（凝聚态物理专业论文）激光微加工系统研制.pdf

a 光微加下系统胡制 摘要 激光微加工技术作为激光加工技术的一个新兴分支， 己被越来越广 一 泛地应用于精 密机械加工、 微机械制造等诸多领域。 本文对激光微加工系统中各主要部分的研究和 设计方法进行了全面的讨论， 包括激光微加工机的单片机控制器、 加工光学系统、 p c 机监控软件等三部分。此外，还讨论了激光微加工系统的整体实现和加工控制方式 激光器输出的加工光经过光学系统的后， 形成符合微加工精度和能量密度要求的 加工光斑并聚焦于被加工工件的表面。 然后，由单片机控制器控制激光器、 加工平台 以及辅助系统按照预先设定的加工模式进行加工。 在对工件的整个加工过程中，可以 通过显微镜系统对加工过程进行观察。 由于采用了视频图象实时采集技术， 还可以 通 过p c机对加工过程进行监视和存储。 在单片机控制器、光学显微镜系统和p c机监控软件的配合下， 本激光微加工系 统实现了 一种新的加工控制方式。 即通过鼠标在加工区域的实时视频图像丘 绘制加工 图样， 然后由p c计算机根据此图样自 动生成加工控制信息， 并通过单片机控制器控 制激光微加工机进行加工。 此方式不要求用户事先编写控制程序， 提高了系统的实用 性 关键词 ( k e y w o r d s ) : 激光微加工 ( l a s e r m i c r o p r o c e s s i n g ) 单 片 机 ( s i n g le c h ip c o m p u t e r ) 视频图象采集 ( v i d e o im a g e c a p t u r in g ) 高斯光束 ( g a u s s i a n b e a m) 敖光 微加下系统研制 ab s t r a c t l a s e r m i c r o p r o c e s s i n g i s a n e w b r a n c h o f l a s e r p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y . i t h a s b e e n w i d e l y u s e d i n t h e f i e l d s o f fi n e m e c h a n i c a l s y s t e m a n d m i c r o m a c h i n i n g i n t h i s t h e s i s , s t u d i e s o n t h e d e s i g n o f t h e l a s e r m i c r o p r o c e s s i n g s y s t e m i s c a r ri e d o u t , i n c l u d i n g i t s o p t i c a l s y s t e m , c o n t r o l l i n g s y s t e m a n d p c m o n i t o r s o ft w a r e . i n a d d i t i o n , t h e r e a l i z a t io n a n d p r o c e s s i n g m o d e o f t h e l a s e r m i c r o p r o c e s s i n g s y s t e m a r e a l s o d i s c u s s e d . a n e w p r o c e s s in g c o n t r o l m o d e o f t h e l a s e r m i c r o p r o c e s s i n g s y s t e m i s r e a l i z e d w i t h t h e h e lp o f s i n g l e c h i p c o m p u t e r , o p t i c a l m i c r o s c o p e a n d p c m o n i t o r s o f tw a r e . t h e p r o c e s s i n g p a tt e r n s c a n b e m a p p e d o n t h e v i d e o im a g e . t h e p r o c e s s i n g c o n t r o l i n f o r m a t i o n i s t h e n a u t o m a t i c a l l y g e n e ri z e d fr o m c o m p u t e r a n d t h e p r o c e s s i n g p r o c e s s i s c o n t r o l l e d b y t h e s in g l e c h i p c o m p u t e r c o n t r o l l e r 激光微加丁系统研制 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 引言 1 9 6 0年随着第一台红宝石激光器的诞生，引发了激光、光电子等新兴学科的兴 起。 