錢振華 王榮揚(yáng) 何彥虎

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程分院，浙江 湖州313000)

隨著對(duì)激光技術(shù)的深入研究，激光脈沖的時(shí)域?qū)挾缺粔嚎s得越來越短，納秒(10-9s)量級(jí)到了皮秒(10-12s)量級(jí)直至飛秒(10-15s)量級(jí)［1］。脈沖時(shí)域?qū)挾仍陲w秒量級(jí)的激光被稱為飛秒激光。由于飛秒激光有著極短的脈沖寬度，可以用低的脈沖能量獲得極高的峰值光強(qiáng)。例如，將脈沖能量為1 mJ、脈沖寬度為100 fs 的激光脈沖聚焦到直徑為2 μm 的位點(diǎn)上時(shí)，可以獲得1017W/cm2的峰值光強(qiáng)。具有如此極高峰值強(qiáng)度和極短脈沖寬度的光脈沖與物質(zhì)相互作用時(shí)能夠以極快的速度將其全部能量注入到很小的作用區(qū)域，瞬間的高能量密度沉積將使電子的吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散等的影響，從而在根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用的機(jī)制［2］。

飛秒激光憑借固有的超短和超強(qiáng)特性，在微細(xì)加工中顯示出加工過程的非熱熔性、加工程度的準(zhǔn)確性、加工尺寸的亞微米特性和3D 空間分辨性、加工材料的廣泛性以及加工能量的低耗性等5 大特征優(yōu)勢(shì)［2］。這些特征優(yōu)勢(shì)使飛秒激光得到越來越廣泛的應(yīng)用。首先，利用飛秒激光可以對(duì)具有很高熱傳導(dǎo)性和較低熔點(diǎn)溫度的一般金屬如鋼、銅、鋁等進(jìn)行高精度和高質(zhì)量的鉆孔加工，這一技術(shù)對(duì)于汽車工業(yè)中高清潔度燃料注射噴嘴的制作非常重要;其次，利用飛秒激光可以對(duì)一些超高硬度的材料如金剛石等進(jìn)行高精度的鉆孔和切割處理，這在高功率激光器(CO2)中的輸出窗口、微透鏡和深紫外光波段的傳感等的制作中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。利用飛秒激光可以對(duì)厚度小于50 μm 的薄硅晶片進(jìn)行高精度切割，這使得高集成度微電子電路的實(shí)現(xiàn)成為可能;飛秒激光可以使一些聚合復(fù)合材料發(fā)生雙光子吸收，從而引發(fā)光聚合反應(yīng)，利用這一機(jī)制，結(jié)合光掃描技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)微納米三維制作，這一技術(shù)對(duì)于制作微傳感器、微齒輪等多種微機(jī)電系統(tǒng)具有非常重要的意義;利用飛秒激光可以對(duì)一些高爆危險(xiǎn)品如TNT、PETN、HMX、LX 和PBX 等進(jìn)行安全切割，這給火箭、炮彈以及其他武器的安全拆除帶來了新的希望;利用飛秒激光還可以對(duì)光掩模缺陷進(jìn)行修復(fù)，這對(duì)于制造高質(zhì)量的集成電路芯片至關(guān)重要;此外，在激光醫(yī)療和生物工程領(lǐng)域，飛秒激光可以用于制作精細(xì)醫(yī)療器械(如血管支架)、超精細(xì)切割生物組織(如人眼角膜)以及對(duì)細(xì)胞和染色體的納米切割，這對(duì)于冠心病的治療、青光眼及白內(nèi)障的手術(shù)治療、活體細(xì)胞復(fù)雜功能以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研究都具有特殊意義［2-10］。

要實(shí)現(xiàn)飛秒激光微細(xì)加工，飛秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)居首要位置。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)數(shù)控飛秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)，能控制三維工作臺(tái)及1 個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的精確運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜三維型體的微細(xì)加工。本系統(tǒng)主要用于聚合復(fù)合材料的加工。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體需求分析

