（物理电子学专业论文）大幅面激光加工的理论和应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 、( 随着激光加工技术应用范围的扩大，大幅面激光加工越来越多地被应用到材料加 工的各行各业。数控系统的加入扩大了激光加工的范围。计算机图像处理技术也在大 幅面激光加工中起到了关键的作用4 本文的目的就是通过对大幅面激光加工的硬件控 制系统和软件算法的研究，设计了适合大幅面激光加工的数控系统和软件算法。本文 所作的工作可概括如下： l 、通过对大幅面激光加工中各部分硬件系统的实践应用研究和理论分析， 提出了几种适合大幅面激光加工的数控系统设计方法。 2 、通过字型技术的研究，分析了各种字体的格式，提出了t r u e t y p e 字体转 换为其他字体的算法，并将其应用到大幅面激光加工的实践中。 3 、针对在大幅面激光切割领域中矢量图形边缘会出现尖锐的现象，采用了三次 b 样条反演的算法解决了由于矢量图形点信息量不足造成的边缘不平滑现象，使矢量 图形中的曲线在任意放大后边缘达到平滑。 4 、在位图图像的大幅面激光加工中，为了解决图像放大后边缘出现锯齿的 现缘，提出了边缘检测、边界拟合、扫描填充等图形、图像处理算法。 5 、针对在大幅面激光加工中利用振镜会引起图形图像的失真，提出了一种 快速软件校正算法，并且在利用振镜的加工中取得了良好的校正效果? 6 、开发了激光加工的软件系统，并在实际中得到了应用。 本文所作的工作在广东江门激光轧辊和平板雕刻软件以及塑料薄膜图案切割软 件中得到了应用，较好地解决了实际中的问题。 馓 节 关键词：大幅面激光加工，计算机图像处理，锋法。 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i o no ft h es c o p eo f a p p l i c a t i o ni nt h el a s e rp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , t h e l a r g ea r e a1 a s e rm a t e r i a lp r o c e s s i n gi sa p p l i e di nt h ee v e r yw a l ko fl i f e e s p e c i a l l y t h e a p p l i c a t i o no f c n c e x p a n d s t h es c o p eo fl a s e r p r o c e s s i n g i n t h i sa r e a ，t h ec o m p u t e r i m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt a k e st h ek e y r o l e t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e s i g nt h e a p p r o p r i a t e c n cs y s t e ma n dt or e s e a r c hs o f t w a r ea l g o r i t h m si nt h el a r g ea r e al a s e r p r o c e s s i n g t h em a i n i n n o v a t i o n so f t h ed i s s e r t a t i o na r eg i v e nb e l o w ： 1 t h r o u l g ht h er e s e a r c ho f t h eh a r d w a r ea p p l i c a t i o na n dt h e o r ya n a l y s ei nt h el a r g e a r e al a s e r p r o c e s s i n g ，t h i st h e s i sp r e s e n t s af e wk i n d so fm e a n sf o rt h el a r g ea r e al a s e r p r o c e s s i n g 2 t h r o u g ht h er e s e a r c ho f t h ef o n tt e c h n o l o g ya n dt h ea n a l y s eo ft h e 如n tf o r m a t ，t h i s t h e s i sp r e s e n t saf e wa l g o r i t h m so fc o n v e r t i n gt h et r u e t y p ef o n tt ot h eo t h e rs t y l ef o n t t h i sf o n ti sas u i t a b l ef o r m a tf o rt h el a r g ea r e al a s e rp r o c e s s i n g 3 i no r d e rt o s o l v et h e p h e n o m e n o n o ft h