激光微加工系統及基于DSP+FPGA的控制單元設計

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(diǎn)支持和推動(dòng)應用的一項高新技術(shù)，近些年我國激光加工機的銷(xiāo)售額年增長(cháng)率保持在20％左右 [1]。發(fā)達國家的加工業(yè)已逐步進(jìn)入“光加工”時(shí)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以納秒脈沖激光作為光源，光束經(jīng)過(guò)光路系統調整會(huì )聚后照射到載物臺上，配合運動(dòng)平臺的運動(dòng)，完成微結構的加工。系統對控制單元的要求很高，包括圖形的編輯、數據處理能力和同步的運動(dòng)控制算法?，F有激光加工機的控制單元多采用2種控制方式[2，3]：(1)基于PC的系統，運算能力強大，可實(shí)現圖形編輯等功能，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(diǎn)是單處理器的運算能力有限，很難實(shí)現高速和復雜圖形的加工。數字信號處理芯片DSP和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA的出現，為加工系統控制單元的性能提升提供了新的手段。本文利用上位機Visual C++軟件平臺實(shí)現圖形的解析和編輯功能，利用DSP的高速數字信號處理能力和FPGA的多路并行處理能力，設計了系統的控制硬件，使納秒脈沖激光微加工系統的加工效果更好。

1 系統整體結構

納秒脈沖激光微加工系統主要包括：控制單元、激光器、機械結構和光路系統四部分。系統結構如圖1所示。

激光器是系統的加工工具，采用美國相關(guān)公司的AVIA－355 nm脈沖激光器。不同于早期的連續激光，此激光器有更多的參數和模式選擇，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脈沖加工，使得激光器的控制難度大大高于對連續激光器的控制。

運動(dòng)平臺和光路系統作為加工的硬件部分，需要根據激光器的指標和要實(shí)現的加工精度進(jìn)行設計。本系統的二維運動(dòng)平臺為步進(jìn)電機驅動(dòng)的絲杠螺桿傳動(dòng)的平臺，行程是200 mm×200 mm，運動(dòng)速度最大為40 mm/s，32細分下分辨率是650 nm。平臺采用57步進(jìn)電機驅動(dòng)。電機驅動(dòng)器采用雷賽M335B型號，輸入方向和速度驅動(dòng)信號便可實(shí)現步進(jìn)電機的運動(dòng)控制，并具有良好的精度。載物臺放于運動(dòng)平臺上方，配有吹氣裝置，通過(guò)控制出氣孔的大小來(lái)控制出氣壓力。光學(xué)系統包括反射鏡片組，半透半反鏡片，聚焦物鏡和CCD共焦調整鏡片。反射鏡片鍍有 355 nm波長(cháng)的反射膜，反射率達到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主要用于調焦和加工的觀(guān)察。

控制單元是加工系統的關(guān)鍵部分，包括上位機和下位機兩部分。上位機主要完成加工圖形方面的工作，實(shí)現圖形文件的解析、圖形修改和參數設置等功能，然后將這些矢量數據和加工參數通過(guò)預先設定的數據格式傳輸給下位機；下位機則借助先進(jìn)的集成電路技術(shù)，完成對系統其他單元的控制。所以下位機系統需要有完善的控制算法，在進(jìn)行系統設計時(shí)需要重點(diǎn)研究。

2 控制單元

控制單元是激光加工設備的關(guān)鍵部件，其性能直接決定了激光加工的質(zhì)量，尤其是圖形數據的處理和適當的控制技術(shù)是激光加工系統的關(guān)鍵部分。國外很多優(yōu)秀激光加工設備主要依賴(lài)于高性能的數控系統才得以實(shí)現各種高質(zhì)量的加工。本系統控制單元分為上位機的圖形解析軟件和下位機的硬件系統。

2.1 上位機軟件平臺

本上位機軟件基于Visual C++軟件平臺開(kāi)發(fā)，具有良好的圖形化界面，圖2為軟件界面。采用面向對象的設計思想，以功能模塊為單元的開(kāi)發(fā)，有利于程序的維護和升級。實(shí)現的功能包括：利用繪圖控件，在軟件窗口內繪制簡(jiǎn)單的加工圖形；實(shí)現圖形文件的解析，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(xiàn)段，生成本系統的加工數據；加工參數的設置和通信功能。

軟件在后臺運算中，以直線(xiàn)段為基本單位對圖形進(jìn)行分解。對于曲線(xiàn)，則先將其分為許多直線(xiàn)段的擬合，然后按照直線(xiàn)段進(jìn)行分解。加工路徑也有兩種選擇方式：可以按照手動(dòng)選取直線(xiàn)段的方式排序，也可按照系統默認路徑選擇算法，由里向外、尋找最短路徑的方式，規劃出加工圖形的加工路徑。將這些加工數據和設定的加工速度、激光能量、脈沖重復率等參數一起，根據預先設定的數據格式傳輸給下位機。