（计算机应用技术专业论文）轴承专用激光打标机控制系统软件的设计与实现.pdf

硕士学位论文 maa只 i f r s 1 1 f s 1 s ab s t r a c t s in c e 1 9 8 0 s , l a s e r m a r k in g h a s w i d e l y b e e n a p p l i e d i n e u r o p e a n d a m e r i c a . l a t e l y l a s e r m a r k i n g h a s a l s o b e e n u s e d i n a l l w a l k s o f l i f e i n o u r c o u n t ry . l a s e r m a r k in g f o r b e a r i n g s i s a s p e c i fi c a p p l i c a t i o n i n t h e m a in t e n a n c e o f b e a r i n g s , i t i s u s e d t o m a r k a l l k in d s o f t r a i n b e a r in g s m a i n t e n a n c e i n f o r m a t i o n . t h e e x i s t i n g la s e r m a r k i n g c o n t r o l l e r u s u a l l y u s e p c t o c o n t r o l , t h e t r a d i t i o n a l c o n t r o l l i n g m e t h o d i s d r a w i n g t h e m a r k g r a p h i c a n d s a v in g i t a s a g r a p h i c f i l e , t h e n o u t p u tt i n g t h i s f i l e i n c o n t r o l l i n g s o ft w a r e . i n t h i s c o n t r o l l i n g m e t h o d , t h e s a v in g a n d m o d i 尔n g o f m a r k r e c o r d i s n e i t h e r c o n v e n i e n c e . t h e c o n t r o l l i n g s y s t e m o f l a s e r m a r k i n g f o r b e a r i n g s i s a i m p r o v e m e n t o f t r a d i t i o n a l p c s o ft w a r e c o n t r o l l i n g m e t h o d . t h i s s y s t e m i s i m p l e m e n t e d i n v i s u a l c + + . i n t h i s s y s t e m , w e d e s i g n e d u s e r s i n t e r f a c e , d a t a b a s e , m a r k i n g c o n t r o l l in g , s i n g l e f i l e m a r k i n g a n d e t c e t e r a m o d u l e s , w e s a v e t h e m a r k i n g r e c o r d r e s o rt u s i n g mf c d a o c l a s s t o l i n k a c c e s s d a t a b a s e . i n t h i s s y s t e m , u s e r s i n p u t t h e m a r k i n g c o n t e n t s t h r o u g h t h e u s e r s i n t e r f a c e m o d u l e , a n d s a v e t h e m a r k i n g c o n t e n t s a s t e x t i n t o t h e d a t a b a s e , t h e n t h r o u g h t h e m a r k i n g c o n t r o l l i n g m o d u l e , w e d y n a m i c a l ly c h a n g e m a r k i n g t e x t c o n t e n t s i n t o g r a p h