飛秒激光光源由泵浦激光器和鈦-藍(lán)寶石飛秒激光器產(chǎn)生。因?qū)嶋H加工中欲采用紫外光，要靠1 臺(tái)倍頻器來實(shí)現(xiàn)。另外，系統(tǒng)需采用一些輔助設(shè)備，如能量衰減鏡(調(diào)節(jié)激光功率用)、光閘(控制激光的開關(guān))以及平面介質(zhì)膜反射鏡。為了使光聚合反應(yīng)發(fā)生在低于自聚焦臨界值條件下，系統(tǒng)需配備1 臺(tái)高倍大數(shù)值孔徑的聚焦透鏡。要對(duì)整個(gè)加工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，就需要用到1 臺(tái)CCD 數(shù)碼攝像機(jī)。要實(shí)現(xiàn)三維微細(xì)加工，三維工作臺(tái)是必要的;此外，為便于加工三維復(fù)雜型面，還需1 個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。這樣，要控制1 個(gè)三維工作臺(tái)和1 個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)就要采用1 塊具備四軸三聯(lián)動(dòng)功能的運(yùn)動(dòng)控制卡、1 套步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、1 臺(tái)PC機(jī)。而激光光閘的控制則需用一塊A/D、D/A 板來實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)根據(jù)各組成部分的具體功能可分為3 個(gè)部分:光源及光路系統(tǒng)、顯微鏡和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(如圖1)。

1.3 光源及光路系統(tǒng)

泵浦光源采用的是相干公司的VERDI -5，其輸出波長(zhǎng)為532 nm 的連續(xù)光。飛秒激光器采用鈦-藍(lán)寶石飛秒激光器TFS -1，在4.2 W 泵浦源的條件下，穩(wěn)定輸出功率為560 mW，頻率為82 MHz，波長(zhǎng)為796 nm，飛秒激光脈寬約30 fs。波長(zhǎng)為796 nm 的激光屬于紅外飛秒激光，經(jīng)過倍頻器后波長(zhǎng)變?yōu)?98 nm 的紫外光。為了調(diào)節(jié)激光功率，系統(tǒng)采用了能量衰減鏡。加工過程中激光的開關(guān)用光閘來實(shí)現(xiàn)。

1.4 顯微鏡和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

顯微鏡采用OLYMPUS IX-70 倒置反射熒光顯微鏡，物鏡放大倍數(shù)為100 ×，波長(zhǎng)為398 nm 的激光脈沖經(jīng)平面介質(zhì)膜反射鏡改變方向后再經(jīng)物鏡聚焦照射到被加工材料上。CCD 數(shù)碼攝像機(jī)用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)微細(xì)加工過程。

1.5 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心(如圖2)。本系統(tǒng)采用普通PC 機(jī)作為硬件平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制卡采用日本NOVA 公司生產(chǎn)的基于PCI 總線的MC8041P，它的主要功能依存于運(yùn)動(dòng)控制芯片MCX314。MCX314 是運(yùn)用范圍廣泛的DSP 運(yùn)動(dòng)控制專用芯片，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實(shí)現(xiàn)四軸三聯(lián)動(dòng)的位置、速度、加/減速度等的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)直線、圓弧、位3 種模式的軌跡插補(bǔ)、輸出脈沖頻率達(dá)4 MHz。每軸都有伺服反饋輸入端，4 個(gè)輸入點(diǎn)和8 個(gè)輸出點(diǎn)，能獨(dú)立地設(shè)置為恒速、線形或S 曲線加減速控制方式，并有2 個(gè)32 位的邏輯、實(shí)際位置計(jì)數(shù)器和狀態(tài)比較器，實(shí)現(xiàn)位置的閉環(huán)控制［11］。在實(shí)際使用中，用1 根I/O cable 將運(yùn)動(dòng)控制卡與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，采用輸出脈沖的方式來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的精確三維運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)采用了日本SURUGA SEIKI 公司的1 套XYZ軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和1 個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)，以及與之相配套的D230 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。各 軸 參 數(shù) 為:X×Y×Z(20 mm × 20 mm ×20 mm)，0.02 μm/pulse;U:0.004°/pulse。此平臺(tái)有著小體積、大剛度的特點(diǎn)，保證了系統(tǒng)加工精度。每根軸上內(nèi)置了限位、原點(diǎn)等4 個(gè)傳感器，提供硬件限位、回原點(diǎn)等功能，保證了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全性。

此外，在加工過程中需要用光閘來控制激光的開關(guān)，因此本系統(tǒng)還采用了1 款通用A/D、D/A 板AC6611，它具有32 路開關(guān)量輸入輸出功能(16 路輸入及16 路輸出)。只要根據(jù)工藝要求控制輸出開關(guān)量即可控制光閘。

2 系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)與開發(fā)

在飛秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)中，控制軟件的主要作用是讀取飛秒激光微細(xì)加工專用自動(dòng)編程系統(tǒng)所生成的G 代碼加工程序，控制數(shù)控工作臺(tái)的三維平動(dòng)及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，控制光閘等完成飛秒激光微細(xì)加工。

