533项目—数控光刻系统研究与优化
1.1 引言
自1960年世界上第一台激光器诞生以来，至今已过去50多年，这些年各类型的激光器不断的得到完善，激光技术与应用也发展迅猛，人类对于激光的特性和使用也有了更加深刻的认识，基于激光技术的领域也越来越广泛，都在不断推动着传统产业和新兴产业的发展。
激光加工就是利用高功率密度的激光束扫描被加工材料的表面，在极短的时间内照射区的温度迅速上升，使加工材料熔化或汽化，再利用高压气体将熔化或汽化的物质从切缝中吹走，达到切割或加工的目的[1]。因此，激光加工技术具有以下主要特点和优势：
（1）激光加工属于无接触的加工，与普通数控加工不同的是激光加工与工件之间不存在直接的接触，因此工件也就不存在明显的机械变形。
（2）采用激光加工时，激光头与工件之间没有切削力，因此在工件的表面不会有划痕，加工出的产品的美感不会受到影响。
（3）采用激光加工有多种加工方式，具有很强的适应能力，可以对工件进行标记、焊接、表面处理、打孔等多种加工方式。对加工材料的也有很强的适应性，可以加工普通车床难以加工的高硬度、高强度的材料。
（4）激光具有高方向性的特点，而且加工速度快，所以工件基本不会产生变形，加工出的产品具有精度高的优点。
（5）激光加工对于能量的使用率很高，响应节能减排的号召，有很好的社会效益。
（6）加工效率高，经济效益好，激光切割与普通的机械切割相比，激光切割的速度是一般机械切割的数十倍。
1.2 国内、外研究现状
1.2.1 国内研究现状
激光设备是激光技术和软件控制技术相结合的产物，为现代化的工业创造了众多的生机[2]。目前，市面上，应用比较多的激光设备产品：激光打标机、激光焊接机、激光切割机、激光内雕机、激光制版机、激光打孔机、激光喷码机、激光热处理等。
目前，在国内激光技术作为一种新鲜的行业，正在蓬勃发展，伴随而来的是激光雕刻设备的不断推陈出新，但是与国外已经发展了很多年的成熟技术相比还有不小的差距，比如说中国的激光器的功率问题，国内研发的激光器的功率普遍偏低无法满足高速、高精度的加工要求，加工出的产品质量还有待改善。而且国内的激光设备仍然停留在平面加工阶段，而国外已经在大力发展三维激光雕刻，国内还普遍存在用低端的机械数控技术和手雕来完成一些细微雕刻。
虽然我国在激光技术发面的发展已经接近50年，但是我国的激光雕刻技术不管从产品开发水平还是从商品化、市场上程度都与发达国家有不小的差距，所以我们要立足国内，结合国情，面向经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯的雕刻机控制系统及其软件。
1.2.2 国外研究现状
当前，一些发达国家如日本、美国激光雕刻方面的产业在工业上占据的核心垄断地位。其中日本在光电子方面的技术相当发达，而美国对于激光医疗设备、器械等几乎占领了整个市场的份额，德国工业上应用激光来进行材料的加工的技术也相当成熟。这些无不都说明了发达国家其在科技方面的进步对于工业技术的发展起着重要的作用[3]。以下介绍几个例子：如美国通用汽车的零部件的生产都是利用的激光来加工的，而日本则是世界上拥有最多激光加工设备的国家，据不完全统计，已高达数十万多台设备，基本上己经占据整个世界激光设备的三分之一左右，由此可见中国的激光技术还须大力发展。
目前，绝大部分国内外从事激光雕刻设备生产的企业都将主要精力集中于开发高性能的激光雕刻机控制系统（即采用嵌入式控制系统），这类著名的企业有美国的威特、悍马公司，法国的嘉宝公司等，而这些公司生产出来的激光雕刻设备都代表着世界的先进水平，所以可以说是性能比较优越，但是价格也相对比较昂贵。与此相比国内从事激光设备生产的一些公司如桂林星辰激光、广州奥铭、楚天激光等，致力于研发一些“主从式”控制系统的激光雕刻设备，在上位机上实现图形的基本处理，通过一定的传输方式发送至下位机中，一般采用插补运算的雕刻算法，性能与国外相比有所差距不过价格相对低廉，所以性价比较更高，国内的一些中小型企业可以选择国内激光雕刻设备。