与此同时，以这些新兴学科为背景的激光、 光电子产业也正在蓬勃发展。 激光具 有高亮度、高单色性、高相干性、高方向性等四大优点， 尤其是它具有极高的功率密 度 可 达1 0 。 一 ， i w / c mi ， 因而是一种性能优异的加工光源。 激光加工和传统的 机械加 工方式相比， 具有不受加工形状的限制、 非接触性加工、 无工具磨损、 加工变形量小、 加工质量高等诸多优点。9 0年代初，随着微机械制造技术和微型机电系统 me ms ( m i c r o e l e c t r i c m e c h a n i c a l s y s t e m ) 的研究与应用， 激光加工的一个新兴分支， 激 光微加工 正在蓬勃地兴起。 激光微加工一般是指特征尺寸小于1 0 0 t m的 加工。 激 光微加工 的加工方式主要包括激光束和各向异性蚀刻相结合的激光蚀刻加工、 激光 化学辅助加工等。这种加工方法具有较为明显的优越性，可对有机物、晶体、陶瓷和 金属材料实施高精密加工，且容易进行三维结构加工，容易实现规模生产。 激光微 加工 是微机械制造的一种主要加工技术。 近年来，随着 激光二极管泵浦的全固化 激光器的发展 ，更高功率的连续波激光器和在紫外波段高效运转的非线性晶体都 有了很大的发展， 这都有利于继续拓宽 激光微加工 的应用和发展空间， 从而使 激 光微加工成为可与其它微加工技术相抗衡的有力竞争者 1 - 5 . 1 . 2 激光微加工的特点及其实际应用 激光微加工和其它微加工方法相比具有明显的优越性，表现为以下几方面: ( 1 ) 加工制作条件较易得到满足: 尽管 电子束 、 x射线 、 离子束 具有更短的波长， 在提高分辨率方面有更 多的好处.但它们在 曝光源 、 掩膜 、 抗蚀剂 、 成像光学系统等方面都存在 极大的困难，与此相比，激光有着明显的经济性和现实性。随着新型激光器的发展， 它可将加工 波长扩展至d u v和v u v，分辨率达9 i1 亚微米 2 ,3 0 一止 ) wii r 遨t g i i f 9一一一一一一_ _第- m .绪 论 ( 2 ) 功率密度高: 激光加工的功率密度可达1 0 1 -1 o 9 w / c m 2 ， 大大缩短了 加工时间。 ( 3 )加工对象广泛: 激光微加工可用于多种材料的精密加工，如金属、有机物、无机物、陶瓷等 在加工的过程中可控制激光的切削深度，这使得利用激光进行高精密切削成为可能。 目前， 激光微加工的应用领域比较广泛，主要包括以下几方面: 1 )精密打孔: 激光精密打孔可对各种材料进行打微孔的加工。目前， 激光打孔己广泛应用于金 刚石模具、 钟表石英轴承小孔的加工， 它也可用于对陶瓷、 橡胶、塑料等非金属材料 的精密打孔。 ( 2 )精密切割: 激光精密切割的切缝窄，切缝边缘质量高， 切割速度快， 几乎没有残渣。 在切割 金属时可采用吹氧工艺使金属表面氧化而增强对激光的吸收能力; 在切割非金属时采 用吹惰性气体的方法排除熔融物。 ( 3 )电阻电容的微调: 激光微调就是用激光束按一定的轨迹在膜片上照射， 使膜层达到气化温度而迅速 蒸发，减少了电阻膜的导电面积从而达到改变膜片电阻值的目的。 电阻微调分薄膜 电阻微调和厚膜电阻微调两种。 薄膜电阻膜厚为几百埃至几微米， 常用镍铬等合金材 料， 厚膜电阻膜厚为几微米至几十微米。 它还可以用于电子线路或电子器件的功能微 调，如有源滤波器的中心频率、带宽和增益的微调，运算放大器失调电压的微调等。 电阻电容的微调一般采用 y a g固体激光器【 1 0 ( 4 ) 精密焊接: 激光焊接加热速度快、 焊点小、 焊缝窄、 热影响区小，因而焊接变形小、精度高 且无需真空设备。 它能对绝缘体直接焊接、 能焊接有色金属及异种金属， 它还可进行 薄片间的焊接、 丝与丝间的对焊及缝焊。 激光精密焊接特别适用于微型、精密、 排列 紧密和热敏焊件。 广泛应用于微电子元件如集成电路内外引线的焊接、 电子器件管壳 封焊、热电偶的焊接、仪表微丝焊接等领域 6 。 表 1 一1 给出了激光微加工的光源及其应用范围。 激光微加下系统研制第一章绪论 表 i 一1激光微加 1 _ 的实际应用及其对象 激光光源应用材料 一 一 准分 子激光 柔性电路打孔、切害 ii 、开槽、集成 电胳修有 塑料、陶瓷、硅片、金属、 氧律 物 灯泵固体激光 一 一 柔性电路打孔、切割、开槽、集成 电路修复、打微孔、电阻或电容修 黎 、播障修 有 塑料 、陶瓷、硅片、金属、 氧化物 、无机物、厚薄膜 一 极管i-n l 体激光 高值打孔、电阻或电容修整、集成 电路修复、掩膜修复 塑料、金属、氧化物、无 机物、厚薄膜、硅片、陶 俗 c o , 激光调谐石英振荡器、 电路元器件切割、 电路元器件画线、大平面柔性或刚 性电路打孔、切割或开糟、导线的 剥落 无机物、陶瓷、塑料 1 . 