e v e c t o r g r a p he d g e sa c u i t y a n d u n s m o o t h n e s si nt h el a r g ea r e al a s e rp r o c e s s i n g ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h r i c eb s p l i n ea n d i t s r e v e r s ea l g o r i t h m 4 i no r d e rt os o l v et h ep h e n o m e n o no ft h eh i t m a pe d g es a w t o o t h ，t h i st h e s i sp r e s e n t sa s e r i e so f a l g o r i t h m ss u c ha st h ee d g ed e t e c t i n g 、e d g em a t c h i n g 、s c a nf i l l i n ga n ds oo n 5 i no r d e rt os o l v et h eg r a p h i cd i s t o r t i o no ft h el a s e rg a l v a n o m e t e ri nt h el a r g ea r e a l a s e rp r o c e s s i n g ，t h i st h e s i sp r e s e n t saq u i c kc a l i b r a t i o na l g o r i t h m i to b t a i n sav e r yg o o d c a l i b r a t i o ne f f e c ti nt h ep r a c t i c e 6 al a s e rp r o c e s s i n gs o f t w a r es y s t e mi sp r e s e n t e da n di td ow e l li np r a c t i c e k e yw o r d ：l a r g e a r e al a s e rp r o c e s s i n g c o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 激光加工技术的发展近况 l 绪言 激光加工是集光学、机械学、电子学、计算机等为一体的高技术，是激光应用最 有发展前途的领域。自6 0 年代激光问世以来，激光技术就被用于材料加工。经过四 十年的研究和应用实践，激光加工技术得到了飞速地发展，正越来越广泛地应用于 切割、打标、焊接、打孔、表面热处理等加工领域川【1 4 】【1 5 】【2 6 l 。 近年来，随着激光器可靠性和实用性的提高，加上计算机技术的发展和光学器 件的改进，促进了激光加工技术的发展。随着激光加工技术的发展，激光加工已经 被广泛的应用到材料加工的各行业。近年来，激光加工技术和计算机控制技术的结 合，使激光加工有了很大的改进，其应用领域也随之不断扩大，加工的效率和效果 都有了很大的提高。 激光加工系指激光束作用于物体的表面而引起物体形状改变或物体性能改变的 加工过程。激光加工是将激光照射到物体的表面，用以去除或熔化材料以及改变物 体表面性能从而达到加工的目的。激光加工分为热加工和光化学反应加工。热加工 系指激光束作用于物体所引起的快速热效应的加工过程；激光的光化学加工过程系 指激光束作用于物体，借助于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，也称冷加工。热加工和冷加工均可对各种材料进行切割、打孔、标刻等。但 是热加工对于金属材料进行焊接、表面强化、切割等极有利；冷加工对于光化学沉 积、掺杂、氧化很适合【9 】【1 0 】【1 5 】。与传统的加工方法( 如机械刀刻、电火花加工、 照相腐蚀等) 相比较，激光加工有着许多突出的优点【9 】【1 1 】【2 3 】： 1 加工面大，既可以对多种金属和非金属加工，也可以对复合材料( 金属非金 属、软硬材料) 进行加工，特别可以加工极硬、极脆、极薄、极软和熔点极高的难加 工材料。 2 应用范围广，几乎适用于所有的加工工艺，可穿过透光材料对真空中的部件 华中科技大学硕士学位论文 进行加工，加工过程中不受电磁的干扰。在大件的加工中，使用激光加工比使用电 子束加工要方便的多。 3 由于加工所用的刀具是激光束，并不象传统的加工方法需要选择各种刀具以 适应各种不同加工的目的，所以无“刀具”磨损，降低了成本，也降低了在加工过 程中由于换刀造成的加工复杂度。 4 同冲裁加工相比，在加工过程中所产生的应力极小。这样就不会使加工的工 件产生机械形变，提高了加工的质量。 5 激光加工能量注入速度高，工件的热形变小，对材料的热影响区小。由于激 光照射到物体的表面是局部的，虽然加工部位的热量很大、温度很高，但是移动速 度快，对非照射部位基本没有什么影响。这种加工方式对于那些极易熔解的加工材 料而言具有无可比拟的特殊效果。 6 由于激光束能量集中，故加工时节省能源、加工速度快、加工效率高、加工 质量好、节约原材料，这些优点最终导致了加工成本的降低。 