部分国内外公司的激光雕刻机参数见下表1-1。
表1-1 部分国内公司的雕刻机性能参数对比
国内 国外
深圳
大族 广州
奥铭 楚天
激光 博业
激光 美国
悍马 美国
威特 法国
嘉宝
雕刻精度（mm） 0.0002 0.01 0.005 0.001 0.001 0.002 0.002
雕刻速度（mm/s） 7000 20000 150 24000 1800 1520 1200
雕刻范围（mm） 300*300 900*1200 420*270 1200*600 1050*800 1290*1290 610*610
耗能（w） 100 60-70 30 70 100 240 100
1.4 主要研究内容
本课题来源于淮安市533项目-数控光刻系统研究与优化，激光加工已经广泛地应用于各行各业，可以在不同的型面上雕刻出非常复杂的图案，满足不同的加工需求，可以是平面加工，也可以进行三维立体加工，对机械和控制系统的要求都很高，本课题主要进行控制系统的设计，其主要研究内容如下：
（1）激光雕刻机控制系统核心—固高运动控制板卡的研究
运动控制器是本控制系统的核心，GE系列连续轨迹运动控制器是固高科技插卡式运动控制器的成员之一。该系列产品基于计算机PCI总线，可控制2-4个伺服/步进电机。其具有多轴直线插补，圆弧插补，螺旋线插补等功能，带缓冲区的速度前瞻及小线段预处理功能等特别适用于高速、高精度运动控制要求的场合。例如，高速雕铣、雕刻、切割、PCB加工等行业。
（2）激光雕刻机控制系统硬件结构的设计
控制系统硬件结构的设计是系统开发的重点所在，首先要根据典型控制系统的特点，确定系统的控制方案，并对该控制系统设计电气系统，伺服控制系统，以构成功能完善、性能可靠的雕刻机数控系统的硬件系统。
（3）激光雕刻机控制系统I/O信号处理分析
控制系统I/O信号处理分析主要包括对各类信号的分析以及各种动作的实现，搞清楚激光雕刻机如何动作。
从实际上来看，激光技术正向高速度、高精度、高效率、多功能方向发展，技术含量越来越高，而我国激光系统的核心主要来自国外，且自主研发能力不强。因此，开发一套可以进一步改进雕刻工艺和水平的控制系统是非常合适的。本课题的研究具有较高的实际意义和经济意义。
2 激光雕刻机总体方案设计
2.1激光雕刻机的加工机理及其构成
2.1.1 激光雕刻机的加工机理
激光雕刻的基本原理如图2-1所示，高能量密度的激光束照射在工件表面上，使照射区域的温度迅速升高、汽化而去除材料，从而获得所加工的图案。上位机将处理好的图形信息传递给下位机运动控制器，下位机驱动伺服系统控制x-y控制台带动激光器移动并同时控制激光电源的开关。随着激光束在材料表面的有规律的移动同时控制激光器的开关，最终在材料表面加工出所需的图案。简单的说，激光器的开关状态可完全与黑白二值图的0,1点相对应，即每当计算机读到一个“1”点时，令激光开启，读到一个“0"点时，令激光关断。每处理完一个点，计算机自动控制激光器移到下一个点的位置，如此循环往复，直到雕刻完整幅图像为止。并且以这种方式任何复杂图形都能雕刻出来，甚至包括镂空雕刻和盲槽雕刻。激光雕刻是一种非接触式、节能环保、无磨损、高效率的加工工艺，并且近年来随激光器性能的不断提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改善，都在促进着激光雕刻技术的发展[4]。
图2-1 激光雕刻的基本原理图
2.1.2 激光雕刻机的主要构成
激光雕刻机主要由控制系统、机械结构、光学系统（包括激光电源和激光器及光学反射系统）三部分组成，结构见下图2-2。
图2-2 激光雕刻机主要构成图
控制系统控制激光器电源的开关和输出功率的调节，可以算是是激光雕刻机的“大脑”，同时在激光雕刻机各个部件之间的协同合作也起着调节的作用。
