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基于DSP的激光表面微加工控制系统设计与实现

王炳文  
【摘要】:随着激光应用技术的快速发展,在激光表面微加工领域,激光表面微织构技术为提高机械零部件摩擦副表面润滑和耐磨性能提供了新的途径。而激光边缘精整技术作为零部件表面精密化处理的新兴技术,能够精准有效地实现零部件棱边精整处理。为促进激光表面微加工技术的工业应用,研发新型激光表面微加工设备日趋迫切,尤其是作为激光微加工设备心脏的控制系统的设计及开发,对于保证激光表面微加工的加工精度与加工效率至关重要。本文设计完成了基于DSP的激光表面微加工控制系统。结合激光表面微织构和激光边缘精整加工需求,探究了控制系统实现方式,阐述了控制系统的基本组成、控制原理以及软硬件设计开发过程。具体完成以下几方面的研究与开发工作:(1)制定了系统开发总体设计要求,确定了系统主要加工功能,提出“可控脉冲数同点间隔多次”微织构工艺与纳秒激光“变功率变离焦可控复合精整”边缘精整工艺,并深入分析实现加工工艺的控制要求。对系统平台主体结构及其组成部分进行设计过程分析,针对“PC+DSP控制器模式”的控制系统软硬件进行设计方案总体规划。(2)控制系统硬件部分采用具有精确控制性能的微控制器DSP作为控制核心,分为DSP主控板、激光控制接口板、伺服控制接口板三个主要部分进行控制过程分析与电路设计开发,其中DSP主控板以数字信号处理器TMS320F28335为控制核心,负责实现快速逻辑控制与插补运算,并通过输出接口连接激光控制接口板与伺服控制接口板,发出脉冲控制指令,控制伺服电机与激光器进行协调工作,完成设定加工运动轨迹。另外,采用EDA软件Altium Designer完成电路原理图及PCB的设计,并对控制器进行硬件电路测试,验证硬件部分可靠性,为软件运行提供稳定可靠载体。(3)将控制系统软件部分分为DSP驱动程序和PC界面控制软件两个方面进行设计开发。结合系统加工功能,DSP驱动程序开发完成串口通信、激光对焦、工作台定位、激光微织构、激光精整等模块软件程序开发。PC控制界面设计采用C#开发环境及C#开发语言完成人机控制界面开发,分功能模块实现加工参数输入、加工控制以及加工状态显示,为实现精确控制提供界面简洁,操控性能优越的控制操作方式。(4)对设计完成的控制系统进行系统软硬件整体测试,校验软硬件设计连接可靠性,通过系统平台联动测试验证了控制系统完成加工功能的可靠性。利用开发完成的激光表面微加工控制系统进行平面微凹坑/微凹槽加工、规则轮廓边缘及曲线轮廓边缘精整加工实验,实验结果表明本文设计完成的激光表面微加工控制系统能够精准控制激光加工参数,按照加工工艺要求实现激光微织构与边缘精整加工,并且能够满足微织构形貌及精整边缘加工质量要求。


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