3 国外激光微加工的现状及发展预测 欧盟于 1 9 9 9 年完成了旨 在研究激光亚微米加工的b r i t e e u r a m 计划。 此计的 完成，实现了借助激光亚微米加工的高精度微型零件和光学模具结构的大批量生产口 其中包括用激光切割。 .2 m m厚、i o g m宽的金属片， 用激光在i m m厚的金属片上打 直径为1 0 4 m的非锥形孔以 及为获得这些结果而进行的以高功率铜蒸汽激光器为基础 的工作站的研究。此计划所采用的铜蒸汽激光器维修间隔为 2 0 0 0 小时，有效利用率 达9 5 %, 脉冲重复频率高达2 2 k h z ， 光束直径2 5 m m , 光束发散角1 0 0 i r a d 。 通过将铜 蒸汽激光器集成到特殊设计的工作站中。此工作站可以研究几种不同的微加工工艺 这些工艺包括孔径可小至1 . 5 t m的打孔和能适应清洁室要求的无污染切割。 纵观国外激光微加工的发展， 它正在向着低成本、高可靠性、多用途、 产业化的方向 发展，具有很好的市场应用前景【 7 - 9 1 . 1 . 4 国内激光微加工的现状及发展预测 我国的激光微加工产业虽然起步较晚， 但发展迅速。目前， 激光微加工产业已初 具规模。 近年来， 用准分子激光器进行激光微加工已取得很大的成功， 研制出了实用 v ii 准分子激光微细加工机 2 1 。此外，在用超短脉冲进行微加工的研究中也取得了 激光微加下系统研制 第-音论 定的成果。 光学和光电子领域许多新的应用的出现， 也拓宽了激光微加工的应用范围， 随着国内微型机电产品市场的形成和发展， 我国的激光微加工产业的规模和水平都将 得到不断的扩大与提高。 1 . 5 本课题研究的目标内容 激光微加工机单片机控制器研究 激光微加工机光学系统研究 激光微加工机监控软件开发 激光微加下系统研制 第_章 激光微加工机的系统构成 第二章激光微加工机的系统构成 2 . 1激光微加工系统的基本概念 在进行激光微加工时， 激光与物体表面相对运动， 从而实现各种方式的加工。 这 种 相对运动 既可以是光束的运动也可以是工件的运动 5 ， 本系统采用工件运动、 加工光源固定的方式。在加工过程中，要求加工光的功率可调，加工方式 ( 连续/ 脉 冲) 可调、加工光脉冲宽度可调、可对加工过程进行手动控制，并且可以对加工区域 和加工过程进行显微观察和存储。 在激光微加工的控制方式上， 本系统以单片机控制器为核心， 提供两种加工控制 方式。 首先， 允许用户通过单片机控制器直接进行手动控制和加工。 其次， 在单片机 控制器和计算机控制软件的配合下，用户可以通过p c计算机进行控制和加工。 要达到以上功能，激光微加工系统应包括加工光源 ( 激光器) 、加工光路、观察 和瞄准光路、 激光能量监测及控制系统、 精密数控工作台、单片机控制器、加工控制 软件以及加工辅助系统。 2 .2 激光微加工机的系统构成 激光微加工系统各部分的构成及功能如下所述: 激光器:对于激光器而言， 要求其运行可靠且稳定， 既能连续运行又能脉冲 运行， 工作模式针对不同的加工任务为低阶模或基模。 在本系统中， 加工光源采用二极管泵浦的全固化激光器。 为了提高输出激光能量 的稳定性，我们不采用调节激光电源的方式来调节激光输出能量， 而是让激光器在稳定的高能量状态运行， 采用数控衰减器来实现激 光能量的连续变化和脉冲控制。 加工光路:加工光路负责加工光斑的生成。 它是激光器和机械执行部件的连接 部分 5 ， 包括对激光器输出 光束的整形、均匀、扩束、 聚焦和准 直。 激光微加下系统研制 第_章 激光微加一 机的系统构成 显微观察系统:它由显微镜系统、c c d摄象机和计算机视频采集 卡 构成，完成两 方面的功能。 首先， 将加工区域进行显微放大， 用户可以通过显微 目镜或计算机屏幕对工件及加工过程进行观察和存储。 其次， 用户 可以通过显微目 镜或计算机屏幕， 按标尺分划板的刻尺长度对加工 区域进行尺寸测量，并对加工区域进行观察。 精密数控工作台: 它是微加工机承担加工件的部分， 加工的精度在很大程度上取决 于工作台的精度。 数控工作台必须有良好的数控系统和可靠的检 测、反馈系统。本系统采用x / y两维精密数控工作台，x / y车 由 行程为 l 0 0 m m，最高运动速度为5 m m / s ,采用光栅尺构成闭环控 制系统，双向重复定位精度为3 p ma 单片机控制器: 单片机控制器是激光微加工机的关键部分之一。 它通过与计算机 的双向通信，控制 x / y平台按照预定的轨迹运动，从而实现各 种模式的加工。 此外， 单片机控制器还负责激光能量的检测控制， 并提供手动操作系统的功能。 p c机控制软件: 它为用户提供进行激光微加工的人机界面。此软件包括两方面 的功能， 首先， 通过图象采集卡实时采集、 回放并存储显微图象， 使用户可以 通过计算机屏幕对加工区域进行观察。 