7 激光加工属于无接触加工，其主要特点就是无惯性，因此其加工速度快、无 噪声、无污染，是一种“绿色”加工的方法。当今全球非常重视环保的情况下，这 个特点无疑也会促使激光加工向着更高更具有发展前途的方向继续迈进。 8 激光束易于导向，光束能量和移动速度可以调节且极易和数控系统结合，因 此可以实现多种加工的目的，易于实现自动化操作。在实际的激光加工中可以根据 具体的加工要求，随时调整并得到不同光斑尺寸和功率密度的激光，以满足不同加 工的要求，实现不同加工的目的。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，构成各种柔性加工系统。该系统十分灵活，对于改 造传统的机床和机器人是一种极好的方法。 9 激光束不仅可以聚焦，而且可以聚焦到亚微米级，光斑内的能量密度或功率 密度极高，用这样小的光斑可以进行微区加工，也可以进行有选择性加工，这也提 高了激光加工的精细度和激光加工的灵活性【l 。 通常讲的激光加工包括激光淬火、激光熔覆、激光合金化、激光焊接、激光切 割、激光打孔、激光标刻等，这些激光加工均属于低温范畴。在这个范畴中通常激 2 华中科技大学硕士学位论文 光功率密度低于1 0 8 w c m ，这时物质发生的主要物理过程是由凝聚相到气相的转变 2 1 1 。激光加工就是利用不同功率密度的入射激光与材料的相互作用产生不同的物理 效应来实现加工目的的。 工业生产对激光器的要求是高可靠、小体积、安全、便于操作【2 9 】。现在 c 0 2 ，n d ：y a g 和准分子( k r f ，a r f ) 激光器是当前用于材料加工的三种主要的激光器。 现在激光器的工艺更加成熟，其可靠性、稳定性、光束质量、性价比、体积都比以 前有了大幅度的提高，加上计算机控制技术的发展，激光系统与机器人、c a m 结合 起来构成了柔性激光加工系统，使设备更灵活，更适合于激光加工应用，也使得激 光加工得到了更广泛的应用。特别是在中小功率激光加工方面，由于中小功率的各 种激光器的制造技术更加成熟，成本大幅度下降，加上加工要求的提高，使得激光 加工的市场进一步扩大。半导体激光技术的迅速发展使得二极管激光器，二极管泵 浦全固体激光器、光纤激光器和超短波激光器必然进入材料加工，特别是在精细加 工中的应用增长更快1 4 】f l 5 1 。 随着科学技术的发展，加工部件越来越复杂，对加工装置的要求也越来越高。 为提高加工装置的灵活性和适应性，国外越来越多开发将光纤技术和机器人技术操 纵的导光系统结合的高性能激光复合灵活加工系统，采用计算机辅助设计和辅助制 造，以实现高度自动化的复合灵活加工要求和系统，真正实现了激光加工的广泛性 和灵活性。 激光加工应用的行业包括机械制造、纺织、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。按期销售量分美国、 日本和欧洲各占l 3 。在发达国家的激光加工业中，已逐步进入“光加”时代。而在 当代全球的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， 例如西门子公司在它的一条生产线上就采用了4 0 0 台激光器。以美国，德国，日本 为首的西方发达国家非常重视激光技术的发展与应用，把激光列入国家发展计划中， 例如美国的“激光核聚变计划”，德国的“激光2 0 0 0 ”，英国的“阿维尔计划”，日本 的“激光研究五年计划”等，已形成了诸如德国的通快公司( t r u m p f ) ，美国的相干 公司( c o h e r e n t ) ，s y n a r d 公司等世界知名激光公司。德国为了推广激光加工技术， 华中科技大学硕士学位论文 在全国的范围内建立了9 个国家级激光实验室，还建立了大量的激光加工站，同时 还建立大型、中型、小型企业的激光加工生产线【1 l 】【1 5 】【1 7 1 【2 7 】。 在国内，激光加工技术的发展也相当迅速。在全国范围内，已形成了一个有相 当规模的加工网点。激光加工从基础理论研究、应用研究、产品开发到为生产厂建 生产线，可以说每个方面都在积极地进行着，国外有的，我们几乎都有。 国家“六五”至“九五”期间对激光技术基础研究地大力投入，已在北京、上海、 武汉三地形成了中国激光研究、应用三足鼎立之势。我国目前从事激光器和激光应 用设备生产的厂家达5 0 0 多家，其中有五个国家级的激光技术研究中心，1 0 多个研 究机构，全国有2 1 个省、市、地区生产和销售激光产品，主要分布在湖北、上海、 江苏和北京。从事激光加工系统开发和生产的主要单位有：大恒科技，华工科技， 电子十一所，楚天，上海激光( 集团) 总公司，大族公司等【1 3 】【1 5 1 【1 8 】【2 7 】。 激光加工作为信息时代的一种新型加工工艺，对提高生产质量、劳动生产率、自 动化、无污染、减少材料消耗等起到越来越重要的作用，既得到了其他高新技术发 展的有利支撑，又受到了社会经济发展强烈要求的牵引，正保持着强劲的势头。各 种新的研究项目应用而生，各种新的研究方法和加工方式也雨后春笋般地出现和应 用到各种加工的领域。 