应用于激光微孔成型的控制技术研究与系统开发

论文摘要

近年来,激光技术在我国的先进制造业特别是微加工领域得到了迅猛的发展,作为一种新兴的加工技术,其有着非接触,无磨损,无污染,效率高,附加值高等传统技术无法比拟的先进性和优越性,正在逐步取代现有技术成为主流。激光微孔成型技术是激光微加工领域的一个非常重要的部分,它的发展在微孔加工领域带来了一场技术革命,受到了越来越多的企业的重视。目前国外在激光微孔加工上已经实现了自动化,采用一体化的激光及工作台控制系统,已经能够实现加工20微米以下的微孔。而国内由于控制技术的缺乏,大多数还是采用手动或半自动的加工方式,只能加工30微米以上的小孔,无法加工附加值极高的微孔,微孔加工设备只有依靠从国外成套引进,价格及维护成本都非常高。因此,开发微孔加工控制系统,使国内的微孔加工技术达到国际先进水平是十分必要的。本论文基于上述背景开发了一套用于硬脆材料微孔加工设备的控制系统。激光微孔加工控制系统开发是我所承担的市科委专项<新一代硬脆材料微小异型孔激光精密加工技术及工艺研究>的重要组成部分,也是所开发设备的核心,并获得了专利。首先,文中论述了目前国内外激光微孔加工技术的应用和发展,以及其优越性和发展的必要性。接着,通过分析比较确定了轮廓迂回法作为激光微孔的加工方法。基于此方法的加工设备包括:半导体泵浦全固态激光器、电源、冷却系统、导光系统、工作台、控制系统。论文对其中的可控部分(激光器、精密工作台)的要求进行了分析,随后根据实际情况,设计了控制系统的整体构架。然后,基于激光微孔加工在激光输出上的要求,选择了激光及并分析了所要求的激光器各主要参数,并根据分析选择了合适的工业板卡,通过使用工业板卡配合工业电脑实现对激光器的可控参数进行实时控制。随后,设计了基于DSP技术的精密工作平台控制系统。通过大量调研分析,完成了包括单片机选用、步进电机及其驱动器的分析和驱动电路的设计,同时为了确保精度还设计了光栅位置检测系统。此控制系统使工作台加工时的精度完全达到了设计要求。接着,针对激光微孔加工开发了专用软件。根据激光微孔加工的特殊性,开发出了一套实用的控制软件,使用了双线程,换肤界面等多项技术,实现了微孔加工设备的一体化控制,在实际应用中得到了肯定。同时,率先建立了微孔加工相关数据库最后,论文分析了系统的抗干扰性。重点分析了精密工作平台控制系统的抗干扰。通过采取软件抗干扰和硬件抗干扰的措施,使所设计的系统能满足工业化的要求。该微孔加工控制系统的完成,填补了国内在微孔加工控制领域的空白,具有良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
• 1.1 前言
• 1.2 激光精细加工简介
• 1.3 激光精细加工在国内外的发展现状和趋势
• 1.3.1 国外发展现状和趋势
• 1.3.2 国内发展现状和趋势
• 1.4 新颖激光微孔成型技术
• 1.5 激光打孔的优点
• 1.6 激光微孔加工设备
• 1.7 本课题研究的内容和意义
• 第二章 硬脆晶体材料激光微孔加工技术及控制系统框架
• 2.1 激光微孔加原理
• 2.2 激光打孔的方法
• 2.2.1 掩膜钻孔法
• 2.2.2 复制法
• 2.2.3 轮廓迂回法
• 2.3 激光参数特性对加工的影响
• 2.3.1 激光脉冲能量
• 2.3.2 光束直径及光束质量
• 2.3.3 脉冲宽度
• 2.3.4 聚焦
• 2.4 激光参数控制分析
• 2.5 精密位移工作台要求分析
• 2.6 系统框架设计
• 2.6.1 微孔加工步骤
• 2.6.2 控制系统框架
• 第三章 应用于新型调Q固体激光器的控制系统
• 3.1 激光器接口分析
• 3.2 PCL-836工业控制板卡
• 3.3 激光控制系统基本结构
• 第四章 数控精密工作台及其控制系统设计
• 4.1 工作台设计要求
• 4.2 主要控制器件的选择
• 4.2.1 控制器功能及选择
• 4.2.2 步进电机驱动高精度工作台
• 4.3 高精度工作台驱动控制系统搭建
• 4.3.1 TMS320LF2407系统板的设计
• 4.3.2 步进电机及细分驱动
• 4.4 光栅尺定位系统设计
• 4.4.1 光栅及光栅测量
• 4.4.2 光栅尺输出信号处理
• 第五章 控制软件设计
• 5.1 基于windows系统的主控机软件设计要求
• 5.1.1 界面设计要求
• 5.1.2 功能要求
• 5.2 多线程
• 5.3 软件界面换肤
• 5.4 双缓冲绘图
• 5.5 高精度定时器
• 5.6 激光硬脆材料微孔加工数据库
• 第六章 系统抗干扰措施
• 6.1 硬件抗干扰措施
• 6.2 软件抗干扰
• 第七章 结论
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献