i c s a n d m a r k i t o n t h e b e a r i n g s . t h i s s y s t e m c a n s a v e t h e m a r k i n g c o n t e n t s i n t o d a t a b a s e , a n d c a n s ta t i s t i c s t h e m a r k i n g r e c o r d s . s o , i t p r o v i d e c o n v e n i e n c e f o r t h e s a v i n g a n d d y n a m ic a l l y m o d i f y i n g m a r k i n g r e c o r d . a d d i t i o n a l l y , t h e f u n c t io n o f s i n g l e f i l e m a r k i n g c a n o u t p u t t h e g r a p h i c f i l e , t h i s i s c o m p a t i b l e w it h t h e t r a d i t i o n a l m a r k i n g c o n t r o l l i n g me t h o d . t h i s s y s t e m i s p a r t i c u la r ly s u i t e d t o t r a in b e a r i n g s m a r k i n g i n d y n a m i c a l c h a n g e s o f m a r k i n g c o n t e n t s . i t h a s s u c h c h a r a c t e r i s t i c s a s c o n v e n i e n t o p e r a t i o n , s t a b i l i ty o f f u n c t i o n s , s a t i s f a c t o ry e ff e c t s o f m a r k i n g , a n d s o o n . wu h a n c h u t i a n g r e e n l a s e r c o m p a n y f i n d s t h i s s y s t e m s a t i s f a c t o ry a ft e r i t i s c h e c k e d a n d a c c e p t e d . t h i s s y s t e m h a s b e e n p u t i n t o p r o d u c t i o n a n d s o l d t o m a n y u s e r s a n d g o t g r e a t e c o n o m i c p r o f i t s . k e y w o r d s : l a s e r , ma r k i n g , c o n t r o l s y s t e m , i n t e r p o l a t i o n c o m p u t e 硕士学位论文 ma s t e r s i e i e s i s 第一章序言 1 . 1概述 激光是本世纪的重大发明之一，由于激光具有很好的单色性、 相干性、 方 向性和高能量密度，三十多年来，以 激光器为基础的激光技术得到了 迅速的 发展，现己广泛应用于加工、医疗、军事、通迅、检测、娱乐等各个领域， 并形成了新的产业体系。激光具有巨大的技术潜力，有人甚至认为，现在是 电子技术的全胜时期，其主角是计算机，下一代将是光技术时代，其主角是 激光， 将二十一世纪誉为.光加工时代” w + r 。 激光加工、激光通讯、 激光医 疗 是激光技术应用最重要的三个方面(4 激光特别适用于材料加工。 激光加工是激光应用最早且最有发展前途的领 域， 国外已开发出2 0 多种激光加工技术。 激光的空间控制性和时间控制性很 好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由 度都很大， 特别适用 于自 动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自 动化加 工设备。已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加 工生产开辟了 广阔的前景j 。 激光打标是激光加工原理的一项重要应用， 它利用经过处理的激光光束照 射在材料表面，光能瞬间转换为热能，使表面材料瞬间融熔甚至气化，从而 形成标记。由于激光打标相对于字模冲压、印刷、电腐蚀等打标方法有无污 染、非接触、适用范围广等优点， 在当今国内外都得到了广泛的应用。