除了传统的激光加工技术外，预计激光加工将沿着以下的几个方向发展【1 4 】【1 5 【1 8 】： 1 数控化和结合化 把激光器和计算机数控技术，先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位系 统相结合，形成研制和生产加工中心，已成为现在激光加工发展的一个重要趋势。 2 小型化和组合化 国内外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在台机床上，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、标刻、划线等加工，也大大增加了激光加工的范围，使激光加工可以在 更大的幅面中进行。而且激光器及其相应的其他加工设备的体积也越来越小，这样 小型化的激光加工设备也促使了组合化的进程越来越快，激光加工的范围也相应越 来越广。 3 高频度和高可靠性 华中科技大学硕士学位论文 激光的稳定性是完成一个激光加工项目和保证激光加工质量的重要前提。目前， 应用于激光加工激光器的激光输出功率越来越大，性能也越来越稳定，平均维修时 间也有了很大的增加。 4 超快和紫外激光加工 适用于微电子、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，其他固体激光的高次谐波，特别是准分子激光，发展亚微米和纳米技术， 例如打极小的孔，进行极微细的三维雕刻，纳米机电零件的清洗和搬运等。同时可 用激光对生物细胞及其染色体进行切割，搬运和改造，成为生物和医学研究的一种 精密工具。 总之，在当代“科学技术是第一生产力”和各行各业都被深深地烙上了科学技 术烙印的社会中，激光加工已成为2 l 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，对于所有的激光研究人员和激光实践人员应该在这个领域中充分 发挥自己的聪明才智，使激光加工的领域和技术进一步的扩大和提高。 1 2 计算机图形图像处理技术在激光加工中的研究概况 所谓计算机图形学就是根据给定的几何数据和几何模型的描述，用计算机生成相 应的图形、图像的学科领域。图像处理就是研究以二维数组形式给出的图像数据， 按照特定的目的用计算机对数据加工处理，以图像数据或某种描述作为结果输出的 学科领域。计算机图形学研究如何从计算机模型出发，把真实的或想象的物体描绘 出来。而图像处理( 也称为画面处理) 进行的确实相反的过程：是基于画面进行二 维或是三维物体模型的重建。虽然计算机图形学和图像处理目前仍然是两个相对独 立的学科分支，但是它们的重叠之处越来越多。图形和图像相结合的处理算法应用 到激光加工的领域中也将是这两门学科发展的一个重要的应用方向。 在激光加工领域，图像处理的研究重点是二值或二值化的图像，其主要的研究 手段是形状结构的分析。从这个角度来看，在激光加工的图像处理技术中就可以应 用到计算机图形学的概念、理论和方法。 图形图像处理技术在激光加工重的应用非常广泛。将计算机图形图像处理技术 华中科技大学硕士学位论文 和激) 匕j j h i 结合起来，开创了一个崭新的激光加工时代，明显增强了激光加工的灵 活性，加工的效果和效率也得到了迅速提高，应用的范围也逐渐扩大。在国外，高 水平的激光加工系统往往配备数台微机组成的图形图像处理系统和数控系统，用以 完成各种复杂的激光技工任务。如美国的佛罗里达州的激光加工中心，其计算机数 控系统由7 台微机和价值数百万美元的软件所组成，能进行各种复杂工件的三维切 割、焊接和热处理。又如日本丰田汽车公司用计算机图形工作站控制的激光加工系 统，从毛坯上切割出各种形状复杂的模具和零件。而德国大众汽车公司用5 0 0 w c 0 2 激光器切割车身薄板以及各种表面覆盖件，尤其是各种曲面件，为生产各种轿车零 部件提供了新方法【2 2 】。 各种的激光2 n t 系统，特别是激光标刻和切割，他们的前端往往是功能很强的 图文处理软件。如美国的s y n r a d 公司的激光标刻软件( p r o l a s e r 和w i n m a k ) 具有 很强的图文编辑功能，配备了一系列的中西文字体，针对不同的加工材料，能灵活 的选用不同的加工的参数。 一些最近出现的激光加工项目中，计算机图形图像处理技术也起着重要的作用。 比如，在实现平面图像立体化的过程中，就要对平面的图像进行各种图像特性的分 析，然后采用适当的算法构造出三维的数据，这些对计算机图形图像处理的算法要 求很高。还比如在计算机的服装裁剪中，除了要在计算机中建立一个服装样式图库 外，还要设计出最优化的切割路径算法，这样才可以最大限度地提高加工效率和节 约材料。 “八五”期间，激光雕刻被引入到印章刻字行业，这就需要有较强的图形交互 功能和丰富的图形文字库的激光印章排版软件系统。激光照排是将文字通过计算机 分解为点阵的形式，然后控制激光在感光底片上扫描，用曝光的点阵组成文字和图 像。现在我国已广泛使用的激光排版技术就是采用了激光照排，它比古老的铅字排 版功效至少提高了5 倍。目前正在研制的直接制版技术，可以实现激光直接扫描到 p s 印版上，大大提高了印版的质量和制版的效率。 从我国的激光发展史来看，我国的激光加工起步并不算晚，早在1 9 7 6 年，长春 光机所与第一汽车制造厂等单位合作发展了l s j 2 5 0 0 型5 0 0 w 百管式数控激光切割 华中科技大学硕士学位论文 机用于红旗轿车车身薄板的切割，但是我国的激光加工的发展速度却无法和国外相 比。