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激光微加工系统中若干关键技术的研究

作　者: 杨雷
导　师: 姚建铨；梁二军
学　校: 郑州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 光栅尺 加工轨迹 关键技术 步进电机驱动 分辨率 运动控制 执行机构 EPF10K10 PC计算机 设定器
分类号: TN24
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要


激光微加工具有加工条件较易满足、功率密度高、加工对象广泛、自动化程度高等特点，得到了广泛的应用。在激光微加工系统中，激光为能量提供者，被加工的工件为能量接受者。加工的过程是激光与物体表面相对运动，从而实现各种方式的加工。在研制的激光微加工系统中采用了工件运动、加工光源固定的方式。本文针对系统中运动控制系统部分提出了系统的设计方案，依据该方案完成了系统的设计、安装和调试工作。 1 控制系统组成。控制系统由设定器、数字控制器、输入通道(位置检测)、后向通道(执行机构)四部分组成。PC计算机作为设定器将控制的目标值(加工轨迹)下载至数字控制器，数字控制器是控制系统的核心部件，它由硬件电路和程序两部分组成，控制规律以及控制算法由数字控制器完成。数字控制器通过前向通道(光栅尺)完成对位置信号的采集，经数据处理，通过控制算法输出经执行机构(基于步进电机的X—Y平台)驱动完成闭环的运动控制。 2 执行机构和反馈部件的选择。运动控制是由电机带动X—Y平台来实现的，步进电机能够将控制器发出的脉冲信号变为X—Y平台的位移。相对于其他测长传感器而言，因为光栅尺具有精度高、响应速度快等优点，尤其是输出信号可以直接与数字电路接口且能方便地安装在X—Y平台上，很适合于本系统使用。因为步进电机具有积分的性能，在理论上能够实现无静差控制，但实际控制系统中，执行机构和反馈部件的分辨率决定了系统中存在着稳态误差。X—Y平台的步进分辨率与反馈部件的分辨率决定了系统的静态误差，在本系统中X—Y平台步进分辨率为1.25μm，光栅尺的分辨率为(经四细分)1μm，决定了静态误差能控制在2μm以内。 3 步进电机的驱动和光栅尺信号的处理。基于TA8435H步进电机驱动集成芯片完成了两相矢量步进电机驱动电路的设计与实现，整个驱动电路简洁可靠。本系统采用单片EPF10K10(FPGA芯片)完成了光栅尺信号处理模块的设计，包括X、Y两个方向的四细分辨向电路、18位的计数电路，锁存接口电路、地址译码电路，总线接口等功能单元。本系统采用了单片EPF10K10，如果用通用的逻辑集成电路设计，需要几十片。同时该模块响应速度快，与MCU接口时是直接的并行输入输出，访问的时间很短，为几个微秒。在系统中，可以认为延时时间为0，光栅尺信号处理模块的传递函数为H(z)=1，符合系统中的动态特性的要求。光栅尺的栅距为4μm，智能模块经四细分辨向后分辨率为1 pm，满足系统对反馈部件分辨率的要求。 4加工的运动轨迹文档的形成。PC计算机可以通过三种方式形成工件加工轨迹文档并下载至控制器:(l)利用被观察的工件的CCD图象的像素点的位置与工件在x一Y平台的坐标的对应关系形成加工轨迹在CRT上通过键盘(或鼠标)的移动形成加工轨迹;(2)利用在计算机上编辑的WORD、TXT、BMP文档经二值化转换形成的点阵图作为加工轨迹文档;(3)经各种图像输入设备得到的图像文件经图像处理和二值化转换形成的点阵图作为加工轨迹文档。 5运动控制的实现。在定位控制中，对步进电机采用闭环和加减速控制，通过算法可以将误差控制在2声m以内;在轨迹控制中，在速度低于2.5浏时s时(脉冲频率ZKHz)，基于光栅尺的闭环系统中，控制误差在2 pm以内。 6本系统采用的电磁兼容性措施(包括SMR抗干扰措施以及光电隔离等)和在设计安装过程中的采取的其他可靠性措施保证了控制系统安全、可靠地运行。、沙

