一体化纳秒激光微加工数控系统设计

论文摘要

激光微加工凭借其加工方式灵活,使用方便,成本低,加工质量稳定可靠,污染少等特点,在半导体、微光学、精密机械等学科中得到了广泛的应用。开发具有自主知识产权的高精度激光微加工系统,对于发展我国精密制造业有着重要的现实意义。本文在认真调研和深入分析的基础上,针对传统激光加工系统的不足,设计了一种新的一体化纳秒激光微加工系统结构,以计算机为主控和运算平台,集成PCI总线运动控制板卡,结构紧凑,使用方便。在软件设计方面,针对新系统的特点,对早期版本的数控软件进行修改和优化;在深入了解核心器件SM5004和激光AVIA 355-3000功能的基础上,增加了新的插补格式和控制功能。系统实现了快速精确的加工,并通过实验验证了其功能,并选择出合适的加工参数与控制方式。本文主要完成了以下工作:1.构建系统整体方案,确定了以SM5004为运动控制核心器件,计算机为人机交互和数据处理,PCI总线为通讯接口的一体化设计方案;2.完成运动控制板卡硬件设计和调试;完成了所有CPLD硬件程序,包括运动控制指令预处理模块,激光控制模块和解码模块在内的设计和调试,3.提出了精确控制激光能量的方法;提出激光能量与运动控制插补信号相配合的能量控制方式,经过实验验证效果良好;4.完善原有数控软件,根据新系统的特点进行了格式、传输方式等方面的改变,并且增加了用户手动控制,画笔存储等功能;5.充分利用SM5004芯片的优点,增加了圆插补,手动控制,速度控制,画笔功能,反馈显示等功能,扩展了系统的应用范围,方便用户使用;6.完成系统联调,并进行激光加工实验,验证系统的可靠性、精确度和加工能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微加工和激光微加工
• 1.1.1 微细加工的发展和应用
• 1.1.2 激光微加工的优点和种类
• 1.1.3 国内外激光微加工的研究应用现状
• 1.2 激光加工原理和影响微加工的激光参数
• 1.2.1 激光原理、特点与分类
• 1.2.2 激光与物质相互间作用
• 1.2.3 影响加工的激光参数
• 1.3 本课题研究的主要内容和意义
• 第二章 系统整体构建
• 2.1 系统功能和总体设计
• 2.2 系统功能模块介绍
• 2.2.1 激光器
• 2.2.2 光路系统设计
• 2.2.3 CCD 监控
• 2.2.4 二维运动平台
• 2.2.5 工作站
• 第三章 工作站硬件设计
• 3.1 工作站硬件总体设计
• 3.2 核心器件——运动控制芯片SM5004
• 3.2.1 运动控制芯片SM5004 介绍
• 3.2.2 运动控制算法
• 3.3 控制卡上的桥梁——MAX3000A 系列CPLD
• 3.3.1 MAX3000A 系列CPLD 简介
• 3.3.2 解码模块
• 3.3.3 运动控制指令预处理模块
• 3.3.4 激光控制模块
• 3.4 电脑与控制板卡之间的通讯
• 3.4.1 PCI 总线特点与时序
• 3.4.2 芯片简介
• 3.4.3 CH365 工作模式设定
• 第四章 软件设计
• 4.1 数控软件功能设计
• 4.1.1 数控软件整体信息流程
• 4.1.2 软件功能结构
• 4.2 人机界面设计
• 4.2.1 整体界面
• 4.2.2 错误处理
• 4.3 图形文件处理
• 4.3.1 图形文件简介
• 4.3.2 文件打开和数据提取
• 4.3.3 图形显示
• 4.4 参数计算与插补功能
• 4.4.1 基本参数计算
• 4.4.2 画笔iPenType
• 4.4.3 插补
• 4.4.4 状态反馈
• 4.5 通讯
• 4.5.1 PCI 协议和时序参数
• 4.5.2 CH365 动态链接库函数
• 4.5.3 初始化与使用
• 第五章 实验与分析
• 5.1 实验环境介绍
• 5.2 激光参数实验
• 5.2.1 PulseTrack 模式下触发脉宽/能量比系数的确定
• 5.2.2 激光能量、重复率与运动速度的合理设置
• 5.3 激光控制与运动控制的配合
• 5.3.1 出光控制
• 5.3.2 电机控制脉冲触发激光脉冲
• 5.4 运动控制系统功能实验
• 5.4.1 运动平台速度测试
• 5.4.2 圆弧插补加工
• 5.4.3 误差分析与补偿
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