经过综合比较我国和国外激光加工的现状和以前的发展经历，影响我国激光加 工发展速度的问题主要表现在以下几个方面【1 3 【2 2 ： ( 1 ) 理论研究欠缺。从国内的激光加工领域看，多偏重于对激光器、加工机以 及电源等硬件设备的研究，而对于激光加工工艺、计算机控制、配套软件的开发等 环节缺乏研究力度，特别是对于图形图像处理等相关科学的交叉研究远不如国外普 及。具体表现在资金投入少、相关论文数量少、从事这方面研究的科技人员少。 ( 2 ) 应用开发力度不够。特别是在系统软件设施方面，国内的激光成套设备所 选取的配套软件，多是一些通用型的图形处理软件，如 a u t o c a d ，c o r e l d r a w , p h o t o s h o p 等。即使是使用了一些软件也是国外的一些通用型的 激光加工软件，而激光加工有着特殊的机制，利用现有的通用型软件难以达到高效、 实时、高精度等要求，甚至不能满足激光加工的要求，例如的s y n r a d 公司的激光标 刻软件( p r o l a s e r 和w i n m a k ) 虽然具有较强的图文处理的功能，但是激光加工中要 用到数控系统进行激光柔性加工系统，这些软件中就没有了控制数控系统的功能， 这些在实际中就得相应的增加这些控制的模块以适应激光柔性加工的要求。 ( 3 ) 理论与实践脱节。理论和技术成果没有转化成生产力，激光加工的产值比 国外的低。很多研究还是实验室阶段，难于达到商品化程度；有的技术虽已通过国 家鉴定，但是在推广上困难重重。这实际上也与国内缺乏实用化的激光加工配套软 件是分不开的。 1 3 制约激光n - r 技术发展的关键问题 激光加工作为2 1 世纪最具竞争力的先进加工技术，虽然比传统的加工工艺已经 获得了很大的进步和提高，但是从现在的发展状况来看要想在激光加工的领域得到 进一步的提高和发展，就需要在几个“瓶颈”问题上有一定的突破。作者研究了国 内外激光加工的状况，结合了自身在激光加工中遇到的问题，总结出这几个制约激 光加工技术发展的关键，现阐述如下：【”】【2 7 1 ( 1 ) 激光器的质量。 华中科技大学硕士学位论文 激光束的输出参数直接影响到加工的成品质量和效益。因此发展和完善检测技 术，提高光束质量是激光加工的首要问题。光束质量的实时在线监测并控制调整加 工机械的工作状态可保证加工质量。国外商品化的激光加工装置几乎都配备激光监 视系统和可供用户参考的工艺参数与方案。而国内尚无监测系统与整机配套的定型 产品。 ( 2 ) 激光加工工艺。 不同的材料与激光相互作用会产生不同的效果，在激光加工中应注意选取不同 的激光器和相关参数。激光加工的质量保证和提高很大程度上取决于成熟的激光加 工工艺技术，即确定加工的最佳工艺参数。它是随着激光技术的不断发展并经过大 量的实践应用和研究总结和完善起来的。可以这么说，激光技术的发展就是激光加 工工艺技术的不断提高和完善的过程。 ( 3 ) 光路系统。 光路系统担任着激光束传输的重要功能，它的良好工作也是激光加工的前提条 件之一。如果是在振镜的控制方式下，振镜电机的灵敏度和精确度将会直接影响到 激光光束的运动速度，而激光束的运动速度将影响着激光和物质的作用的时间，继 而影响激光与物质相互作用的效果，最终会影响激光加工的质量。 ( 4 ) 高速传动和精确定位系统。 在激光加工中，特别是大幅面激光加工，要对工件进行传动、装卸和定位，随 着加工精度的提高和工艺化在线生产的要求，对传动速度和系统精度的要求也越来 越高。 1 4 本课题的研究内容和意义 随着激光加工越来越多地被应用到各行各业，现在也越来越多的新型激光加工 系统项目也应运而生。目前物前振镜扫描小幅面激光加工的研究和应用已比较成熟”i 2 l ， 但是在小范围之内的激光加工有时候不能满足越来越多的大幅面加工的要求，因此 大幅面的激光加工就会显得比较重要了。 本文的研究在对江门激光轧辊、激光平板雕刻和激光薄膜图案切割的实际操作 华中科技大学硕士学位论文 | ；= 目目e = 冒i , i i _ e _ = _ = - = _ e t _ - i _ = j - | _ z = = = = = = = = = = = = = 目日= ；j t _ _ = ，；- j e = = = = = = = = = = i = # = ；= = = _ ，_ = = ；- # = = = = = = = 叠 和控制的基础上，进行了大量的研究和实践，总结了实际激光加工中的经验，提出 了大幅面激光加工研究和实践的原理和方法。具体的研究内容主要是在建立一个激 光数控系统的基础上，研究图形图像文字满足大幅面激光加工的方法和控制技术， 提出了一些图形图像文字加工的无失真无级缩放的算法，课题的研究对大幅面激光 加工有一定的促进作用。 本文的主要研究内容如下： 1 、针对激光加工的文字加工，在对现有的点阵字体、矢量字体和t r u e t y p e 字 型结构和特点研究的基础上，提出了各种字型相互转化的算法，如区域分割的算法、 细化算法和适合于切割的一笔画算法，提出适合大幅面激光加工的字型技术。 2 、对于激光加工中的矢量图形，对矢量图形采用插补算法处理以满足大幅面激 光加工的要求。 3 、针对大幅面图像激光加工，对二值化的图像进行轮廓提取、边界的数学拟合、 h o u g h 变换、填充算法等处理以满足大幅面激光n - v 的要求。 