声光调Q Nd:YAG脉冲激光整形青铜CBN砂轮测控系统设计与试验研究

论文摘要

本文根据声光调QYAG激光器整形青铜CBN砂轮的整形精度要求,从硬件和软件两个方面对控制系统进行设计。基于激光三角测量原理,从PSD光敏表面接受测量激光源能量的角度,重建激光三角测量公式。分析了误差产生的原因和提出了误差补偿的办法。 基于朗伯定律重建激光三角测量公式,分析了结构参数对激光三角测量分辨率的影响和测量误差产生原因:测量光源的入射光斑直径越小测量误差越小;测量光源应具有一定的功率范围,如果测量光源功率过低,PSD的接收光功率很小,光电信号弱,信噪比降低,信号波动增大,使测量精度降低;并采用扩束和非球面透镜组合光路、恒聚焦激光三角测量光路,减少误差,提高测量精度。 根据试验要求从硬件和软件两个方面设计控制系统。计算了在控制的过程中由于控制装置的反应时间产生的延迟误差,在系统的软硬件设计中,使用模块化设计,根据不同的功能将系统划分为不同的功能模块,并分别对不同的模块进行设计,调试,然后调试整个控制电路板。 硬件方面按功能划分为:二阶低通滤波器,A/D转换,复位电路,电源监测保护,晶振电路,D/A转换等功能模块。对于以上功能模块分别从技术指标和整个试验设计的角度进行设计。同时由于本控制系统中既有模拟信号,又有数字信号,为了防止相互干扰和环境干扰,采用了滤波,敷铜,接地,数字地和模拟地分开,旁路电容等抗干扰措施,防止信号失真。 为了实现硬件功能,设计软件对硬件功能模块进行控制。在软件中使用主程序进行循环计算和各个中断服务程序分别对上面的硬件功能模块进行管理。同时使用DMA进行数据传输提高A/D,D/A转换器的吞吐量,节省了数据转移的时间。采用看门狗软中断,提高了系统软件的稳健性。 选用合适的激光参数和工艺参数,采用上述测控装置进行声光调QYAG激光器烧蚀整形青铜CBN砂轮试验,使用千分表对青铜CBN砂轮在整形过程中和整形完成后分别按逆时针方向测量其圆度误差,测量整形后圆度和该砂轮整形前的圆度进行比较,可以看出得到较高的整形精度;从而验证了本文设计的测控装置能够控制声光调QYAG脉冲激光对青铜CBN砂轮进行整形,得到较理想的整形精度(16μm)。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 青铜 CBN砂轮的特点及应用
• 1.1.1 青铜 CBN砂轮的特点
• 1.1.2 青铜 CBN砂轮的应用
• 1.2 青铜结合剂 CBN砂轮的修整方法
• 1.2.1 青铜结合剂 CBN砂轮传统修整方法的现状
• 1.2.2 激光整形青铜结合剂 CBN砂轮
• 1.3 国内外激光修整砂轮研究现状
• 1.3.1 激光修整青铜 CBN砂轮的进展
• 1.3.2 国内外对激光加工控制系统研究的现状
• 1.3.3 国内外对控制激光加工尺寸精度的研究现状
• 1.3.4 激光加工的运动控制方式
• 1.4 课题的来源
• 1.5 本课题的研究意义
• 1.6 本课题的研究内容
• 1.7 小结
• 第2章 激光三角测量原理与测量误差
• 2.1 光电位置传感器 PSD的原理及选用
• 2.1.1 PSD传感器的位置检测原理
• 2.1.2 光电位置传感器 PSD的选用
• 2.2 激光三角测量
• 2.2.1 基于几何光学理论的激光三角测量位移原理
• 2.2.2 基于朗伯定律的激光三角测量位移原理
• 2.2.3 误差的校正方法
• 2.3 小结
• 第3章 控制原理和控制系统的硬件设计
• 3.1 声光调 Q激光器的原理
• 3.1.1 声光调 Q原理
• 3.2 声光调 QYAG脉冲激光整形控制系统
• 3.2.1 闭环控制系统的原理
• 3.2.2 控制系统的硬件设计
• 3.2.3 低通滤波器选用的原因
• 3.2.4 二阶低通滤波器的设计
• 3.2.5 A/D电路设计部分
• 3.2.6 晶体电路
• 3.2.7 D/A转换电路
• 3.2.8 电源工作电压监控
• 3.2.9 积分型复位电路
• 3.2.10 PCB板中的抗干扰处理
• 3.3 小结
• 第4章 控制系统软件设计
• 4.1 软件介绍
• 4.2 控制系统软件编程设计
• 4.2.1 系统复位和初始化
• 4.2.2 电源管理模块的中断服务程序设计
• 4.2.3 基本时钟模块
• 4.2.4 A/D转换部分
• 4.2.5 DMA
• 4.2.6 单片机的自举
• 4.2.7 D/A转换部分
• 4.2.8 “看门狗”技术
• 4.2.9 软件主程序
• 4.3 小结
• 第5章 声光调 QYAG脉冲激光整形青铜 CBN砂轮试验
• 5.1 试验材料
• 5.2 试验装置
• 5.3 试验参数
• 5.4 工艺参数的选取
• 5.4.1 车床转速的选取
• 5.4.2 轴向进给量的选取
• 5.5 各激光参数的选取
• 5.5.1 声光调 Q单脉冲平均功率密度
• 5.5.2 青铜和 CBN熔点的功率密度
• 5.6 试验与试验结果分析
• 5.6.1 实验结果的测量与分析
• 5.7 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的学术论文目录）
• 附录B （软件程序源代码）