全文目录


第一章 激光微加工系统的应用及系统组成  9-21
  第一节 激光微加工是微加工技术中的有力竞争者  9-10
    一 “三束”微细加工技术的进展  9-10
    二 激光微加工的特点  10
  第二节 激光微加工技术的应用及发展概况  10-16
    一 激光微加工的应用  10-13
    二 激光微加工国内外发展概况  13-14
    三 激光微加工的发展前景  14-16
  第三节 激光微加工系统的组成及性能指标  16-19
    一 系统组成  16-17
    二 光学系统的性能参数  17-18
    三 运动控制系统的性能要求  18
    四 问题的提出  18-19
  第一章 参考文献:  19-21
第二章 运动控制系统分析  21-35
  第一节 运动控制系统的组成和工作原理  21-23
    一 系统组成  21-22
    二 控制系统的工作原理  22-23
  第二节 运动控制系统的分析  23-27
    一 二维运动控制系统的解耦问题  23-25
    二 控制系统的稳态误差分析  25
    三 实际控制工程中的稳态误差  25-26
    四 闭环系统的零极点以及对系统动态性能的影响  26-27
  第三节 执行机构和反馈部件的选择  27-31
    一 对执行机构和反馈部件的要求  27-28
    二 反馈部件的选择  28
    三 执行机构的选择  28-31
  小结  31-32
  第二章 参考文献:  32-35
第三章 控制系统的输入输出通道  35-61
  第一节 步进电机的控制信号  35-37
    一 步进电机控制电路的功能  35-36
    二 步进电机控制电路的设计方案  36-37
  第二节 基于TA8435H的步进电机控制电路  37-42
    一 TA8435H芯片介绍  37-38
    二 TA8435H芯片的工作方式  38-39
    三 绕组电流的波形图  39-40
    四 基于TA8435H芯片的步进电机控制电路  40-41
    五 步进电机的限位保护  41-42
  第三节 光栅传感器  42-48
    一 光栅传感器的基本原理  42-44
    二 光栅尺传感器的信号输出  44-46
    三 光栅尺信号的处理  46
    四 光栅尺信号接口电路方案选择  46-48
  第四节 基于EPF10K10光栅尺信号处理模块  48-56
    一 可编程逻辑器件的系统设计方法  48-49
    二 辨向细分电路的设计  49-50
    三 计数电路的设计  50-52
    四 智能接口的设计  52-54
    五 处理电路模块的分辨率和动态特性  54-56
  第三章 参考文献:  56-61
第四章 控制系统中的数字控制器  61-80
  第一节 控制器的组成及功能  61-62
    一 控制器的功能  61-62
    二 控制器组成  62
  第二节 控制器的核心部件及最小系统  62-66
    一 主控核心部件AT89C52  62-63
    二 最小系统组成  63-66
  第三节 控制器的外围接口电路  66-71
    一 计算机与AT89C52C的通讯  66
    二 控制器与光栅尺信号接口电路  66-68
    三 控制器与电机控制电路的接口  68-69
    四 键盘与数码显示接口电路  69-70
    五 控制器与光开关电路的接口  70-71
  第四节 系统的电磁兼容性设计  71-77
    一 干扰及干扰源  71-72
    二 设计中采取的常规措施  72-73
    三 SMR(Step Mark Reset)抗干扰措施的应用。  73-75
    四 系统中采用的其它可靠性措施  75-77
  第四章 参考文献:  77-80
第五章 运动控制系统运动目标轨迹的获取  80-99
  第一节 加工工件观察的实现  80-85
    一 CCD摄像机工作原理  80-81
    二 图像采集卡工作原理  81-82
    三 视频采集软件  82-85
  第二节 图像处理及变换  85-94
    一 图像输入设备  85
    二 彩色图变为灰度图  85-86
    三 图像的几何变换  86-88
    四 用直方图修改技术进行图像增强  88-93
    五 图像处理的实现  93-94
  第三节 被加工工件运动轨迹的文档形成  94-97
    一 运动轨迹模式及坐标转换  94
    二 基于工件图像观察的加工轨迹形成  94-95
    三 基于图像处理的加工轨迹形成  95-96
    四 对文本的处理  96-97
  第五章 参考文献:  97-99
第六章 运动控制系统的功能实现  99-120
  第一节 PC计算机与控制器的通讯  99-100
  第二节 X-Y平台的定位控制  100-104
    一 步进电机的数学模型  100-102
    二 步进电机的加减速控制  102-104
  第三节 逐点比较法直线插补  104-109
    一 第一象限内的直线插补  104-106
    二 不同象限直线插补算法  106
    三 第一象限直线插补的程序实现  106-109
  第四节 逐点比较圆弧插补  109-112
    一 第一象限内的逆圆弧插补  109-110
    二 四个象限的圆弧插补  110-112
  第五节 负反馈控制的实现及效果  112-116
    一 引入反馈环节的必要性  112-114
    二 反馈控制的实现  114-115
    三 反馈控制的效果  115-116
  小结  116-117
  第六章 参考文献:  117-120
第七章 总结  120-121

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 激光技术、微波激射技术
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