轴承 专用激光打标机主要用来对维修的火车轴承进行标记， 方便以后的维修管理。 要求打标内容根据维修情况动态变化， 且打标记录需要进行保存和统计分析。 本章包括激光打标的发展背景和优点、国内外现状、几种典型激光打标机控 制方法及其特点等几个方面的内容。 1 . 2 发展背景 激光打标机的发展和兴起主要是源于传统打标技术的缺陷， 得益于激光打 标技术的优势。本节主要从传统打标技术的缺陷、激光的特性、激光打标方 式的优点等几个方面进行阐述。 妇 . 2 . 1 传统打标技术的 缺陷 传统的打标方法有字模冲压、印刷、电腐蚀等，这些打标方法往往都有 一些缺点。这些缺点主要有: 1 、字模冲压由于是接触式加工， 加工后的零件容易产生内应力， 字模的 制作和改变比较困难，且一般只能用于金属材料的打标。 2 、印刷的标记其附作强度往往有限， 因此其标记的寿命往往不长( 特别 是在金属材料上) ，且其加工过程容易产生环境污染。 3 、电腐蚀加工方法只能对金属材料进行加工， 且其加工速度较慢， 不适 于大批量和流水线加工方式。 妇. 2 . 2激光的特性 激光有四大特性:高亮度、高方向性、高单色性和高相干性 1 、激光的高亮度:固体激光器的亮度更可高达1 0 1 1 w / c m 2 s r 。 不仅如 此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万 度的高温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。 2 、 激光的高方向性: 激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的 同时， 还能保证聚焦得到极高的功率密度， 这两点都是激光加工的重要条件。 3 ,激光的高单色性: 由于激光的单色性极高， 从而保证了光束能精确地 聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。 4 ,激光的高相干性:相干性主要描述光波各个部分的相位关系。 正是激光具有如上所述的奇异特性因此在工业加工中得到了广泛地应用。 妇. 2 . 3激光打标的 优点 激光打标机运用激光的上述特性， 并且结合了数控技术， 使其与传统标记 方式相比，具有无可比拟的优越性: 1 、可对绝大多数金属或非金属材料进行加工。例如c 0 2气体激光打标 机能用于非金属材料打标;y a g固体激光打标机既能用于非金属材料打标， 还能用于金属材料打标。 2 ,激光是以非机械式的” 刀具” 进行加工， 对材料不产生机械挤压或机械 应力，无” 刀具11 磨损. 3 、加工过程无毒，很少造成环境污染。 4 ,激光束很细，使被加工材料的消耗很小。 5 、加工时，不会像电子束轰击等加工方法那样产生 x射线，也不会受 电场和磁场的千扰。 6 、操作简单， 使用微机数控技术能实现自动化加工， 能用于生产线上对 零部件进行高速度、高效率地加工，能作为柔性加工系统中的一部分。 7 、使用精密工作台能进行精细微加工。 8 、使用显微统或摄像系统，能对被加工表面状况进行观察或监控。 9 、可穿过透光物质 如石英、玻璃) ，对其内部零部件进行加工 1 0 、 可以利用棱镜、反射镜系统 ( 对于n d : y a g激光器还能用光纤 导光系统)将光束聚集到工件的内表面或倾斜表面上进行加工。 1 1 、能标记条形码、数字、字符、图案等标志。 1 2 、 采用激光打标技术制作出的标记仿制和更改都非常困难，在一定 程度上具有很好的防伪作用。 1 3 、 加工产品精细、美观，具有较高的审美价值。激光标刻能在各种 金属与非金属表面形成的具有立体效果的字画。激光标刻的文字字形端正工 整，线条流畅大方，字体美观雅致。所刻图案不失真，能保持原图的创作风 格及图形原有的神韵。采用激光标刻的产品 ，美观、大方，具有很好的视觉 效果。激光雕刻美术作品、激光雕刻工艺品更是艺术殿堂中的一朵奇葩。深 入千家万户的 张小泉“ 剪刀，其名牌标刻原采用传统工艺，存在深度、精度 硕士学位论文 n i a s f e r s r i o i s 不够， 标号不清晰等缺点。 现在，该厂商已经逐步用激光标刻代替传统方式， 为百年老号注入了 新的活力(s 1 s 1 1 . 3国外激光加工技术的发展现状 激光技术己经在工业、 农业、医学、军工、 科学研究以及人们的现代生活 中得到了广泛应用。二十世纪八十年代以来，不少国家政府都把激光技术列 入国家级发展计划。 例如， 美国的 “ 激光核聚变计划” 、 德国的 “ 激光2 0 0 0 , 英国的“ 阿维系计划” 、日 本的 “ 激光研究五年计 划” 等等【5 l 。 这些计划的实 施使激光技术得到迅速发展， 并且己经形成一具生机勃勃的新兴高技术产业。 据统计，日 本2 0 0 0 年激光加工占整个加工业的1 0 %o 在激光加工服务方面， 美国约有3 0 0 0 多家激光加工站，日本约有近2 0 0 0 家， 欧洲约有2 0 0 0 家 w 1 。 