其次， 将用户 的输入转换为控制信号后， 通过与单片机控制器的通信实现激光 微加工。 加工辅助系统:此部分包括机架、 机箱、 光路密闭及安全防护系统、 吹残渣系统 机架采用防震结构; 光路防尘密闭系统可以防止尘埃对光学元器 件的污染和损坏: 安全防护系统实现了激光的安全互锁; 吹残渣 系统用于在激光蚀刻加工过程中通入适量的辅助气体以吹掉残 渣， 从而保护加工表面以获得良好的加工表面质量。此外 以利用吹残渣系统向加工表面通入腐蚀性反应气体如c l z 激光诱导化学蚀刻加工。 ，还 可 气进行 激光微加t系统研制 第_章 激光微加t机的系统构成 激光微加工系统的组成如图2 -1 所示: 图2 一1 激光微加_ 几 系统的组成 激光微加工系统研制 第三章激光微加丁系统控制器 第三章 激光微加工系统控制器 3 . 1控制器的组成 3 . 1 . 1 控制器的功能 控制器是激光微加工机的关键部分之一，控制器通过 r s 一2 犯 接口实现与计算 机的双向通信。p c计算机发出指令，该指令指示出x 了 y平台的运动轨迹，控制器接 收指令并触发脉冲以驱动步进电机，同时采集光栅尺的反馈信号，使 刀y平台达到 计算机所指定的位置，这是一个随动控制系统，可用图 3 一1 描述: l 控制器步进电机 x 乃产 平 台 一一 一- 一一一州 光栅尺 图3 一1控制器原理 控制器除了完成 x / y平台的控制外，还具备以下功能: 具有控制光源的输出接口。 可检测加工激光的能量，并上传至 p c计算机。 具备人工控制功能，通过手动键盘操作， 可对 x /y 平台进行控制，并提供直观的数 码显示。 3 . 1 .2 控制器的组成 控制器完成通信、 检测与控制的功能， 因此， 控制器中必须有高性能的微控制器 本系统控制器采用了高性能低价格的a t 8 9 c 52 芯片， 它是整个控制器的核心。 此外 控制器中还包含了系统复位电路、 存储电路、 通信电平转换接口、 模拟量检测及a/d 转换接口、电机驱动接日、键盘及显示接口。整个控制系统的组成如图3 一2 所示 激光微加t系统研制第二章激光微加t系统控制器 一. 一一知 a i ti 平台 图3 -2 控制器的组成 3 . 2主控核心部件及最小系统 3 . 2 . 1主控核心部件a t 8 9 c 5 2 控制器以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心， 它属于ms c -5 1 单片机系列， 其管脚分类及 功能如图3 -3 1 8 1 . 一三一一1一一一一一口一 09巴765432气0987654八j勺 433333333332222气乙222 ，23456789仍11佣 出烈1一一1一二一 p1 . 0 p1 . 1 p12 p1 . 3 p1 . 4 p 1 5 p1 6 p1 . 7 rst/ vpd ( rx d ) p 3 0 ( t x d ) p 3， ( i n t o ) p 3 . 2 ( i n t 1 ) p 3 . 3 ( t o ) p 3 . 4 一一. 一 8 031 8 05 1 8751 - 一 ( t 1 ) p 3 ( w穴) p356 ( r d) p 3 . 7 xtal1 xtal 2 v - i 一 21 v心c p 0 . 0 ( ad o ) p o a( a di ) p o . 2 ( a d2 ) p 6 . 3 ( a d 3 ) p o 4 ( a d 4 ) p o 5 ( a d 5 ) p o .6 ( a d 6 ) p o . 7 ( a d7 ) vp p al e/ prog psen p 2 . 7 ( a1 5 ) p 2 . 8 ( a1 4 ) p 2 5 ( a1 3 ) p 2 a( a 1 2 ) p 2 3 f a1 1 ) p 2 2( a7 0 ) p2 . 1 ( a b ) p20i a8) _l 图3 一3 a t 8 9 c 5 2 管脚分类及功能 敖光微加丁系统研制第二帝激光微加丁系统控制器 控制口:p e s n( 片外取值控制) ;a l e( 地址锁存控制) ;i e a 片外存储器控制) r e s e t( 复位控制) 。 电源与时钟:v c s、v 5 5 , x t a l 1 , x t a l 2 e 1 / o口驱动能力:p o口可驱动8 个t t l门电路， p 1 , p 2 , p 3口只能驱动 4 个t t l 门电路，p 3口是双重功能口。 地址总线 ( a b ) :地址总线宽度为 1 6 位， 直接寻址范围位 6 4 k字节，1 6 位地址总 线由p o口经地址锁存器提供的低 8 位地址 ( a o -a 7 ) ; p 2口直 接提供高8 位地址 ( a 8 一a 1 5 ) a 数据总线 ( d b ) :宽度为8 位，由p o口提供。 控制总线 ( c b ) : 由p 3 口 的第二功能 状态和4 根独立控制线r e s e t , e a , a l e , p s e n组成。 