4 、激光加工系统的加工质量与电机控制系统的性能和精度有着紧密的联系，本 文提出了几种适合大幅面激光加工的数控系统的设计方法。 5 、针对双振镜扫描系统的桶形失真、枕形失真、线性失真，提出了一种基于数 学模型的快速软件校正算法。 6 、开发设计激光加工的排版、控制软件。完成软件的编制是本课题的重要组成 部分，在保证系统功能的前提下，做到操作方便、界面友好、运行可靠、快速，对 于实际加工中的参数能够做到存储和调用，完成激光加工工艺的数据库的建立和对 数据库中数据的操作，并为了实际中操作的可靠性和责任性，建立了激光加工的日 志数据库的建立和查询。程序软件选择v c + + 6 0 作为程序设计的语言，以广泛流行 的w i n d o w s 操作平台作为运行环境，能较好地满足用户的要求。 华中科技大学硕士学位论文 2 大幅面激光加工的c n c 系统的设计 2 1 引言 激光器和数控机床的结合就构成了数控激光加工机系统【3 2 j 。 激光器的出光质量、激光功率、光斑尺寸、导光系统等会直接影响到激光的加 工质量。各种不同的激光器由于各自的特点决定了各自不同的主要加工目的。 而数控机床是新型的自动化机床，它具有广泛的通用性和很高的自动化程度。 数控机床是实现柔性自动化加工最重要的装置，是发展柔性加工的基础。合理的选 择、使用和设计不同类型的机床可以提高劳动生产力和劳动生产率、稳定产品质量、 降低企业的生产成本、提高企业经济效益和产品竞争力。数控机床的精确定位也是 影响激光加工质量的另一个重要的问题，提高数控机床的精确定位能力是数控机床 设计的首要考虑的问题。这样针对不同用户的需求设计合理的数控机床是十分重要 的环节。 因此，合理的选择和使用激光器，设计用途广泛、操作方便、定位精确数控系 统是数控激光加工机的首要解决的问题。本章重点对激光器、数控机床激光加工系 统的这两部分和其他辅助部分的特点和要求逐一加以介绍，通过最佳的途径设计适 合大幅面激光加工的数控系统。 2 2 激光数控加工系统各部分特点 激光数控加工系统各个部分有机地结合在一起组成一个激光加工数控系统。对 于不同的加工方式和要求，针对特定类型材料加工的特点，满足运动精度、各种激 光加工工艺、高可靠性能和高效性的需要，设计最适合某种激光加工的系统，考虑 到实际中整个数控系统的通用性和灵活性，最大限度地发挥一个数控系统的潜能和 功效，所以我们要对各个部分的特点逐一加以说明。 ( 一) 激光器 目前工业用的激光器常见的类型和特点如下表2 1 ：【6 】【1 1 h 2 8 】 o 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 工业用的激光器常见的类型和特点 气体激光器固体激光器 二氧化碳准分子n d ：y a g 波长1 0 6 9 m0 1 7 2 - - 0 2 2 2 1 t m1 0 6 t l n 震荡连续脉冲连续脉冲连续脉冲 方式横流1 - 5 0 0 1 1 0 0 0 h z 纵流h z 输出 1 5 1 0 2 m j 5 0 0 w1 5 w 1 k w 2 m j 1 0 0 j 功率 k w 1 0 0 k j 脉冲4 0 0 毫2 0 0 毫微 宽度微秒秒 脉冲重4 0 0 5 0 0 0 复率( 脉冲 秒) 效率 1 2 7 0 3 特点功率大，体积效率高结构紧凑，体积小 大，小功率时很 经济 应用切割、焊接、熔微细加工、蚀刻、切割、焊接、打孔、 领域覆、表面改性、光化学沉积、掺标刻、刻槽、微细加工 合金化杂、氧化等等 适用金属、木材、皮半导体材料、金属、陶瓷、 加工革、陶瓷、石英、复合材料、陶瓷、复合材料 材料刚玉、石棉、塑料、金属 云母、塑料 激光器的功率、脉冲持续时间或者曝光时间确定热穿透的深度。短脉冲激光适 华中科技大学硕士学位论文 用于表面加工或热加工，长脉冲或连续波运转的激光器则用于大的穿透深度。加工 所需要的时间将取决于功率和脉冲的重复率。特殊应用中激光器的选择，取决于以 上这些因素以及全部材料加工系统的成本和经济因素。所以激光器的选择是一个综 合的过程。 ( - - ) 数控机床 一、数控机床的分类 目前数控机床的种类很多，分类方法也不一。根据数控机床的功能和组成，可 从不同的角度和按多种原则进行分类【3 4 】【3 5 1 。 1 、按控制系统的特点分类 ( 1 ) 点位控制数控机床 这类机床只要求精确控制一个坐标点到另一个坐标点定位的精度，而 不管这两个点之间是按照什么轨迹运动。 ( 2 ) 直线控制数控机床 这类机床不仅要求具有精确的定位功能，而且要求从一点到另一点是按直线 进行加工的。 ( 3 ) 轮廓控制的数控机床 这类数控机床数控装置能同时控制两个或两个以上的坐标轴，具有插补的功能。 对位移和速度进行严格的不间断的控制。 2 、按伺服系统的类型分类 ( 1 ) 开环控制数控机床 这类数控机床没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号的流程是单向的， 其精度主要决定于驱动元器件和电机的性能。 ( 2 ) 闭环控制数控机床 这类数控机床将位移指令与位置检测装置测的实际位置反馈信号随时进行比 较，根据差值与指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到进给伺服系 统的速度指令。