其规模大小不等， 有的只承担单一工种的加工， 有 的则可承担各种要求的加工。总之，不论属于哪种加工，都是激光产业中的 重要组成部分。更值得提出的是，所有这些激光加工站都具有良好的经济效 益以及很强的生产力。 激光加工是激光应用最有发展前途的领域， 目前在欧美及日本等发达国家 中，已开发出2 0 多种激光加工技术。己成熟应用的激光加工技术包括: 激光 快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、 激光切割技术、激光打标技 术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激 光划线技术、 激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。 国外己经开发的 主要激光加工技术包括: 1 ,激光快速成形技术集成了激光技术、 c a d / c a m技术和材料技术的最 新成果， 根据零件的c a d模型， 用激光束将光敏聚合材料逐层固化。 精确堆 积成样件，不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术 己在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。 2 、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 同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热 率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。 4 硕士学位论文 h 认s l r s l 1 g s i s 3 、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，己成为现代制造领域的关键技术之一。 4 、激光切割技术可广泛应用于金属和非金属材料的加工中， 可大大减少 加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续 激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。 5 、激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。 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，己 广泛用于微电子工业和生物工程。 6 、激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分， 使惯性轴与旋转轴重合，以 达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量 和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺 制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡 精度，其质量偏心值的平衡精度可达1 % 或千分之几微米。 7 , 激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、 可大幅度降低生产成 本，可加工0 . 1 2 5 -1 微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。 8 、激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达 0 .0 1 %一 0 .0 0 2 %，比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻 ( 0 .0 1 - 0 . 6微米厚) 与厚膜电阻 ( 2 0. 5 0微米厚) 的微调、电 容的 微调和混合集 成电路的微调。 9 ,激光存储技术是利用激光来记录视频、 音频、 文字资料及计算机信息 的一种技术，是信息化时代的支撑技术之一。 1 0 、 激光划线技术是生产集成电路的关键技术， 其划线细、 精度高( 线 宽为1 52 5 微米，槽深为5 2 0 0 微米) 。 加工速度快( 可达2 0 0 毫米/ 秒) ，成 品 率 可 达9 9 .5 % 以 上 6 7 。 1 1 、 激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染， 提高精密 器件的成品率。 