本系统所采用的a t 8 9 c 5 2为a t me l公司的8位f l a s h系列单片机，片内含有 f l a s h 存储器，在应用上具有以下特点: f l a s h存储器，在系统开发过程中可进行程序的修改，大大缩短了系统开 发周期， 同时， 在系统工作过程中能有效的保存一些数据信息， 即使外界电源损坏也 不会影响到信息的保存。 mc s 5 1 系列单片机兼容，可不作任何改动而直接替换。 f l a s h m e m o ry，所以 在编程过程中可以 实时修改，不产生废品。 用 8 9 系列单片机设计的系统，可以反复地进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序 这样保证了用户系统设计的优化，并可根据用户的需求不断地更新系统。 3 . 2 .2最小系统组成 一、系统的时钟 在8 9 c 5 2 的x , 、 x : 两端 c p in l 8 , p i n 1 9 )接1 1 . 0 5 9 mh z 的晶体振荡器 ( 简称晶 振) 8 9 c 5 2片内电路即可产生振荡，为其本身提供时钟信号，电容的作用为辅助起 振 激光微加工系统研制第三章激光微加下系统控制器 二、复位电路 为确保系统中电路稳定可靠的运行， 复位电路是必不可少的一部分。 复位电路的 第一功能是上电复位，一般微机电路工作需要的供电电源为 5 v士5 %，即 4 . 7 5 v - 5 . 2 5 v .由于微机电路是时序数字电路， 它需要稳定的时钟信号，因此，在电 源上电时， 只有当v c 。 超过4 . 7 5 v以及晶体振荡器稳定工作时， 复位信号撤除， 微机 电路开始工作。 微机电路在运行中受到干扰后，容易出现 c p u程序 跑飞而盲目 运行甚至死 机的现象，此时若复位信号有效，使系统重新恢复正常运行，这种监视 c p u运行的 电 路称为wa t c h d o g 电 路 ( 1 ) ma x 7 0 6 单片u p监控电路 随着新型器件的出现，电路的简化成为可能， 而且性能更加稳定齐全。目前， 微 机控制系统中 越来越广泛的应用单片机u p监控电 路， 如m a x i m 公司的m a x 7 0 6 芯片，使用起来就很方便。 ma x 7 0 6 提供如下四种功能; 上电、掉电及降压使用情况下的复位输出。 独立的看门狗功能。如在 1 . 6 s内看门狗输入端未被触发，看门狗输出将变为低 电平。 1 . 2 5 v门限检测器，用于电源故障报警，低电池检测或+ 5 v以外的电源监控。 低电平有效的人工复位输出。 m a x 7 0 6在电源电压低于 4 . 4 0 v的情况下产生复位脉冲，此器件有 8 脚的 d i p 和s o两种封装的形式，管脚如图3 -4 所示 1 8 1 . 2卜 一 一 一 .了一 一_ m a a i m_匕一 一 3b 一 4 一一 二厂 一 v q 二 g n d 乃 9 d 0 / r e s e t p f i w d i / p f o 图3 一4 ma x 7 0 6 管脚分类及功能 激光微加工系统研制第三章激光微加丁系统拎制器 各管脚功能如下: / m r :人工复位输出，把电压拉到0 . 8 v以下，将触发复位脉冲，此低电平有效的 输入有一内部的2 5 即a的上拉电流， 此端可用t t l或c mo s 逻辑驱动， 也 可用开关短路到地。 v c c : + 5 v电源输入端。 g n d : 接地端，所有信号的 o v参考点。 p f i :电源故障电压监控输入端，当p f i 小于 1 . 2 5 v时，/ p f o变为低电平，不 要把p f i 接地或接 v c c . wd i :看门狗输入端，如果 wd i 保持高电平或低电平的时间达 1 . 6 s ，内部看门 狗定时器完成计数，wd o变为低电平。 - / r e s e t :低电平有效的复位输出端，用于产生 2 0 0 m s 的负脉冲，无论何时，只要 v c c 低于复位门限电压， / r e s e t就保持 2 0 0 m s 的低电平。在v c c 上升超 过复位门限电 压或/ mr由低电平变为高电平之后， 该输出端仍将保持低电 平 2 0 0 m s ，除非/ wd o连接到/ mr ，看门狗将不能触发/ r e s e t . / wd o : 看门狗的输出端，当内部看门狗定时器完成其 1 . 6 s 计数时，看门狗输出 拉至低电平。 ( 2 )复位电路工作原理 该系统中复位电路使用了ma x 7 0 6 芯片，复位电路如图3 -5 : 图3 一5 复位电路 p i a 接m a x 7 0 6 的w d i , / r e s e t 经非后接8 9 c 5 2 的r e s e t引 脚， 电 路具体功能为: 上电、调电复位:在电源电压低于 4 . 4 v时，r e s e t信号有效，并且在v c 。