激光雕刻机的机械结构包括工作台和伺服驱动单元，工作台起到固定工件的作用，在本毕业设计中采用伺服电机进给控制系统，由于伺服电机是闭环控制，所以加工出的工件精度得到了很大的保证。
光学系统处在控制系统和工作台中间，起到连接的作用。激光器在控制系统的控制下输出高能量密度的激光束，而这个激光需要经过光学系统的传输和处理后才能满足加工要求。光路系统包括光束的直线传输通道、光束的折射或反射部分、聚焦或发散系统。激光雕刻机的直线传输通道采用空气传输通道，经过反射部分的反射，再由透镜聚焦后到达工件表面[5]。
2.2 激光雕刻机的控制系统
目前市场上激光雕刻机的控制方式可以分为单机式、主从式与嵌入式控制三种方式。单机式激光雕刻机主要是由计算机控制，每台激光雕刻机都需要配备一台计算机，这种方式的系统的可靠性和稳定性完全依赖个人计算机，如果计算机出现先任何机械故障、操作系统故障、应用程序故障、病毒侵入等都都会直接影响到雕刻系统的稳定性、可靠性，同时也增大了用户的维护难度。
主从式激光雕刻机采用上位机采用计算机处于主导地位，主要负责图形处理和加工数据的传输以及下位机的控制，下位机运动控制卡实现运动轴的实时控制，检测卡完成各种工件测量信息的采集，I/O卡完成各种开关量信号的输入输出，可以实现一台计算机同时控制多台激光雕刻机的效果[6]。
嵌入式控制将激光雕刻机的数据处理系统、运动控制和电源供电都集中在同一个硬件系统中，因此可靠性和稳定性有足够的保障，更加可以实现实时监控雕刻的功能。拥有独立的微处理器，独立控制主板、电源板等，具有实用、可靠和稳定的特点。用户只需要将图像图形输入到雕刻软件后，进过雕刻软件的处理，就完全可以脱机雕刻。
不管是单机式、主从式还是嵌入式控制系统的激光雕刻机，都由以下几部分组成:激光管、激光电源、辅助系统、驱动单元、控制系统等部分组成，激光雕刻机的具体组成部分如图2-3所示[7]。
自1960年世界上第一台激光器诞生以来，至今已过去50多年，这些年各类型的激光器不断的得到完善，激光技术与应用也发展迅猛，人类对于激光的特性和使用也有了更加深刻的认识，基于激光技术的领域也越来越广泛，都在不断推动着传统产业和新兴产业的发展。
激光加工就是利用高功率密度的激光束扫描被加工材料的表面，在极短的时间内照射区的温度迅速上升，使加工材料熔化或汽化，再利用高压气体将熔化或汽化的物质从切缝中吹走，达到切割或加工的目的[1]。因此，激光加工技术具有以下主要特点和优势：
（1）激光加工属于无接触的加工，与普通数控加工不同的是激光加工与工件之间不存在直接的接触，因此工件也就不存在明显的机械变形。
（2）采用激光加工时，激光头与工件之间没有切削力，因此在工件的表面不会有划痕，加工出的产品的美感不会受到影响。
（3）采用激光加工有多种加工方式，具有很强的适应能力，可以对工件进行标记、焊接、表面处理、打孔等多种加工方式。对加工材料的也有很强的适应性，可以加工普通车床难以加工的高硬度、高强度的材料。
（4）激光具有高方向性的特点，而且加工速度快，所以工件基本不会产生变形，加工出的产品具有精度高的优点。
（5）激光加工对于能量的使用率很高，响应节能减排的号召，有很好的社会效益。
（6）加工效率高，经济效益好，激光切割与普通的机械切割相比，激光切割的速度是一般机械切割的数十倍。
1.2 国内、外研究现状
1.2.1 国内研究现状
激光设备是激光技术和软件控制技术相结合的产物，为现代化的工业创造了众多的生机[2]。目前，市面上，应用比较多的激光设备产品：激光打标机、激光焊接机、激光切割机、激光内雕机、激光制版机、激光打孔机、激光喷码机、激光热处理等。