1 2 、 激光热、表处理技术包括:激光相变硬化技术、 激光包覆技术、 激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技 术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等 s 有重要作用 1 3. 激光相变硬化( 即激光淬火) 是激光热处理中 研究最早、最多、 进 展最快、 应用最广的一种新工艺， 适用于大多数材料和不同形状零件的不同部 位 ，可 提 高 零 件 的 耐 磨 性 和 疲 劳 强 度 ， 国 外 一 些 工 业 部 门 将 该 技 术 作 为 fi ll 证 产 品质量的手段。 1 4 、激光包覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一， 具有很好的经济性， 可大大提高产品的抗腐蚀性。 1 5 、 激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方法， 是未来 应用潜力最大的表面改性技术之一， 适用于航空、 航天、 兵器、 核工业、汽车 制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。 1 6 、激光退火技术是半导体加工的一种新工艺， 效果比常规热退火好 得多。 激光退火后， 杂质的替位率可达到9 8 % - 9 9 % ， 可使多晶硅的电阻率降 到普通加热退火的1 1 2 - 1 1 3 ， 还可大大提高集成电路的集成度， 使电路元件间 的间隔缩小到0 .5 微米。 1 7 、 激光冲击硬化技术能改善金属材料的机械性能， 可阻止裂纹的产 生和扩展， 提高 钢、 铝、 钦等合金的强度和硬度， 改善其抗疲劳性能。 1 8 、 激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度， 速度比无激光照射快 1 0 0 0倍， 对微型开关、精密仪器零件、 微电 子器件和大规模集成电 路的生产 和修补具有重大义意。使用该技术可使电度层的牢固度提高1 0 0 -1 0 0 0 倍。 1 9 、激光上釉技术对于材料改性很有发展前途， 其成本低， 容易控制 和复制， 有利于发展新材料。 激光上釉结合火 焰喷涂、 等离子喷涂、 离子沉积 等技术， 在控制组织、 提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。 电子材料、电磁材料和其它电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。 1 . 4国内激光加工技术的发展状况 到目前为止， 我国在激光打孔、激光毛化、 激光切割、 激光焊接、 激光热 处理、激光打标等方面己有许多非常成功的应用范例。激光合金化和熔覆、 激光制有新材料、激光快速三维立体成型等部已在快速走向实用化阶段。激 6 硕士学位论文 ti es t e r, s 7 1 1 c s r s 光加工技术所具有的优越性，采用这一技术的必要性以及紧迫性己被越来越 多的企业家所承认和重视。 根据 1 9 9 8 年中国光学行业协会对我国激光产业状况的调研统计，我国的 激光产品生产企业主要分布在湖北、北京和上海，激光加工设备产业逐渐走 向成熟。1 9 9 1 - 1 9 9 8 年销售以年均4 0 %的速度递增， 1 9 9 5 年我国激光加工 设备销售额为7 3 2 6 万元，1 9 9 6 年、1 9 9 7 年、1 9 9 8 年增长率分别为6 6 . 5 %. 2 7 %. 2 1 %。我国激光加工系统市场随着国民经济的发展逐年增长， 表1 . 1 是 1 9 9 1 年到1 9 9 8 年八年来的销售额: 表 1 . 1 我国激光加工系统销售额 ( 万元人民币) 年份 1 9 9 11 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 8 销售 额 1 , 5 1 8 3 , 1 2 3 3 , 9 4 84 , 6 4 27 , 3 2 6 1 2 , 2 8 7 1 3 , 1 3 8巧， 8 9 8 从表中可看出我国激光加工系统产值 1 9 9 8年约为一亿六千万元，相对 1 9 9 7 年增长2 1 ya，可以说应用面发展很快。特别是、 : a g激光加工系统比上 一年增长了6 0 . 7 %，达到9 0 9 4 万元，高速增长的主要原因是、 a g激光焊接 机和激光标记系统得到飞速应用，其主要市场是电池激光封焊和电子元器件 激光标记。从这里可以看出，我国电子工业的高速发展给我国激光加工业带 来了巨大推动;同时，我国激光加工系统的日益完善、质量提高也给我国电 子工业带来了喜讯，这样，可以不需要采购价格昂贵的进口 激光加工设备， 给运行、保养、零配件更换、维修、服务带来诸多方便。 我国激光加工的应用领域中激光打标占 有相当重要的地位。 表1 .2 是1 9 9 8 年激光加工各个领域的销售情况。 