激光微加工系統(tǒng)及基于DSP+FPGA的控制單元設(shè)計

激光加工是一種研究激光與材料相互作用的技術(shù)，也是國家重點支持和推動應(yīng)用的一項高新技術(shù)，近些年我國激光加工機(jī)的銷售額年增長率保持在20％左右 [1]。發(fā)達(dá)國家的加工業(yè)已逐步進(jìn)入“光加工”時代。目前，一些國際性大公司積極采用先進(jìn)的激光加工技術(shù)，以提高產(chǎn)品的競爭力，其中納秒脈沖激光的微細(xì)加工已成為加工技術(shù)發(fā)展的前沿之一。

納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)以納秒脈沖激光作為光源，光束經(jīng)過光路系統(tǒng)調(diào)整會聚后照射到載物臺上，配合運動平臺的運動，完成微結(jié)構(gòu)的加工。系統(tǒng)對控制單元的要求很高，包括圖形的編輯、數(shù)據(jù)處理能力和同步的運動控制算法。現(xiàn)有激光加工機(jī)的控制單元多采用2種控制方式[2，3]：(1)基于PC的系統(tǒng)，運算能力強(qiáng)大，可實現(xiàn)圖形編輯等功能，但是不能脫離PC獨立運行，成本高；(2)以單處理器為核心的方式，缺點是單處理器的運算能力有限，很難實現(xiàn)高速和復(fù)雜圖形的加工。數(shù)字信號處理芯片DSP和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的出現(xiàn)，為加工系統(tǒng)控制單元的性能提升提供了新的手段。本文利用上位機(jī)Visual C++軟件平臺實現(xiàn)圖形的解析和編輯功能，利用DSP的高速數(shù)字信號處理能力和FPGA的多路并行處理能力，設(shè)計了系統(tǒng)的控制硬件，使納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)的加工效果更好。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)主要包括：控制單元、激光器、機(jī)械結(jié)構(gòu)和光路系統(tǒng)四部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

激光器是系統(tǒng)的加工工具，采用美國相關(guān)公司的AVIA－355 nm脈沖激光器。不同于早期的連續(xù)激光，此激光器有更多的參數(shù)和模式選擇，包括激光脈沖頻率﹑激光脈沖寬度和激光能量等，并且可以選擇是單脈沖加工、多脈沖加工還是連續(xù)脈沖加工，使得激光器的控制難度大大高于對連續(xù)激光器的控制。

運動平臺和光路系統(tǒng)作為加工的硬件部分，需要根據(jù)激光器的指標(biāo)和要實現(xiàn)的加工精度進(jìn)行設(shè)計。本系統(tǒng)的二維運動平臺為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的絲杠螺桿傳動的平臺，行程是200 mm×200 mm，運動速度最大為40 mm/s，32細(xì)分下分辨率是650 nm。平臺采用57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動器采用雷賽M335B型號，輸入方向和速度驅(qū)動信號便可實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運動控制，并具有良好的精度。載物臺放于運動平臺上方，配有吹氣裝置，通過控制出氣孔的大小來控制出氣壓力。光學(xué)系統(tǒng)包括反射鏡片組，半透半反鏡片，聚焦物鏡和CCD共焦調(diào)整鏡片。反射鏡片鍍有 355 nm波長的反射膜，反射率達(dá)到99%。聚焦物鏡將激光聚焦到物體表面，聚焦后光斑直徑小于20 μm。CCD主要用于調(diào)焦和加工的觀察。

控制單元是加工系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)主要完成加工圖形方面的工作，實現(xiàn)圖形文件的解析、圖形修改和參數(shù)設(shè)置等功能，然后將這些矢量數(shù)據(jù)和加工參數(shù)通過預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)格式傳輸給下位機(jī)；下位機(jī)則借助先進(jìn)的集成電路技術(shù)，完成對系統(tǒng)其他單元的控制。所以下位機(jī)系統(tǒng)需要有完善的控制算法，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時需要重點研究。

2 控制單元

控制單元是激光加工設(shè)備的關(guān)鍵部件，其性能直接決定了激光加工的質(zhì)量，尤其是圖形數(shù)據(jù)的處理和適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)是激光加工系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。國外很多優(yōu)秀激光加工設(shè)備主要依賴于高性能的數(shù)控系統(tǒng)才得以實現(xiàn)各種高質(zhì)量的加工。本系統(tǒng)控制單元分為上位機(jī)的圖形解析軟件和下位機(jī)的硬件系統(tǒng)。

2.1 上位機(jī)軟件平臺

本上位機(jī)軟件基于Visual C++軟件平臺開發(fā)，具有良好的圖形化界面，圖2為軟件界面。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，以功能模塊為單元的開發(fā)，有利于程序的維護(hù)和升級。實現(xiàn)的功能包括：利用繪圖控件，在軟件窗口內(nèi)繪制簡單的加工圖形；實現(xiàn)圖形文件的解析，如dxf格式的文件，把圖形顯示在軟件窗口中；把圖形按照加工算法分解為直線段，生成本系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)；加工參數(shù)的設(shè)置和通信功能。

軟件在后臺運算中，以直線段為基本單位對圖形進(jìn)行分解。對于曲線，則先將其分為許多直線段的擬合，然后按照直線段進(jìn)行分解。加工路徑也有兩種選擇方式：可以按照手動選取直線段的方式排序，也可按照系統(tǒng)默認(rèn)路徑選擇算法，由里向外、尋找最短路徑的方式，規(guī)劃出加工圖形的加工路徑。將這些加工數(shù)據(jù)和設(shè)定的加工速度、激光能量、脈沖重復(fù)率等參數(shù)一起，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)格式傳輸給下位機(jī)。