升高 后， r e s e t仍持续2 0 0 m s 有效，保证晶体振荡器可靠振荡 看门狗功能:每运行相应的一部分程序， 8 9 c 5 2 的p , ; 口就发出一 负脉冲， 只 要程序正常运行， 复位信号就一直无效。 若程序跑 匕 或陷入死循 环， 那么在 1 . 6 s 后， r e s e t信号有效， 程序能够重新正常运行 激光微加工系统研制 第三章激光微加工系统控制器 三、存储器 激光微加工系统中有一些参数是需要存储的，例如步进电机每走一步x / y平台 所移动的微米数( 即步长) ， 这些参数需要即使在电源掉电后仍能保存下来。 a t 8 9 c 5 2 内置2 5 6 r a m， 但是在电源掉电后， 其内部信息会发生改变。 不掉电存储电路常用的 方法是用 s r a m 加后备电池的方法加以解决，这种方法可选用的器件较多，我们在 此采用的e e p r o m芯片是a t 2 4 c 1 6 . e e p r o m芯片是近年来推出并投入应用的芯片，它有两个主要特点: 可在线擦写。 当芯片掉电后其信息仍保留，一般i c卡的存储电路采用的就是e e p r o m芯片。 从系统原理总图中可看出， 2 4 c 1 6 芯片与8 9 c 5 2 相连接， 2 4 c 1 6 采用的是1 2 c 总线接口， 用两个信号线s d a和s c l 就可以 进行信息的交换， 8 9 c 5 2 作为1 2 c总线 的主芯片，p i s 接2 4 c 1 6 的s d a , p i .6 接2 4 c 1 6 的s c l 8 9 c 5 2没有护 c总线 接口，这里的p i s p 1 .6 是一个模拟接口，在程序中， p,;. p t .6 的 操作按照1 2 c总线的规约来进行， 通过对p i .6 的置位和清零操作来模拟时钟信 号， 通过对p i s 的移位来模拟s d a信号。 3 . 3计算机与a t 8 9 c 5 2 的通讯 计算机与a t 8 9 c 5 2 的通讯包括两方面， 首先， p c计算机发出命令给8 9 c 5 2 ， 告 知 8 9 c 5 2应如何控制电机动作，从而达到控制 x / y平台移动的目的，此外，p c计 算机还需从8 9 c 5 2 处获得目前x / y平台的实际位置的数据口这就需要p c计算机和 8 9 c 5 2 进行双向通讯。 p c机与8 9 c 5 2 是利用串口进行通讯的，p c机有串行r s -2 3 2 接口，8 9 c 5 2 也 有串行接口u a r t ，它们之间可以进行双向通讯，p c机的r s -2 3 2 接口是土1 2 v 电平，而8 9 c 5 2 电平是t t l电平 0 -5 v ,需要接口芯片加以转换。 ma x 2 0 2就是为土1 2 v 到 t t l 电平而设计的，如果采用常规芯片 mc 1 4 8 8 . mc 1 4 9 9 ，需要有11 2 v的电源。m a x 2 0 2 芯片只需要单5 伏供电，因为该芯片内带 电压提升泵， 所以片内 可产生士1 2 v电 源， 在电 路设计中，采用电 容c , . c用于电 压提升泵，c l , c 2 . c 5 是电源的旁路电容 ( 见电路原理总图) 。 在接口电路中， p c机的r s -2 3 2 口的t x d( 士1 2 v电 平) 接ma x 2 0 2 的p i n 1 4 . 对应输出的p i n 1 2 接 8 9 c 5 2的r x d. 8 9 c 5 2的t x d ( t t l电平) 接 ma x 2 0 2的p i n l 1 , 激光微加工系统研制第三章激光微加工系统控制器 对应输出的p i n 1 3 士1 2 v电平) 接到p c机的r s -2 3 2口的r x d端上， 这样就完成 了信号的连接，此部分原理见图3 - 6 . 图3 -6 p c机与8 9 c 5 2 的接口电路 3 .4激光能量检测 3 .4 . 1 信号检测 加工光能量检测采用硅光电池 池探测激光能量由以下两种方法: 它的响应波长范围为a = 4 o o n i n - - 1 1 o o n rn，光电 图 i 测开路电压法: 如图 3 -7 图 1 1 图3 - 7 激光能量探测原理 ( i ) ，由u o 的值可测出光照度的大小，但这种方法 的线性度不好。 测 短 路电 流法:如图3 - 7 ( i i ) , io = k l , k为 线性 系数， 此 种方 法的 优点 在于 其线性度好， 便于计算， 在本系统中即采用此方法。由于短路电 流较小，不利于进行 a / d转换，需经运算放大电路放大，原理 如图3 -8 : 激光微加工系统研制第二章激光微加下系统控制器 . 毕- 一 丑 r , . 二 卜 - 上 一 优见 u刁 l在 图3 一8 激光能量探测电路 由于两个运算放大器 a - 戊均处于负反馈状态，虚断、虚短均成立【 t 别: u , = u ,_ = 0 由于虚断，a . 