从表中可以看出， 激光打标所占的比例最大， 在激光加工领域的地位很重 要 。 硕士学位论文 b l a s t e a s 7 i w s 表1 .2 1 9 9 8 年激光加工各个领域的销售情况表 应用领域激光切 割 激光热处 理 激光打 标 激光焊 接 激光打 子 l 其它 销售额( 万元)1 , 7 7 11 , 0 1 94 , 8 7 6 2 , 9 7 7 1 3 05 , 1 2 5 所占比例 1 1 . 2 %6 . 4 %3 0 . 7 % 1 8 . 7 %0 . 8 %3 2 . 2 % 1 . 5对现有激光打标系 统的分析与改进 激光打标机是综合激光、 光学、 精密机械、 电子和计算机等技术于一体的 机电一体化设备。它主要由激光器、光学系统和控制器组成。如图1 . 1 所示 图1 . 1激光打标机结构图 1 . 5 . 1激光器综述 现代用于激光加工的激光器主要有c 0 2 激光器和掺钦的忆铝石榴石( n d : y a g) 激光器两种。1 9 9 0 年，国际商用激光加工系统的产值中， c 0 2 激光器 约占2 1 3 , y a g激光器约占1 1 3 。后者主要用于电子工业等领域的微细加工， 前者则主要用于机械制造领域的激光加工p s 激光具有四个特性: 单色性、 相干性、方向 性和高光强【 i ll 。就激光加工 而言，这些特性并不是同等重要的。主要关心的:单色波长、时间特性和功 率。 i .单色波长 激光具有高度的单色性。其实激光加工本身对激光的单色性并没有特别 8 硕士学位论文 从4 s 1 王 r s i i i g s i s 的要求，只是在用光学系统处理激光时，由于它的单色性而不会存在色差， 是一优点。 各类激光器均输出一定波长的单色光， 如表1 . 1 所示。 波长大小对 激光加工过程有强烈的影响。 表 1 .3 加工用激光器的主要性能 性 能c 0 2 激 光器 y 人 g激光器准 分 子 激光器 波长 ( u m) 1 0 . 61 . 0 60 . 2 4 9 最高 ( 平均)功率 ( w ) 2 5 0 0 01 8 0 02 5 0 输出方式连续或 脉冲 连续或脉冲脉冲 脉冲功率 1 0 1 0 0 0 2 0 0 0 0 脉冲频率 ( k h z ) 5 1闪光灯 f 为球面镜的焦距，m为环形光的横向放大率，即外径与内径之比。m越大、f i 2 硕士学位论文 a i a s f c r 5 飞 i i f s i s 越小， 则工作距离越小。由于平面镜是倾斜4 5 度安装并有一定厚度， 更减小 了工作距离。这是在激光加工中应用同轴球面镜聚焦环形光的主要限制。此 外，光路系统需经仔细调整才能防止光路遮挡的功率损失。 b .离轴球面镜聚焦光具 离轴球面镜聚焦系统如图图1 . 3 b 所示。 它可适用于各种模式的激光， 不 存在同轴系统光束穿插可能出现的挡光问题，调整方便。但这样的装置中， 通过平面镜的反射光不可避免地和球面镜光轴有一夹角平，从而增大聚焦光 斑的像差。图1 . 4 为在f = 1 5 5 m m 、 光束直径d = 1 5 m m 的条件下，实验得到的聚 焦光斑直径与 入射角w 之间的关系【 .9 i _ f ， 夕 舌淤i z- 一叫卜 .、哪润娜暇介， 入姗角; i ( ) 图 1 . 4最小光斑直径与入射角 为了 像差和焦斑直径不过大， 指向 球面的入射角w 必须小于1 d 度， 最好 小于7 度。实际上能够实现的最小入射角w与球面镜聚焦的焦数 ( f / d )以及 工作距离有关。焦数大，工作距离小，则平面镜与球面镜的距离大，lif 角小。 而焦数过大，则由衍射所决定的焦斑直径过大。工作距离也不能过小，否则 不但镜片易受污染，且没有足够的工作空间。因而需要根据情况折中地确定 有关参数。 c .校正的离轴球面镜聚焦光具 在离轴球面镜聚焦光具中，以带校正像差功能的柱面镜代替平面镜，即 得校正的离轴球面镜聚焦光具， 如图1 . 3 c 所示。该光具在大的入射角w 下工 1 3 作，因而有大的工作距离，方便使用，有利于保护镜面。而由大的入射角 w 所可能造成的严重像差则由校正柱面镜部分校正。本光具聚焦质量比前述二 种同轴与离轴球面镜聚焦光具的稍差，但其大的工作距离很适合生产现场使 用知 。 d .抛物镜聚焦光具 抛物镜可将平行于其对称轴的入射光线会聚至焦点，而没有像差，如图 1 . 5 所示。 图 1 . 5抛物镜聚焦 采用具有高精度插补功能的数控金刚石镜面车床可加工出高精度的抛物 铜镜， 轮廓精度优于0 . 4 u m ， 对c 0 2 激光的反射率达9 9 % 11 11 . 和前述几种球面 镜聚焦光具相比，抛物镜聚焦质量较高，使用也方便，已 越来越多地应用于 大功率激光焊接系统。但抛物镜对调整精度要求很高，入射光相对于抛物面 对称轴线的少量偏斜或抛物面轮廓相对其理想值的少量偏离都会给聚焦光斑 带来严重的像散2 2 。