摘 要： 針對納秒脈沖激光title="微加工系統">微加工系統的發展，提出了一種集成圖形文件解析和高速運動控制的加工系統，包括控制單元、激光器、機械結構和光路系統。在介紹了各個部分的功能之后，重點分析了控制單元，包括上位機圖形解析平臺及以DSP和FPGA為核心的下位機控制硬件。通過實驗分析和算法優化，解決了加工誤差，在單晶硅表面得到了較好的微結構加工效果。
關鍵詞： 控制系統；DSP；FPGA；圖形解析；微加工系統
激光加工是一種研究激光與材料相互作用的技術，也是國家重點支持和推動應用的一項高新技術，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]。發達國家的加工業已逐步進入“光加工”時代。目前，一些國際性大公司積極采用先進的激光加工技術，以提高產品的競爭力，其中納秒脈沖激光的微細加工已成為加工技術發展的前沿之一。
納秒脈沖激光微加工系統以納秒脈沖激光作為光源，光束經過光路系統調整會聚后照射到載物臺上，配合運動平臺的運動，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控制算法。現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，缺點是單處理器的運算能力有限，很難實現高速和復雜圖形的加工。數字信號處理芯片DSP和現場可編程門陣列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現的加工精度進行設計。本系統的二維運動平臺為步進電機驅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細分下分辨率是650 nm。平臺采用57步進電機驅動。電機驅動器采用雷賽M335B型號，輸入方向和速度驅動信號便可實現步進電機的運動控制，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察。
控制單元是加工系統的關鍵部分，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預先設定的數據格式傳輸給下位機；下位機則借助先進的集成電路技術，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，在進行系統設計時需要重點研究。
2 控制單元
控制單元是激光加工設備的關鍵部件，其性能直接決定了激光加工的質量，尤其是圖形數據的處理和適當的控制技術是激光加工系統的關鍵部分。國外很多優秀激光加工設備主要依賴于高性能的數控系統才得以實現各種高質量的加工。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++軟件平臺開發，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發，有利于程序的維護和升級。實現的功能包括：利用繪圖控件，在軟件窗口內繪制簡單的加工圖形；實現圖形文件的解析，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，以直線段為基本單位對圖形進行分解。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。
2.2 下位機硬件系統
下位機硬件系統是以DSP和FPGA為核心的控制單元。為了減少通信的數據量，上位機軟件平臺僅僅完成對圖形的簡單解析，大量的數據處理工作由DSP來完成，通過對圖形數據和加工參數的接收處理，生成X/Y方向的速度、方向、加工時間(對應直線段的長度)和激光的參數。FPGA用來實現對運動平臺的控制。圖3為硬件系統的原理框圖。
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的接口和低內核電壓，內部集成2個乘法器，每個乘法器在單周期可執行17位的乘法運算，滿足微加工系統對數據處理方面的要求。DSP實現的主要工作：與上位機通信；對圖形數據進行存儲與讀?。粚D形數據進行計算處理，生成符合FPGA工作的加工數據格式；把加工數據存儲到FPGA加工數據區。
SDRAM用來存儲上位機發送來的動態圖形數據。當開始加工時，DSP從SDRAM中讀取圖形數據，按照步進電機的控制算法，對每一條直線段進行處理。同時通過RS232串口改變激光的工作模式、能量和脈沖重復率等參數，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的內置RAM。利用FPGA的高速同步處理特點，實現對多維運動的控制。使用Verilog HDL語言，在Quartus Ⅱ環境下編寫完成。在一片FPGA芯片上實現了多軸完全相同但彼此相互獨立的操作模塊，又集成了多軸聯動的處理機制。根據DSP計算出來的單條直線段的X/Y速度，輸出對應頻率的方波信號控制步進電機的運動。加工時間作為定時器參數控制所加工直線段的長度，在定時到達后，無延遲地切換到下條直線段的執行。為了避免等待數據造成的加工停頓，FPGA加工模塊采用了雙存儲器交替加工的結構，即在FPGA內部有2個完整的存儲單元，每個存儲單元包括4個存儲區：X軸的速度、Y軸的速度、直線段加工時間和激光器的參數。每個存儲區最多可以保存128條加工數據。當FPGA執行其中一個存儲單元的加工數據時，DSP可以計算并把加工數據寫入另一存儲單元，如圖4所示。
為了防止從步進電機驅動器引入干擾信號到FPGA，在FPGA輸出到電機驅動器的每路信號上都采用了光電隔離器。此外，為了提高系統精度，有很多輔助設置應用于系統中，這些信號都接入到FPGA，由FPGA進行監控。如采用輔助氣體提高加工效果，通過限位開關進行運動保護等。
2.3 數據算法及誤差處理
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行加工。在直線的加工過程中，根據步進電機的特性，靜止狀態時有靜摩擦。為了克服靜阻力，使電機平穩運轉，在對電機的控制上，必須有加減速區的設置，實現“S”型的步進電機控制曲線(如圖5所示)，從而避免了因為起速或減速過快造成的振動，使步進電機產生丟步的現象。加工時電機將按給定的速度逐級變化，V1是步進電機能平穩啟動的速度，V是設置的圖形加工速度?？梢?，加減速區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。對速度的細分可以采用列表的方式，DSP在進行輸出處理時，將根據直線段的長短和要求的加工速度，計算得出加減速區的級數。系統采用FPGA定時的方式對加工的長度進行控制，故本系統采用固定每級的加工時間TC來進行加減速區的處理。
按照上面的算法和處理原理進行了整個系統的設計，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現，加工誤差主要來源于累積誤差和FPGA誤差。
為了提高精度，DSP內部按照浮點數據格式運算，但是送給FPGA的數據卻是整型數據，所以在從浮點轉整型數據的過程中，小數位被丟失。當矢量個數很多時，舍棄的小數位數據進行大量累積，使加工效果變差。作為一個現場可編程邏輯芯片，FPGA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的性能進行了標定，發現隨著速度的提高，FPGA的輸出會產生錯誤。根據高精度計數器的標定，當電機控制信號速度變大后，會有不同程度的脈沖個數丟失。
在經過對上面兩個誤差的修正后，選用硅（100）進行了部分微加工的實驗。通過光學顯微鏡對結果進行觀測可知，系統實現了較好的微加工效果。在空氣環境下，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，設計了納秒脈沖激光微加工系統，尤其是實現了具有圖形解析和高速數據處理功能的控制單元，解決了現有設備的關鍵問題，使加工系統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。
參考文獻
[1] 鄧樹森.我國激光加工產業現狀及市場展望[J].光機電信息，2007，24(2)：19-22.
[2] 喬東凱.激光加工機微機控制系統的研究[J].機械設計與制造，2008(2)：160-162.
[3] 張永強，陳武柱，張旭東.基于PC的開放式多功能激光加工數控系統[J].應用激光，2004，24(6)：368-370.