目前，在国内激光技术作为一种新鲜的行业，正在蓬勃发展，伴随而来的是激光雕刻设备的不断推陈出新，但是与国外已经发展了很多年的成熟技术相比还有不小的差距，比如说中国的激光器的功率问题，国内研发的激光器的功率普遍偏低无法满足高速、高精度的加工要求，加工出的产品质量还有待改善。而且国内的激光设备仍然停留在平面加工阶段，而国外已经在大力发展三维激光雕刻，国内还普遍存在用低端的机械数控技术和手雕来完成一些细微雕刻。
虽然我国在激光技术发面的发展已经接近50年，但是我国的激光雕刻技术不管从产品开发水平还是从商品化、市场上程度都与发达国家有不小的差距，所以我们要立足国内，结合国情，面向经济建设的需要，开发出有自己特色，符合中国人习惯的雕刻机控制系统及其软件。
1.2.2 国外研究现状
当前，一些发达国家如日本、美国激光雕刻方面的产业在工业上占据的核心垄断地位。其中日本在光电子方面的技术相当发达，而美国对于激光医疗设备、器械等几乎占领了整个市场的份额，德国工业上应用激光来进行材料的加工的技术也相当成熟。这些无不都说明了发达国家其在科技方面的进步对于工业技术的发展起着重要的作用[3]。以下介绍几个例子：如美国通用汽车的零部件的生产都是利用的激光来加工的，而日本则是世界上拥有最多激光加工设备的国家，据不完全统计，已高达数十万多台设备，基本上己经占据整个世界激光设备的三分之一左右，由此可见中国的激光技术还须大力发展。
目前，绝大部分国内外从事激光雕刻设备生产的企业都将主要精力集中于开发高性能的激光雕刻机控制系统（即采用嵌入式控制系统），这类著名的企业有美国的威特、悍马公司，法国的嘉宝公司等，而这些公司生产出来的激光雕刻设备都代表着世界的先进水平，所以可以说是性能比较优越，但是价格也相对比较昂贵。与此相比国内从事激光设备生产的一些公司如桂林星辰激光、广州奥铭、楚天激光等，致力于研发一些“主从式”控制系统的激光雕刻设备，在上位机上实现图形的基本处理，通过一定的传输方式发送至下位机中，一般采用插补运算的雕刻算法，性能与国外相比有所差距不过价格相对低廉，所以性价比较更高，国内的一些中小型企业可以选择国内激光雕刻设备。
部分国内外公司的激光雕刻机参数见下表1-1。
表1-1 部分国内公司的雕刻机性能参数对比
国内 国外
深圳
大族 广州
奥铭 楚天
激光 博业
激光 美国
悍马 美国
威特 法国
嘉宝
雕刻精度（mm） 0.0002 0.01 0.005 0.001 0.001 0.002 0.002
雕刻速度（mm/s） 7000 20000 150 24000 1800 1520 1200
雕刻范围（mm） 300*300 900*1200 420*270 1200*600 1050*800 1290*1290 610*610
耗能（w） 100 60-70 30 70 100 240 100
1.4 主要研究内容
本课题来源于淮安市533项目-数控光刻系统研究与优化，激光加工已经广泛地应用于各行各业，可以在不同的型面上雕刻出非常复杂的图案，满足不同的加工需求，可以是平面加工，也可以进行三维立体加工，对机械和控制系统的要求都很高，本课题主要进行控制系统的设计，其主要研究内容如下：
（1）激光雕刻机控制系统核心—固高运动控制板卡的研究
运动控制器是本控制系统的核心，GE系列连续轨迹运动控制器是固高科技插卡式运动控制器的成员之一。该系列产品基于计算机PCI总线，可控制2-4个伺服/步进电机。其具有多轴直线插补，圆弧插补，螺旋线插补等功能，带缓冲区的速度前瞻及小线段预处理功能等特别适用于高速、高精度运动控制要求的场合。例如，高速雕铣、雕刻、切割、PCB加工等行业。
（2）激光雕刻机控制系统硬件结构的设计
控制系统硬件结构的设计是系统开发的重点所在，首先要根据典型控制系统的特点，确定系统的控制方案，并对该控制系统设计电气系统，伺服控制系统，以构成功能完善、性能可靠的雕刻机数控系统的硬件系统。
（3）激光雕刻机控制系统I/O信号处理分析
控制系统I/O信号处理分析主要包括对各类信号的分析以及各种动作的实现，搞清楚激光雕刻机如何动作。