因此，象激光切割那样要求精细聚焦而功率又不很高的 情况，一般都采用透镜聚焦。 e .双球面反射镜聚焦光具 双球面反射聚焦光具如图1 . 6 所示2 3 。 它由 一凸 面镜 ( 曲 率半径r l ) 和 一凹面镜 ( 曲率半径r 2 )组成。二球面的曲率中心重合，且二曲率半径之比 y 2 / : ， 一 ( 石+ 1 ) i ( 沂一 1 )时 ， 对 于 x 17 入 射 光 ， 系 统 没 有三级球差，也没有慧差和像差。当然，三级球差理论并不是足够精确的， 实际上仍存在残留球差，但数值很小。 图1 . 6双球面反射镜聚焦光具 双球面反射镜聚焦光具有两种使用方法。对于非稳腔输出的环形激光， 采用共轴光具，其等效焦数为 z s , )一 ， ，衍射焦斑直径趋于焦数。共轴光 具的焦数可小至 1 ，由衍射确定的焦斑直径很小。 对于非环形光，可采用离轴光具，即只采用共轴光具二球面反射镜的两 个局部，同样能消除三级球差。但此时中角减小，等效焦数增大，聚焦光斑 直径增大。 z .导光系统 导光系统将激光器输出的激光引导到由聚焦光具组成的加工头。在实际 的激光加工系统中，加工头可以是固定的，由工件来实现各种加工运动，相 应的导光系统也是固定的，一经调整好，即固定不动。而在另一些激光加工 系统中，加工头是运动的，相应的导光系统也是可动的。 激光加工中，如果让光斑相对工件移动，从导光系统角度而言，以直角 坐标移动系统较为简单。图 1 . 7为二坐标光斑移动系统示意图。其中激光器 固定不动，激光沿y 向射入可沿该方向移动的反射镜 1 ，经反射折向x 方向， 再经由沿x 方向移动的反射镜折向2 方向，然后经z 方向的 透镜聚焦。 光路调整应保证光轴与各移动轴线平行、与聚焦镜的轴线重合。携带镜 片移动的部件应有高的运动精度，防止运动过程中的倾斜和偏移。 采用直角坐标移动系统。 特别是当移动范围大、坐标数多时，导光系统 1 5 硕士学位论文 n t a s f f r s i 1 i r s n 的光程可能很大，需要注意由于激光束发散造成的光束尺寸变化，导光系统 的孔径应当留有余地。 图 1 . 7直角坐标光斑移动系统 1 . 5 .3控制器综述 我们研究的激光打标控制系统属于一种数字程序控制，所谓数字程序控 制是指能根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨 迹、运动距离和运动速度等规律而自动完成工作的自 动控制。主要用于机床 自 动控制， 如:铣床、车床、线切割机、 焊接机、气割机等自 动控制系统中。 数字程序控制系统一般由输入装置、输出装置、控制器、和插补器四个 部分组成。 插补器用于完成插补运算。数字程序控制系统主要有两种类型: 1 、硬件控制系统， 又称为硬连接数控系统。 它实际上是由集成数字逻辑 硕士学位论文 n l k s i 王 r， s t i i e n s 电路构成的专用数字计算机，用于实现数字程序控制功能，如:线切割机、 数控机床等。 2 、微型机数控系统， 又称为软连接数控系统。 它采用微型计算机来实现 数字程序控制功能。由于微型计算机与硬件控制系统相比较具有可靠性高、 价格低、使用和维护方便、功能强、灵活性大、便于产品改进和升级、体积 小等一系列优点，特别是高性能低价格的单片微机的出现，使微型机控制系 统在各个领域得到了广泛的应用。 激光打标机的控制目 前基本上都是采用微型机数控系统， 但在具体实现 过程中又有多种不同的方法，主要有: 1 、以单片机开发的控制器实现控制 2 、以单片机开发的控制器为基础，辅以p c 机作为上位机实现控制 3 、主要以p c机及运行在其上的软件系统实现控制 即. 5 . 3 . 1以 单片 机开发的 控制器 实现 控制 仅用单片机实现对激光打标机的控制，其最大的优势在于实现的成本低， 而且控制器的体积小，特别有利于激光打标机的小型化。但其功能上却相对 简单，不能完成较复杂的功能，且打标内容的变更不容易，一般不能支持多 种图形格式的打标，而且打标的过程和打标的内容无法进行保存以及统计分 析。 引. 5 . 3 . 2以单片机为基础， 辅以p c 机作为上位机实现控制 将微机控制和单片机控制相结合的混合控制模式激光打标系统中， 由于图 形处理算法复杂，必须借助图形处理软件才能完成，因此将图形处理和打标 控制功能相分离，图形处理部分由 p c机完成，然后将生成的图形文件传至 单片机控制系统，最后操作打标控制器标刻出相应图形。系统流图如图 1 . 8 所示。 与原有的传统的 p c机实现的打标控制器相比较，这种打标控制器具有 如下优点: 1 . 实现了图形处理和打标控制功能的分离，这样打标图样可由专人设 计，便于统一管理， 而且只须配备一台p c 机即可， 不像原来每台打标机都要 配备一台p c 机，甚至一台普通的办公微机就可胜任，在将图形文件传送给单 片机系统后，微机就可以脱离单片机系统从事其他工作，成本较低。 2 . 休积/ h 、重量杆 。 