这类机床比开环进给的精度更高、速度更快、驱动功率更大。 ( 3 ) 半闭环控制数控机床 1 2 华中科技大学硕士学位论文 大多数数控机床采用半闭环控制系统， 这类机床可以获得比丌环系统更高的精度， 3 、按数控装置的构成方式分类 ( 1 ) 硬线数控机床 它的检测元件装在电机或丝杆的端头。 但是它的位移精度比闭环系统的要低。 这类机床采用硬线控制装置，它的输入处理、插补运算和控制功能，都由专用 的固定组合逻辑电路来实现。不同功能的机床，它的逻辑电路也不同，所以这类机 床的通用性和灵活性差，成本也高。 ( 2 ) 软线控制系统 这种数控机床也称计算机数控系统，使用软线控制装置。这种数控机床的硬件 电路是由小型或是微型计算机加上通用或是专用的大规模集成电路制成的，数控机 床的主要功能几乎全部由系统软件实现，所以不同功能的数控机床其软件也不相同， 而修改或增加系统功能时，也不需要变动硬件电路。因此，具有较高的灵活性、通 用性好、有利于大量生产、提高质量和可靠性、缩短制造周期和成本。 其他的还有按工艺用途分为金属切削类数控机床、金属成型类数控机床和数控 特种加工及其它类型数控机床：按功能水平分为经济性数控机床和全功能型数控机 床等。 因此可以根据实际加工中的要求，根据数控加工机的特点设计和选用合适的数 控加工系统，最大程度地提高加工的质量和效果。 二、光束和工件的相互运行方式 光束和工件的相互运行方式与各种数控机床种类和功能有着密切的关系，数控 机床的设计会直接影响到光束和工件相互运行的方式，那么就会影响到激光加工的 应用范围。 激光束光斑相对工件的移动可由以下几种基本的方式实现： 1 1 】 1 、激光器和导光系统不动，激光加工工作台或者工件移动。这种适合于高精度 的小工件，对工件的重量和体积要求比较严格。所以在大幅面的激光加工中不适合 采用。 2 、激光加工平台或是工件不动，激光器和导光系统移动。这种情况下，对激光 华中科技大学硕士学位论文 器的要求较高，激光器应该体积小而且重量轻。对加工的工件没有什么限制。 3 、激光器不动，导光系统和激光加工平台或是工件都运动。这种方式兼顾了各 自的特点，可加工复杂的工件。在大幅面激光加工中，如果被加工的图形或图像在 加工幅面中呈阵列形式，可以采用这种运动方式。这种方式使单个的图形或者图像 得到了很精细的加工，还可以完成大幅面的激光加工。在一些装饰材料的加工中经 常用到这种加工方式。 4 、激光器和激光加工平台或是工件不动，导光系统运动。这种系统被称为飞行 光路系统。实际中最常见的这种加工的方式就是激光的振镜加工方式和绘图仪式加 工方式。振镜加工方式大家已经见到很多了，所以这里讨论一下绘图仪方式。采取 这种方式不但可以增大激光加工面积，而且加工的过程中也没有了振镜产生的畸变， 所以在不是很大的幅面中绘图仪的方式是很好的选择。这种方式的结构和绘图仪没 什么两样，唯一不同的就是在绘图仪移动横梁的一端和横梁上夹放绘图仪器的地方 安置了两块平面镜用来反射从激光器中出来的激光到达工件的表面。如图2 1 所示： ，。反射馈 图2 - l 绘图仪式激光数控机床 横梁上面的镜子在一个电机的牵引下沿横梁作纵向运动，横梁一端的镜子会随 着横梁的运动作横向运动，在这两块镜子的综合运动下激光就会到达整个加工的表 面。 ( 三) 辅助系统 辅助系统是激光加工的重要组成部分，可以促使激光加工效果达到最佳。这些辅 4 华中科技大学硕士学位论文 助系统包括为激光器设计的冷却装置和抽风排气保护装置，这些装置可以增大激光 器的工作寿命和提高其工作稳定性：在有些激光切割系统中可以采用密闭加工和抽 风装置使切割掉的材料迅速被抽走来保证激光切割的质量；切割时的保护和助燃气 体输送装黄、导光系统等等。这些辅助系统虽然不是激光加工中的核心部件，但是 却对激光加工最终的效果起到了非常重要的作用。 2 3 大幅面激光n r 系统的设计 2 3 1 大幅面激光加工系统的设计要求 l 、激光器的选择要适应尽量具有多种用途，使得一台激光器能够胜任多种激光 加工的目的和要求，因此一般情况下可以选择c 0 2 激光器来进行加工。 2 、数控机床的选择要做到精确定位，一个数控机床的精确定位无疑会直接影响 到激光加工的精度和质量。这也是整个激光加工系统的关键环节。在大幅面激光加 工中，精确定位显得尤为重要。定位的不准确将直接导致所加工的图形或图像变形、 扭曲，极大地影响大幅面激光加工的质量。 3 、一般情况下幅面的增大会导致激光光源和加工工件之间距离的增大，所以应 该尽量减小激光在传输过程中的能量损耗。因此导光系统的设计要尽量减少激光在 传输过程中能量的损耗和扩大激光加工的幅面。 4 、要有其他的辅助系统帮助激光加工系统稳定长时间运行和激光加工质量的进 一步提高。所以辅助系统就是要消除激光加工过程中外部因素的影响( 比如激光器温 度、钢板切焊时的保护或助燃气体输送装置等) ，促使激光加工效果达到最佳化。 5 、对于专门的数控系统软件而言就是要能精确地控制电机的运转和激光的开 光、关光，而且在每一个需要加工的点处电机的转动位置和激光的开光、关光要能 很好地配合在一起。 2 3 2 大幅面激光加工系统设计 一、控制系统的设计 控制系统的设计是整个激光加工系统设计的核心，可以说没有控制系统就不能 华中科技大学硕士学位论文 实现整个激光加工系统的自动化。