的反相端电流为零，有以下关系成立: u 0 , = - r- t b 第二级同理: u , , - 0 0 - u . : r , r = u 0= 一 rr u . = 赞、 一 “ 其 中 放 大 系 数k 一 些 ， 几 为 光 照 度 ， k 的 大 小 可 通 过 电 位 器 r : 调 整 。 r, 定的量程范围内， 可将u o : 调至0 -5 v ， 即无光照时u 0 1 为o v ， 当光照强度达到最大 时，u 0为满量程5 v . 3 .4 .2 a / d转换接口 a / d转换接口是数据采集系统前向通道中的一个环节， 它采集模拟信号， 并将模 拟信号转换成数字信号输入单片机。 在本控制系统中， 采用a d c 0 8 0 4 作为a / d转换 接口，它将从激光能量检测电路输入的模拟电压信号经 a i d 转换后，输入主控 mc u 8 9 c 5 2以检测激光器的能量。 微光微加丁系统研制 第三帝激光微加丁系统控制器 该芯片有以下特点: 片内有三态数据输出锁存器与主控 mc u兼容。 单通道输入方式。 .a / d转换时间 1 0 0 v s ，转换精度为士5 v a d c 0 8 0 4 管脚功能分布如下图【 1 8 : cs rd 钊 r cl r i ntr v in ( - ) v in ( - ) agnd v r e f r 7 dgnd 图3 -9 a d c 0 8 0 4 管脚分类及功能 各管脚功能如下 一 v i n ( + ) / v i n ( 一 ) : agnd/ dgnd: * vr f f / 2 : 待转换的模拟电 压信号从 v i n ( + ) 和 v in ( 一) 输入， 允许此信号是差 动的或不共地电压信号。 a g n d为模拟地、d g n d 为数字地，将两者分别接地可以保证数 字电路的地电容不影响模拟信号回路，防止寄生祸合造成的干扰。 参考电压v r e f / 2 可由外部电路供给，当v c c电源稳定时，也可作 为参考基准。 c l kr / c l r:外部时钟接入端，在c l k r和 可产生a / d转换所要求的时钟 c l r的两端外接一对电阻和电容即 振荡频率厂 、 1 1 _ 1 rc - ,/ c s , / wr,i n t r : / c s为选片端，/ wr为控制芯片启动的输入端， 仁 1 8 。 i n t r是转换 - rd: 结束信号输出端，低电平表示本次a / d转换结束，如将/ c s , / wr , i n t r相连，则 a d c 0 8 0 4 就处于自动循环状态。 转换结果控制端，当它/ c s相与则从数据缩存器d b o -d b 7 输出 8 位 a / d转换结果。 激光微加t系统研制 第三章激光微加下系统控制器 a d c 0 8 0 4 在控制系统中与主 mc u 8 9 c 5 2的接口如图 3 一1 0 : 一 d s o 一 d b 7训 p 。 。 p o 7 信 号 采 集与 放 大卜 = 月 a o c o 8 o 489c52 图 3 一1 0 a d c 0 8 0 4与 8 9 c 5 2接 口 3. 5主控 mc u与光栅尺的接口 3 5 . 1光栅尺工作原理 光栅按工作原理可分为物理光栅和计量光栅。 物理光栅刻线细， 利用光通过光栅 时的衍射现象， 物理光栅可作为散射元件进行光谱分析及光波长的测定。 计量光栅刻 线较物理光栅粗，利用光栅的莫尔条纹现象，计量光栅可用于位移的精确测量。 计量光栅又可分为长光栅和圆光栅，刻画在玻璃尺上的光栅称为长光栅或光栅 尺， 刻画在玻璃圆盘上的光栅称为圆光栅或光栅盘， 它可用于角位移的测量。 在本系 统中，采用光栅尺来测定刀y平台位移。 光栅式传感器的基本原理是利用光栅的莫尔条纹现象实现对微小位移的测量。 如 图3 一1 1 ，取两块光栅常数相同的光栅，分别用作标尺光栅和指示光栅，二者刻线面 相对， 可相对移动， 中间留有很小的间隙。 将其置于由光源和透镜形成的平行光路中， 若两光栅删线之间有很小的夹角 。 ， 则在近似垂直于栅线的方向上就显现出比光栅间 距宽得多的明暗相间的条纹， 此即为莫尔条纹， 当标尺光栅沿垂直于栅线的方向每移 动过一个栅距时， 莫尔条纹近似沿栅线方向移过一个条纹间距。 此时， 若采用光电元 件接受莫尔条纹的信号，经电路处理后，用计数器可得到标尺光栅移动的距离。 件 1一j元 /电 、.光 - 一 - 一 1-一一 光 源 透 镜 标 尺 光 栅指 示 光 栅 图3 一11光栅传感器 _ 作原理 一 a ) u w 些还鱼ff 上一一一一一一一第 三 章 激 光 微 加 工 系 统 控 制 器 3 . 5 .2 光栅尺信号的整形 光栅尺与x / y平台为一体， 光栅尺通过约2 m长的信号电缆与控制器相连， 在信 号传输过程中会叠加噪声， 因此， 有必要对信号进行积分整形以提高系统计数的可靠 性。 对于信号整形电路而一言， 要求其在将干扰毛刺滤掉的同时不影响正常信号的传送。 