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激光三维加工控制系统研究

作　者: 霍晓飞
导　师: 刘铁根
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 激光三维加工激光控制振镜系统动态聚焦镜三维图形填充算法
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 125次
引　用: 2次
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内容摘要

传统三维加工技术通常使用光学扫描系统(比如振镜、F-θ透镜)配合Z轴机械导轨实现三维扫描,也可以通过使用三个方向机械导轨来实现三维扫描,机械导轨的特点是可以提供一个方向任意大小的扫描范围。但是,随着产品小型化的发展趋势以及对加工速度要求越来越高,这种技术已经无法满足未来的生产需求。针对这种情况,设计了一种涉及光学、机械学、电子学、计算机控制等多个学科的激光三维加工控制系统,这是一种新型的三维加工技术,使用计算机绘制三维加工图形,然后通过自主开发的三维控制软件来控制激光束聚焦到被加工工件表面并进行三维扫描,从而完成对工件的三维加工。本课题在激光加工过程的物理学基础上,对激光三维加工控制系统进行了研究,系统适用于工件尺寸小于170*170mm2、速度要求在10m/s以上的应用场合。论文首先从传统激光三维技术入手,介绍当前技术的现状和不足,分析了激光与物质相互作用的过程,对常用的激光扫描方法进行分析。然后引入动态聚焦概念,选出最适合的激光器和光路结构,并对比传统导轨技术指出使用光学三维扫描技术的优势。然后详细研究了振镜系统的原理、动态聚焦镜的原理以及如何通过PCI总线结合DSP控制激光束的开关和移动。论文提出了一种三维图形填充算法,通过对三维轮廓图形进行线条填充,实现了对工件三维表面的加工。设计了激光三维加工控制软件,实现了三维图形文件读取与显示、图形填充、参数设置、激光控制等功能。此外,基于OpenGL技术为控制软件增加了三维显示的功能,方便工件定位。在实际使用设备的过程中,对设备进行了改善:增加了隔离装置,将激光加工区域和操作区域隔离,保证操作人员安全;增加了除尘装置,降低了加工中烟雾对光学镜头的污染;增加了安全装置,确保机箱盖被打开时激光处于关断状态;增加旋转工作台,大幅提高了工作效率。最后通过实验数据验证了激光三维加工控制系统的可行性、稳定性和精度,达到设计要求,同时找到了针对不同材料最适合加工的参数。提出了不足之处,以及需要进一步解决的技术问题。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-14
  1.1 传统激光加工技术概述  9-10
  1.2 激光三维控制技术概述  10-11
  1.3 课题的选择及论文的工作  11-14
第二章激光三维加工控制技术的理论研究  14-30
  2.1 激光加工作用原理概述  14-18
    2.1.1 激光与物质相互作用的物理基础  14-15
    2.1.2 物质对激光的吸收及其影响因素  15-18
  2.2 激光器的选择与半导体激光器工作原理  18-20
  2.3 激光自动控制理论研究  20-22
  2.4 激光三维扫描理论研究  22-30
    2.4.1 振镜的原理及畸变效应  22-24
    2.4.2 F-θ的原理及畸变效应  24-25
    2.4.3 动态聚焦镜的理论研究  25-30
第三章激光三维加工控制系统研究  30-39
  3.1 激光三维加工控制系统组成  30-34
    3.1.1 系统光路组成  30-31
    3.1.2 激光输出方案及实现  31
    3.1.3 激光三维扫描实现  31-34
  3.2 基于PCI 总线的扫描控制卡  34-36
  3.3 激光三维加工控制系统的改进与提高  36-39
    3.3.1 F-θ聚焦镜的除尘保护系统  37
    3.3.2 转台与升降光学平台  37
    3.3.3 激光安全与防护  37-39
第四章激光三维加工控制软件设计及实现  39-60
  4.1 激光控制软件概述  39
  4.2 激光三维加工控制软件需求分析  39-41
    4.2.1 软件功能需求分析  39-40
    4.2.2 软件用户需求分析  40-41
  4.3 激光三维加工控制软件总体设计  41-43
    4.3.1 软件的运行平台与开发工具  41
    4.3.2 软件的模块化设计  41-43
  4.4 激光三维加工控制软件详细设计及实现  43-60
    4.4.1 系统初始化  43-46
    4.4.2 加工文件读取  46-47
    4.4.3 振镜系统误差的软件校正  47-48
    4.4.4 振镜参数的设定  48-50
    4.4.5 三维动态显示  50-56
    4.4.6 三维图形填充算法及实现  56-59
    4.4.7 交互式图形界面  59-60
第五章激光三维加工控制系统实验及数据分析  60-77
  5.1 激光输出测试及数据分析  60-63
    5.1.1 激光模块阈值电流的测量  60
    5.1.2 激光模块电流与输出功率之间关系  60-61
    5.1.3 声光调制器测试  61-62
    5.1.4 激光模式分析  62
    5.1.5 光束的尺寸实验  62-63
  5.2 激光三维加工控制系统实验  63-69
    5.2.1 振镜速度的实验及分析  64-65
    5.2.2 振镜精度的实验及分析  65-66
    5.2.3 动态聚焦镜的实验及分析  66-67
    5.2.4 振镜像场的误差校正实验及分析  67-69
    5.2.5 系统加工参数的实验  69
  5.3 激光三维加工控制软件实验  69-75
    5.3.1 DXF 文件打开测试  69-70
    5.3.2 图形显示功能测试  70-72
    5.3.3 三维动态预览测试  72
    5.3.4 参数调整测试  72-74
    5.3.5 三维加工测试  74-75
  5.4 整机系统性能分析  75-77
第六章工作总结与前景展望  77-79
  6.1 工作总结  77-78
  6.2 前景展望  78-79
参考文献  79-83
发表论文和参加科研情况说明  83-84
致谢  84

激光三维加工控制系统研究

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