在大幅面激光加工中，要使激光加工的工件或是 加工的平台能够移动，或者使激光束能够在整个加工的平面上移动，就需要一个数 控系统。这个控制系统由上用p c 机，伺服电机驱动卡，激光脉冲控制卡，加上专门 的数控软件就构成了这个数控加工系统【2 0 】【2 8 】【3 0 3 ”。 原理的框图如图2 2 所示： 在这个框图中可以看到，这里为了增加控制系统的精度，采用了伺服电机，利 用伺服电机的精确定位的特点来进一步加强大幅面激光加工系统的定位精度。电机 控制卡和激光控制卡用来向伺服电机驱动器和激光控制器把数字信号转换成脉冲信 号，通过这些脉冲信号控制电机的转动和激光的开关光，进而精确控制数控机床在 大幅面加工中的加工点。 图2 - 2 激光数控加工系统控制框图 二、数控机床的设计 在实际的应用中主要有以下的几种激光数控机床的设计m l l 3 4 】【3 5 t ： 1 龙门式 激光加工头在横梁上作y 方向的移动，工作台带动工件作x 方向的移动，这种 华中科技大学硕士学位论文 方式的特点就是结构紧凑，适合较大的尺寸范围。 2 下动式 加工机的激光加工头固定，工作台带动工件作x 、y 方向移动，其特点是光束 易于固定调整，但结构往往因工作台的双向运动显得笨重。 3 框架式 移动激光加工头沿横梁作y 方向移动，横梁在框架上作x 方向的移动，这种适 合不便移动的大型零件的激光加工。 作者结合了江门实际工作中的数控机床的设计和理论上数控机床的特点和要 求，设计了两种数控加工机床来满足大幅面激光加工的要求，其中一种已在实际中 得到了应用。 一种是为满足激光轧辊而设计的。在这种方式中采用的是龙门式激光数控机床。 这种方式能够很好地进行轧辊雕刻图案，而对于其他的加工方式，比如平板雕刻也 能够很好地实现。这种数控机床的原理图如图2 3 所示： 畦冉 畿 蛊嚣 寰鬓 盏葫 图2 - 3 激光轧辊数控机床原理图 通过其中一个伺服电机带动丝杆转动从而实现了激光头沿水平方向移动，另外 一个伺服电机带动花辊转动实现整个花辊沿圆周方向的加工。通过这两个电机的联 合运动，就可实现整条花辊的雕刻了。如果要雕刻平板的情况下，只要在2 和2 处 在再添加一条花辊，然后把平板夹在这两条花辊中间通过两条花辊转动带动平板向 前移动，这样可实现平板的纵向的加工，横向的加工和轧辊雕刻一样由丝杆带动沿 横向方向移动。 华中科技大学硕士学位论文 另外一种可以设计成绘图仪方式，也就是上文提到的框架式。在这种方式中比 较适合激光平面加工。工作台的大小就是激光所能加工的最大幅面。在这种方式中， 激光器和工作台的距离可以很远也可以离得很近。加工过程中点位的精确控制完全 靠伺服电机带动绘图仪的滚轮使横梁和横梁上的激光头做横向、纵向运动而达到整 个幅面。 这种数控机床的原理图如图2 - 4 所示： 这种数控机床与上面介绍的绘图仪有不同的地方就是没有在横梁的一端和横梁 上加装反射镜使激光通过反射镜达到工件的表面，而是通过另外一种形式的导光系 统到达激光头的位置。 以上两种数控机床是针对不同加工要求和加工目的而进行设计的，在实际中可以 通过不同加工的目的设计不同的激光加工数控机床。因此数控机床设计也尽量做到 既能达到主要激光加工目的，又能实现多种激光加工的需求。 0 x y 图2 4 框架式数控机床 三、辅助系统的设计 在激光加工中，辅助系统的设计是很重要的一个辅助环节。 大幅面激光加工由于加工幅面的增大，会使激光器和工作台的距离加大，激光 在传输到工件表面的过程中能量损耗也会越大。因此导光系统设计的重点就是保证 华中科技大学硕士学位论文 激光传输质量能够在到达工件表面是达到最佳。大幅面激光加工的就是要对加工平 面上的每个点都要加工到位，而一般的对于大幅面激光加工的加工工件较大，不易 移动，所就要求激光能够运动，但是对于功率较大的激光器来说，激光器的体积较 大，这也是一个不容易移动激光器的问题，所以可以让加工平台或者工件保持不动， 激光器也固定在某一个位置，而从激光器中输出的激光通过一个光路传输系统到达 加工平台的上方。这里可以采用光纤传输技术来实现远距离柔性传输。这个光纤传 输系统光学系统f 7 5 j 如图2 5 所示： 图2 - 5 光纤传输系统光学系统 图中l 为4 5 。反射镜，2 为激光束，3 为耦合透镜，4 为光纤，5 为保护片，6 为 准直透镜，7 为聚焦透镜，8 为加工工件。 利用光纤传输的光路系统不仅可以增大激光加工的幅面，并且可以减少激光的 能量在远距离传输中的损耗。 2 4 本章小结 本章讨论了大幅面激光加工控制部分的设计，包括激光器和数控机床的精确控 制。针对大副面激光加工幅面和精度的要求提出了龙门式和框架式两种大幅面激光 加工数控机床的设计方法。为进一步提高激光加工产品的质量和减少激光在传输过 程中能量的损失，在激光器和加工工件之间设计了光纤传输系统。 9 华中科技大学硕士学位论文 3 字型技术在大幅面激光加工中的研究与应用 3 1 引言 汉字的字型虽然很多，但是按字型的实现方式来说可分为以下三种：点阵字体、 矢量字体、t r u e r y p e 字体。这三种字体各自的生成方式和特点各有不同，对于不同 的加工方式可以选用不同的字型来进行加工。对于大幅面激光文字加工，加工的文 字要求可以无失真的放大，也就是说要使放大后的字体不出现边缘不光滑的现象。 本文以t r u e t y p e