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?，F(xiàn)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(tǒng)，運算能力強大，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)電機驅(qū)動。電機驅(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，包括上位機和下位機兩部分。上位機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；下位機則借助先進(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的圖形解析軟件和下位機的硬件系統(tǒng)。

2.1 上位機軟件平臺

本上位機軟件基于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。

2.2 下位機硬件系統(tǒng)

下位機硬件系統(tǒng)是以DSP和FPGA為核心的控制單元。為了減少通信的數(shù)據(jù)量，上位機軟件平臺僅僅完成對圖形的簡單解析，大量的數(shù)據(jù)處理工作由DSP 來完成，通過對圖形數(shù)據(jù)和加工參數(shù)的接收處理，生成X/Y方向的速度、方向、加工時間(對應(yīng)直線段的長度)和激光的參數(shù)。FPGA用來實現(xiàn)對運動平臺的控制。圖3為硬件系統(tǒng)的原理框圖。

DSP采用TI公司的TMS320VC5501定點型處理器。該芯片主頻最高為300 MHz，存儲空間為16 KB，支持SDRAM的接口和低內(nèi)核電壓，內(nèi)部集成2個乘法器，每個乘法器在單周期可執(zhí)行17位的乘法運算，滿足微加工系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理方面的要求。DSP 實現(xiàn)的主要工作：與上位機通信；對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與讀??；對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，生成符合FPGA工作的加工數(shù)據(jù)格式；把加工數(shù)據(jù)存儲到FPGA加工數(shù)據(jù)區(qū)。

SDRAM用來存儲上位機發(fā)送來的動態(tài)圖形數(shù)據(jù)。當(dāng)開始加工時，DSP從SDRAM中讀取圖形數(shù)據(jù)，按照步進(jìn)電機的控制算法，對每一條直線段進(jìn)行處理。同時通過RS232串口改變激光的工作模式、能量和脈沖重復(fù)率等參數(shù)，并控制激光器的出光。FLASH存儲器用來存放DSP程序，每次上電后，程序自動由FLASH加載到DSP內(nèi)存。CPLD作為DSP的橋路來連接其他器件。

FPGA采用Altera公司的Cyclone系列器件EP1C6T144。EP1C6系列FPGA擁有5 980個邏輯單元和20個M4K RAM塊，總計92 160 bit的內(nèi)置RAM。利用FPGA的高速同步處理特點，實現(xiàn)對多維運動的控制。使用Verilog HDL語言，在Quartus Ⅱ環(huán)境下編寫完成。在一片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)了多軸完全相同但彼此相互獨立的操作模塊，又集成了多軸聯(lián)動的處理機制。根據(jù)DSP計算出來的單條直線段的 X/Y速度，輸出對應(yīng)頻率的方波信號控制步進(jìn)電機的運動。加工時間作為定時器參數(shù)控制所加工直線段的長度，在定時到達(dá)后，無延遲地切換到下條直線段的執(zhí)行。為了避免等待數(shù)據(jù)造成的加工停頓，F(xiàn)PGA加工模塊采用了雙存儲器交替加工的結(jié)構(gòu)，即在FPGA內(nèi)部有2個完整的存儲單元，每個存儲單元包括4個存儲區(qū)：X軸的速度、Y軸的速度、直線段加工時間和激光器的參數(shù)。每個存儲區(qū)最多可以保存128條加工數(shù)據(jù)。當(dāng)FPGA執(zhí)行其中一個存儲單元的加工數(shù)據(jù)時，DSP可以計算并把加工數(shù)據(jù)寫入另一存儲單元，如圖4所示。

為了防止從步進(jìn)電機驅(qū)動器引入干擾信號到FPGA，在FPGA輸出到電機驅(qū)動器的每路信號上都采用了光電隔離器。此外，為了提高系統(tǒng)精度，有很多輔助設(shè)置應(yīng)用于系統(tǒng)中，這些信號都接入到FPGA，由FPGA進(jìn)行監(jiān)控。如采用輔助氣體提高加工效果，通過限位開關(guān)進(jìn)行運動保護(hù)等。

2.3 數(shù)據(jù)算法及誤差處理

加工圖形包括了直線、圓、圓弧和其他曲線。按照加工精度要求，在上位機軟件中把圓等曲線分解為一系列首尾相連的矢量，即全部按照直線段進(jìn)行加工。在直線的加工過程中，根據(jù)步進(jìn)電機的特性，靜止?fàn)顟B(tài)時有靜摩擦。為了克服靜阻力，使電機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，在對電機的控制上，必須有加減速區(qū)的設(shè)置，實現(xiàn)“S”型的步進(jìn)電機控制曲線(如圖5所示)，從而避免了因為起速或減速過快造成的振動，使步進(jìn)電機產(chǎn)生丟步的現(xiàn)象。加工時電機將按給定的速度逐級變化，V1是步進(jìn)電機能平穩(wěn)啟動的速度，V是設(shè)置的圖形加工速度?？梢姡訙p速區(qū)就是用多段幅值較小的速度變化替代一次較大的速度變化。對速度的細(xì)分可以采用列表的方式，DSP在進(jìn)行輸出處理時，將根據(jù)直線段的長短和要求的加工速度，計算得出加減速區(qū)的級數(shù)。系統(tǒng)采用FPGA定時的方式對加工的長度進(jìn)行控制，故本系統(tǒng)采用固定每級的加工時間TC來進(jìn)行加減速區(qū)的處理。

按照上面的算法和處理原理進(jìn)行了整個系統(tǒng)的設(shè)計，但是加工效果并不好，有些地方圖形不閉合。通過分析加工算法發(fā)現(xiàn)，加工誤差主要來源于累積誤差和 FPGA誤差。

為了提高精度，DSP內(nèi)部按照浮點數(shù)據(jù)格式運算，但是送給FPGA的數(shù)據(jù)卻是整型數(shù)據(jù)，所以在從浮點轉(zhuǎn)整型數(shù)據(jù)的過程中，小數(shù)位被丟失。當(dāng)矢量個數(shù)很多時，舍棄的小數(shù)位數(shù)據(jù)進(jìn)行大量累積，使加工效果變差。作為一個現(xiàn)場可編程邏輯芯片，F(xiàn)PGA因為其高速同步的特點，被用于對電機的控制，但其也有自身的缺陷。在排除了其他誤差的可能性后，對FPGA的性能進(jìn)行了標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)隨著速度的提高，F(xiàn)PGA的輸出會產(chǎn)生錯誤。根據(jù)高精度計數(shù)器的標(biāo)定，當(dāng)電機控制信號速度變大后，會有不同程度的脈沖個數(shù)丟失。

在經(jīng)過對上面兩個誤差的修正后，選用硅（100）進(jìn)行了部分微加工的實驗。通過光學(xué)顯微鏡對結(jié)果進(jìn)行觀測可知，系統(tǒng)實現(xiàn)了較好的微加工效果。在空氣環(huán)境下，采用20 kHz的激光頻率，獲得激光輸出能量為150 μJ，在2 mm/s的運動速度下加工出微六邊形，如圖6所示。

為了滿足微加工的需要，設(shè)計了納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)，尤其是實現(xiàn)了具有圖形解析和高速數(shù)據(jù)處理功能的控制單元，解決了現(xiàn)有設(shè)備的關(guān)鍵問題，使加工系統(tǒng)在操作性和精度上都有很大提升，為下一步工作的展開奠定了良好的基礎(chǔ)。