形数据。人机交互界面是加工设备上的人机交互途径，有键 盘与液晶屏组成。用户通过键盘向控制系统发出加工等操作命令，并从液晶屏上 1 2 第二章激光加工系统及工作原理 实时获得控制系统的各种信息。激光加工头由x 向和y 向两个步进电机组成的 移动平台带动。激光器与步进电机由控制系统控制，进行激光加工。限位开关用 于保护步进电机，当步迸电机带动的激光加工头运动超界时，限位开关向控制系 统报警以停止工作。水泵和气泵用于冷却激光器与被加工材料。 2 2 1 传动系统设计 图2 1 激光加工系统结构图 1 传动系统原理 传动系统内有两套步进电机，分别用来牵引x 和y 方向的两根皮带。牵引y 方向皮带的步进电机固定在激光加工主机上，皮带带动运动轴作y 方向正负运 动；牵引x 方向皮带的步进电机固定在运动轴上，直接牵引固定在皮带上的激 光加工头作x 方向的正负运动。 2 步进电机 步进电机选用的是雷塞公司的5 7 h s 2 2 型号的两相混合式步进电机，技术指 标如表2 - 2 所示。 表2 - 25 7 h s 2 2 的技术指标 b d e l相步距保持额定相电相电引线转子惯定位电机机身 n o 数角转矩电流感 阻 数量量转矩重量 长 ( o ) n mam l - io h m g e m 2g c l l lk g m m 5 殂s 2 221 82 24 o】8o 784 6 07 0 01 17 6 第二苹激光加工系统及工作原理 3 电机驱动器 电机驱动器采用的是雷奏公司的m 8 6 0 高性能细分步进驱动器，它适合驱动 中大型的电流6 a 以下的两相或四相混合式步进电机。由于采用新型的双极性恒 流载波驱动技术，使用同样的电机时可以比其它驱动方式输出更大的速度和功 率。其细分功能使步进电机运转精度提高，振动减小，噪声降低。该驱动器有如 下特点： 高性能、低价格，具有静止时电流减半的省电功能。 供电电压可达9 0 v d c ，最大驱动电流6 a 相，2 0 k h z 载波频率。 细分精度：2 ，4 ，8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 ，5 ，】o ，2 5 ，5 0 ，2 5 0 。 具有过压、电机短路保护、错相保护功能，信号经光隔输入。 图2 - 2 电机驱动器接线图 图2 - 2 为电机驱动器的接线图，控制系统输出两组各三路信号，分别是正负 向的脉冲信号、方向信号和使能信号。 表2 - 3 输入信号定义 信号 功能 p u l + 脉冲信号：控制电机输出的转动频率，脉冲上升沿有效。脉冲的低电平时 p u l 问应大于3 u s 。 d i r + 方向信号：单脉冲控制方式时为高，f 氐电平信号，高电平有效。方向信号 d i r 应先于脉冲信号至少5 u s 建立。 e n a + 使能信号：高电平使能，低电平时驱动器禁止工作 e n a 1 4 第二章激光加工系统及工作原理 表2 3 为输入信号介绍，本激光加工系统使用单脉冲控制方式。如使步进电 机作正向转动，则控制系统使p u l + 输入转动频率的脉冲信号，d i r + 和e n a + 输 入高电平，e n a 一输入低电平。 2 2 2 光源设计 1 激光器 激光器是激光加工系统的重要组成部件，它输出的激光经反射光路后在激光 加工头聚焦，产生能量密度很高的激光光束。激光光束打在被加工物体表面，使 其产生烧蚀等现象，实现激光加工。激光加工系统使用的激光器是7 5 瓦的射频 激励c 0 2 激光器。它的技术指标如表2 4 。 表2 4 激光器技术指标 波长 1 0 6 u m 供电电压 d c 2 8 3 2 v 模式质量 9 5 t e m 0 0供电电流 2 0 3 4 输出功率 7 5 w环境温度1 5 - 2 5 波束直径 3 5 m m冷却方式压缩空气、水冷 输出不稳定性 5 体积 7 2 m m 1 1 4 r a m 8 2 0 r a m 发散角 4 m k重量 8 1 k g 2 激光电源控制器 激光电源控制器提供可变的高压信号，控制高速激光器输出的激光功率。工 作时，对激光管还需进行水冷却的保护，图2 3 为激光器与控制电源的接连图。 水冷 图2 3 激光器与控制电源接连图 光输出 控制系统对激光器的控制是通过调节激光电源控制端的输入电压来实现的， 控制端一共有六个接口，其作用如表2 - 5 。 第二章激光加工系统及工作原理 表2 - 5激光电源控制端定义 名称引脚号作用 t t l - h 输入 1 激光控制电源工作高电平输入控制端。 仲1 输入 2 激光控制电源工作低电平输入控制端。 保护接口 3 用保险丝接地，激光控制电源工作；断开时，停止工作。 信号地 4接地。 控制输入 5 输入0 - s v 电压，控制激光器输出p m i n - p m a x 。 5 v 输出 6 若用电位器控制输入，该接口可作为5 v 供电端。 注：若t r l - h 悬空，r r l - l 输入小于0 3 v ，激光电源可工作，若r r l l 输入大 于3 v ，激光电源停止工作；若r r l - l 悬空，t t l h 输入大于3 v ，激光电源可 工作，若t r l l 输入小于o 3 v ，激光电源停止工作。 2 2 3 控制系统设计 控制系统是激光加工系统的核心，是决定激光加工效果的关键部分，系统采 用了以d s p 与单片机为核心的设计。d s p 发挥其数据处理的强大优势，而单片 机则很好地弥补了d s p 芯片i o 接口较少。控制能力较差的弱点。 激光加工部分由f p g a 硬件控制实现，代替了过去由单片机或d s p 软件程 序控制激光加工的方法，这大大改进了由于软件程序流产生的h n t 误差，提高了 加工的精确性，也为d s p 与单片机节省了处理资源，使它们能够在激光加工过 程中进行其它操作与计算。 由于图形的数据量相当大，并考虑到数据的读取速度，过去的一些激光加工 设备往往采用s d r a m 内存条来实现数据系统的数据存储，但由于s d r a m 存 在掉电数据丢失的缺点，因而对重复的激光加工带来很大不便。考虑到以上问题， 控制系统采用了s a m s u n g 公司的n a n d f l a s h 作为数据存储器( 下面简称 n f l a s h l 。 控制系统的硬件与软件设计在第三、四章进行详细描述。 2 2 4 图形预处理软件设计 1 图形预处理软件功能 图形预处理软件用于对用户的待加工图形图像进行转化，编辑处理，最终生 成特定的可以由d s p 处理的数据格式及控制信息。经过以太网或并口发送到控 制系统。软件支持多种常用的图形图像数据格式( p l t 、d x f 、b m p 、d s t