纳秒脉冲激光微加工系统的设计与研究

论文摘要

脉冲激光微加工技术作为精密加工、微结构制造领域的先进加工技术之一,具有非接触、污染少、精度高、加工效果好、加工范围广等特点,在MEMS制造、航空航天、医疗仪器等领域得到了广泛的应用。本文设计的纳秒脉冲激光微加工系统,主要包括上位机软件、纳秒脉冲激光器、光路机械结构、传动系统、控制系统、辅助系统等部分。光源采用的是波长为355nm的紫外纳秒脉冲激光器,脉冲宽度小于40ns,重复频率从1Hz到100kHz可调。设计的光路机械结构用于引导光束,并将激光束聚焦于加工样品的表面。传动系统是由步进电机驱动的二维运动平台,步进精度为625nm。控制系统采用上位机图形处理、下位机控制加工的设计方案,以DSP和FPGA为核心的控制电路控制二维平台的运动和激光器的动作,完成脉冲激光微加工的过程。相关加工实验表明,本系统能够实现线宽20~50um的加工,并且合适的激光能量、加工速度和重复频率有助于改善加工的质量。本论文完成的主要工作如下:1.在分析纳秒脉冲激光加工原理的基础上,完成了系统的总体方案设计。2.具体设计了纳秒脉冲激光微加工系统的光路和机械结构,完成了系统的搭建。3.完成了基于DSP和FPGA为核心的下位机控制系统设计,并制作调试了硬件电路。4.完成了系统软件程序的设计及调试,包括并口通讯、DSP数据处理、FPGA加工控制等程序。5.利用纳秒脉冲激光微加工系统进行相关加工实验。分析了不同加工参数对加工效果的影响,并初步进行了改善加工效果的实验研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 激光加工技术
• 1.2.1 激光加工技术的特点及应用
• 1.2.2 激光加工技术的发展状况
• 1.2.3 脉冲激光微加工的优势和研究
• 1.3 本课题研究的意义和主要内容
• 第二章 纳秒脉冲激光微加工系统的总体设计
• 2.1 纳秒脉冲激光微加工
• 2.1.1 纳秒脉冲激光加工原理
• 2.1.2 加工质量的影响因素
• 2.2 系统总体设计
• 2.2.1 上位机软件
• 2.2.2 纳秒脉冲激光器
• 2.2.3 光路机械结构
• 2.2.4 传动系统
• 2.2.5 下位机控制系统
• 2.2.6 辅助系统
• 2.2.7 总体设计
• 第三章 控制系统硬件和软件设计
• 3.1 控制系统硬件设计
• 3.1.1 DSP 处理模块设计
• 3.1.2 FPGA 加工模块设计
• 3.2 控制系统软件设计
• 3.2.1 并口通讯程序
• 3.2.2 DSP 处理程序
• 3.2.3 FPGA 加工程序
• 第四章 实验与分析
• 4.1 实验系统参数及设计
• 4.2 加工参数实验
• 4.2.1 脉冲重复频率的影响
• 4.2.2 加工速度的影响
• 4.2.3 激光能量的影响
• 4.2.4 小结
• 4.3 加工效果改进实验
• 4.4 系统加工实验
• 4.5 实验总结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