从实际上来看，激光技术正向高速度、高精度、高效率、多功能方向发展，技术含量越来越高，而我国激光系统的核心主要来自国外，且自主研发能力不强。因此，开发一套可以进一步改进雕刻工艺和水平的控制系统是非常合适的。本课题的研究具有较高的实际意义和经济意义。
2 激光雕刻机总体方案设计
2.1激光雕刻机的加工机理及其构成
2.1.1 激光雕刻机的加工机理
激光雕刻的基本原理如图2-1所示，高能量密度的激光束照射在工件表面上，使照射区域的温度迅速升高、汽化而去除材料，从而获得所加工的图案。上位机将处理好的图形信息传递给下位机运动控制器，下位机驱动伺服系统控制x-y控制台带动激光器移动并同时控制激光电源的开关。随着激光束在材料表面的有规律的移动同时控制激光器的开关，最终在材料表面加工出所需的图案。简单的说，激光器的开关状态可完全与黑白二值图的0,1点相对应，即每当计算机读到一个“1”点时，令激光开启，读到一个“0"点时，令激光关断。每处理完一个点，计算机自动控制激光器移到下一个点的位置，如此循环往复，直到雕刻完整幅图像为止。并且以这种方式任何复杂图形都能雕刻出来，甚至包括镂空雕刻和盲槽雕刻。激光雕刻是一种非接触式、节能环保、无磨损、高效率的加工工艺，并且近年来随激光器性能的不断提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改善，都在促进着激光雕刻技术的发展[4]。
图2-1 激光雕刻的基本原理图
2.1.2 激光雕刻机的主要构成
激光雕刻机主要由控制系统、机械结构、光学系统（包括激光电源和激光器及光学反射系统）三部分组成，结构见下图2-2。
图2-2 激光雕刻机主要构成图
控制系统控制激光器电源的开关和输出功率的调节，可以算是是激光雕刻机的“大脑”，同时在激光雕刻机各个部件之间的协同合作也起着调节的作用。
激光雕刻机的机械结构包括工作台和伺服驱动单元，工作台起到固定工件的作用，在本毕业设计中采用伺服电机进给控制系统，由于伺服电机是闭环控制，所以加工出的工件精度得到了很大的保证。
光学系统处在控制系统和工作台中间，起到连接的作用。激光器在控制系统的控制下输出高能量密度的激光束，而这个激光需要经过光学系统的传输和处理后才能满足加工要求。光路系统包括光束的直线传输通道、光束的折射或反射部分、聚焦或发散系统。激光雕刻机的直线传输通道采用空气传输通道，经过反射部分的反射，再由透镜聚焦后到达工件表面[5]。
2.2 激光雕刻机的控制系统
目前市场上激光雕刻机的控制方式可以分为单机式、主从式与嵌入式控制三种方式。单机式激光雕刻机主要是由计算机控制，每台激光雕刻机都需要配备一台计算机，这种方式的系统的可靠性和稳定性完全依赖个人计算机，如果计算机出现先任何机械故障、操作系统故障、应用程序故障、病毒侵入等都都会直接影响到雕刻系统的稳定性、可靠性，同时也增大了用户的维护难度。
主从式激光雕刻机采用上位机采用计算机处于主导地位，主要负责图形处理和加工数据的传输以及下位机的控制，下位机运动控制卡实现运动轴的实时控制，检测卡完成各种工件测量信息的采集，I/O卡完成各种开关量信号的输入输出，可以实现一台计算机同时控制多台激光雕刻机的效果[6]。
嵌入式控制将激光雕刻机的数据处理系统、运动控制和电源供电都集中在同一个硬件系统中，因此可靠性和稳定性有足够的保障，更加可以实现实时监控雕刻的功能。拥有独立的微处理器，独立控制主板、电源板等，具有实用、可靠和稳定的特点。用户只需要将图像图形输入到雕刻软件后，进过雕刻软件的处理，就完全可以脱机雕刻。
不管是单机式、主从式还是嵌入式控制系统的激光雕刻机，都由以下几部分组成:激光管、激光电源、辅助系统、驱动单元、控制系统等部分组成，激光雕刻机的具体组成部分如图2-3所示[7]。
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