3 功耗低，抗干扰能力强。 4 . 采用全按键操作，更加简便快捷。 图 1 . 8 单片激光打标控制器 与单片机实现的控制器相比，它可以实现一些比较复杂的图形功能，如 多中图形格式的支持，打标内容的修改等都比较方便。 但这种方法与单片机实现的控制器一样，打标的过程和内容无法进行保 存和统计分析。而且在打标内容需要动态变化的场合也并不适合。 引. 5 . 3 . 3传统的 以p c 机及运行在 其上的 软 件系 统实现 控制 目前激光打标控制器一般是采用安装有图形处理软件 ( 如 a u t o c a d 等) 和打标控制软件的p c机实现， 系统结构图如图1 .9 所示， 整个系统由上 位机 ( 工业p c机) 、步进电机控制卡，步进电机驱动器等组成。下面介绍各 部分功能: 上位机:上位机 ( 工业 p c机)通过控制软件对电机控制卡进行读写操 作，可向控制卡发送位置、速度、加速度命令。 步进电机控制卡: 控制卡根据上位机的命令产生脉冲序列， 脉冲个数( 位 1 8 硕士学位论文 a i a s 7 下r s l 7 i p . 5 s 置) 、 频率 ( 速度) 及频率变化率 加速度) 均受上位机控制2 8 1 步进电机驱动器: 步进电机驱动器根据接受的脉冲信号产生多拍节脉冲驱 动信号控制步进电机旋转。 系统的操作流程为用户先使用图形处理软件设计出待打标的图样， 再使用 打标控制软件标刻出相应的图样。 步进电机驱动卡 步进电机 图1 . 9 以p c 机为主激光打标控制系统 这种控制方式虽然控制器的功能较强，如可以处理多中图形格式等。但 它也存在着诸多的缺陷， 例如价格昂贵， 操作不便， 体积大不利于小型化等， 而且与前述几种控制器一样打标记录不便于保存和查询，在经常需要变化打 标内容的场合下使用起来也十分的不方便。 妇. 5 . 3 . 4激光打标机的p c 机软件控制方法 根据用户的要求和项目 的特点， 我们采用了p c机软件控制的方法实现对 激光打标机的控制，其基本结构如图1 . 1 0 所示。操作者对打标在轴承上的内 容可进行录入、修改，可对打标速度和打标效果进行调节，对打标后的数据 可进行存储、统计分析等。 这种控制方法中一般在p c机中 插入i s a总线的接口板， 通过接口板与 激光打标机的驱动电路相连接，驱动电路直接驱动激光打标机的光学和机械 部分。 p c机中运行的控制软件直接与接口电路进行交互，一般用面向对象的 1 9 硕士学位论文 n ms i l仪 c t i f s i s 程序设计语言进行设计，可使人机界面十分友好。 这种打标控制器可以将所有的打标历史记录全部保存下来，方便查询和 统计分析，在打标内容动态变化的场合下只需要通过人机界面修改打标内容 即可，不需要进行复杂的图形修改操作。 软件系统 p c机软件控制器系统的基本结构 1 . 6轴承专用激光打标机的控制要求 武汉楚天绿激光公司根据客户的实际要求，提出了如下的控制要求: ( 1 ) 可通过用户界面输入打标记录， 并可在打标后进行各种统计和查询。 打 标记录以日期加序列号作为主键 ( z ) 可通过键盘在用户界面上设定打标比例、 打标速度、 空走速度、 滞后补 偿等参数。 ( 3 ) 可在键盘上点动移动激光头位置，并可调整相对原点位置。 ( 4 ) 具备单次打标、 连续打标两种方式， 连续输出 打标记录是能打标在同一 位置上。 1 . 7本人主要工作与论文安排 1 . 7 . 1本人所做主 要工作 本项目是华中师范大学电子与计算机研究所和武汉楚天绿激光加工有限 责任公司共同参与的横向合作项目。本人在认真调查分析武汉楚天公司需求 的基础上， 通过了解国内外激光打标机的发展状况， 从而决定用p c机软件控 制系统实现对轴承专用激光打标机的控制。 轴承专用激光打标软件控制系统主要完成在打标内容的录入、 保存以及统 计等的基础上，对输入的打标内容进行打标输出，并包括了兼容原有系统的 单文件打标功能，以实现对单个图形文件的输出。系统还设置初始化功能， 用于对打标的速度以 及各种延迟等参数进行动态调节。 本人通过自行设计的软件系统实现了上述功能。 妇. 7 . 2论文内 容安排 本文首先介绍了国内外激光应用发展状况和激光打标的基本原理， 然后给 出了激光打标机几种典型控制方式。针对目 前控制方式的不足之处和用户的 需求， 提出采用p c机的软件控制策略， 并进行了轴承专用激光打标机的控制 系统软件设计，文章最后给出了提高控制精度的措施和进一步改进意见。论 文各章节安排如下: 第一章介绍激光打标机发展背景和国内外发展状况，分析三种控制 方式的工作原理; 第二章介绍激光器的工作原理: 第三章介绍数字程序控制理论; 第四章轴承专用激光打标机控制系统的设计，介绍其主要模块的功 能和设计要点; 第五章实用情况及改进意见 第二章激光器的原理 怪 2 . 1原子的能级 1 .原子的结构 原子是由原子核和电子组成的。 每个原子里有一个原子核， 它带有正由荷; 核外有一些电子，