整形电路原理如下图所示: l- 5 0 u s 5 0“s寸 一书少 i c- 图3 -以 光栅尺信号的整形电路 由图可知， 其中r = 1 0 k , c = 1 0 0 p f 。 光栅尺信号最高频率为1 o k h z ， 波形高低电 平宽 度大于5 0 1 1 5 ， 电 路中 积分时间常数t = r c = 1 4 , t ( a通讯。8 9 c 5 2向8 9 0 5 1 发出显示控制信号，8 9 0 5 1 根据主 mc u 8 9 c 5 2的指令拄 a d 光微加工系统研制第三章激光微加工系统控制器 制显示。同时，8 9 c 5 1 采集键盘信号并传输给 8 9 c 5 2 ，实现人机通讯。 3 .7 .2键盘与显示电路 键盘由 上 、 下 、 左 、 右 、 增加 、 功能等六个功能按键组成。显示 部分由 1 2个数码管和两个工作状态发光二极管组成，显示电路由两个七段译码器 ( mc 4 5 1 3 )和一个达林顿反向缓冲器阵列 ( mc 1 4 1 6 )控制.见图3 - 1 8 0 mc 4 5 1 3为b c d -c e d驱动电路，电路中采用了两片4 5 1 3 ，其两组b c d码由 8 9 c 5 1 的p 。 口的8 位输出来完成， p 2 口的p 2 .2 -p 2 .7 的六根线作为动态扫描驱动线与 mc u 1 4 1 6 相连，动态扫描显示为 1 / 6 扫描，通过 2片4 5 1 3 形成 2 路 l e d段码，可 以动态实现 1 2 位的l e d码显示，如图3 -1 8 0 一一 . 一 一jes es 以 一门 已几欣队阿才一 图 3 -1 8键盘与显示接口电路 u 产- -一 下 一“_二 二) 一 - - 口 iii 目 卜 卜 林沙伟伟 郭 llliii d d 的 戴 稚 h 含场j压“10自公成李3目口卜 ， a 们 州 n n 1训臼 川n“ a“卜 on卜 白忿叨 ，斗 +口 叼心0 0州洲 心倪“ 曰叫卜 t川卜 1叫口 +叫臼 it心 +tu 刊 洲 一一 a -一 班二山 一 内 了 一下 一 一 二_二获 丁- 一 二 i - 二 三 i 自 口 卜 d 的 比比味卜体卜11.口心 ，二汤 甲 价 门 n 如 n |卜!ij 二二 一一下- 一 一a一。一 一一 a 一一 厂 - - 一一 门三 二“ a d 光微加工系统研制第三章激光微加工系统控制器 制显示。同时，8 9 c 5 1 采集键盘信号并传输给 8 9 c 5 2 ，实现人机通讯。 3 .7 .2键盘与显示电路 键盘由 上 、 下 、 左 、 右 、 增加 、 功能等六个功能按键组成。显示 部分由 1 2个数码管和两个工作状态发光二极管组成，显示电路由两个七段译码器 ( mc 4 5 1 3 )和一个达林顿反向缓冲器阵列 ( mc 1 4 1 6 )控制.见图3 - 1 8 0 mc 4 5 1 3为b c d -c e d驱动电路，电路中采用了两片4 5 1 3 ，其两组b c d码由 8 9 c 5 1 的p 。 口的8 位输出来完成， p 2 口的p 2 .2 -p 2 .7 的六根线作为动态扫描驱动线与 mc u 1 4 1 6 相连，动态扫描显示为 1 / 6 扫描，通过 2片4 5 1 3 形成 2 路 l e d段码，可 以动态实现 1 2 位的l e d码显示，如图3 -1 8 0 一一 . 一 一jes es 以 一门 已几欣队阿才一 图 3 -1 8键盘与显示接口电路 u 产- -一 下 一“_二 二) 一 - - 口 iii 目 卜 卜 林沙伟伟 郭 llliii d d 的 戴 稚 h 含场j压“10自公成李3目口卜 ， a 们 州 n n 1训臼 川n“ a“卜 on卜 白忿叨 ，斗 +口 叼心0 0州洲 心倪“ 曰叫卜 t川卜 1叫口 +叫臼 it心 +tu 刊 洲 一一 a -一 班二山 一 内 了 一下 一 一 二_二获 丁- 一 二 i - 二 三 i 自 口 卜 d 的 比比味卜体卜11.口心 ，二汤 甲 价 门 n 如 n |卜!ij 二二 一一下- 一 一a一。一 一一 a 一一 厂 - - 一一 门三 二“ 激光微加工系统研制 第四竟 激光微加工机光学系统 第四章 激光微加工机光学系统 4 . 1光学系统的功能 光学系统是激光微加工机的主要组成部分， 它的特性直接影响激光微加工机的性 能，在激光微加工系统中，它的功能如下: 将激光束从激光器输出窗口引导至加工工件表面， 并在被加工部位获得符合激光 微加工要求的加工光斑形状、尺寸及功率密度。 指示加工部位。由于大多数可用于激光微加工的激光器工作在红外或紫外波段 为便于加工光束对准加工部位，多采用h e -n e 激光器进行同轴对准，以指示激 光加工的位置并便于对光路的调整。 对加工工件和加工过程进行显微观察。 激光微加工的加工区域的特征尺寸一般小 于l 0 0 p m仁 1 ， 人眼无法分辨， 必须采用显微观察系统才能对被加工区 域的形貌、 加工过程以及加工结果进行监视。 为使整个激光微加工系统能够正常运行， 光学系统的设计应