2.1 控制軟件主要功能模塊

(1)預(yù)處理

三維CAD/CAM 軟件(UG、PRO -E 等)所生成的數(shù)控指令文件或快速成型系統(tǒng)所生成的控制指令文件不能直接用于該系統(tǒng)的加工，要實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)產(chǎn)生代碼的轉(zhuǎn)換，需要設(shè)置預(yù)處理功能模塊。預(yù)處理功能是通過一個(gè)自行開發(fā)的編譯器實(shí)現(xiàn)。本模塊還需具備飛秒激光微細(xì)加工工藝參數(shù)設(shè)定功能，包括步進(jìn)電機(jī)的初始速度、驅(qū)動(dòng)速度、加速度等。

(2)實(shí)際加工

工作臺(tái)的控制:計(jì)算機(jī)向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送控制信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)控制卡處理輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器D230，從而控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

光閘控制:根據(jù)具體的工藝，要求控制光閘的開關(guān)。

實(shí)時(shí)顯示:動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)加工過程，包括加工軌跡、輸出脈沖數(shù)、讀入的G 代碼顯示等。

(3)特殊功能模塊

要加工1 個(gè)圓柱彈簧或者變螺距錐彈簧，可以采用三軸直線插補(bǔ)的方式，但是要達(dá)到比較高的精度很困難。為了便于加工出像圓柱彈簧或者變螺距錐彈簧這種特殊形式的工件，需采用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)與X、Y、Z軸聯(lián)動(dòng)的方式解決。

2.2 控制軟件的開發(fā)

在系統(tǒng)進(jìn)行微細(xì)加工時(shí)，控制軟件要執(zhí)行控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、光閘的開關(guān)、同時(shí)還要實(shí)時(shí)顯示加工過程等多任務(wù)，因此控制軟件的開發(fā)使用Windows 平臺(tái)的可視化設(shè)計(jì)工具Visual Basic(VB)與Visual C + +(VC)［12］。

軟件的組成可分為兩部分:一部分是用VC 對(duì)硬件寄存器進(jìn)行編程，最后以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式將底層硬件的復(fù)雜功能封裝起來(如運(yùn)動(dòng)控制卡的各種差補(bǔ)功能、A/D、D/A 板的開關(guān)量輸出功能)，形成硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，這樣做可以大大方便以后對(duì)硬件功能的調(diào)用。另一部分是用VB 開發(fā)的面向用戶操作的軟件，這是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)部分，除了必須具備上述主要功能模塊外，還需提供給用戶友好的界面［13］。

工作臺(tái)控制的實(shí)現(xiàn):讀取飛秒激光微細(xì)加工專用自動(dòng)編程系統(tǒng)所生成的G 代碼加工指令或經(jīng)預(yù)處理模塊處理的三維CAD/CAM 軟件所生成數(shù)控指令文件或快速成型系統(tǒng)所生成的控制指令文件，并對(duì)G 代碼進(jìn)行字符串處理，識(shí)別出相應(yīng)的功能，同時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的差補(bǔ)功能，采用輸出脈沖的方式控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)。

下面以實(shí)現(xiàn)加工變螺距錐彈簧為例，說明控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)控制的機(jī)理。該系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)U軸與X、Y軸聯(lián)動(dòng)的方式，再調(diào)用三軸插補(bǔ)運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)。

光閘控制的實(shí)現(xiàn):飛秒激光微細(xì)加工專用自動(dòng)編程系統(tǒng)所生成的G 代碼中包含了光閘控制語句，經(jīng)讀取后識(shí)別，再調(diào)用輸出開關(guān)量函數(shù)輸出相應(yīng)的開關(guān)量，從而實(shí)現(xiàn)光閘控制。例如:

3 結(jié)語

飛秒激光作為一種新型的制造手段，在微細(xì)加工方面有著廣闊的應(yīng)用前景。其超短和超強(qiáng)的特性可以避免傳統(tǒng)激光加工中熱影響區(qū)大的缺點(diǎn)，同時(shí)又可以在聚合復(fù)合材料內(nèi)部激發(fā)雙光子吸收。本文所開發(fā)的飛秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際使用，加工試樣如圖3 所示。經(jīng)過對(duì)飛秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)在實(shí)際使用中表現(xiàn)出來的各方面性能的分析，本系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、人機(jī)界面友好、加工精度高、功能強(qiáng)、開放性的優(yōu)點(diǎn)，具備了較強(qiáng)的加工能力。

此外，針對(duì)飛秒激光微細(xì)加工對(duì)象尺寸小的特點(diǎn)，還有待開發(fā)一種自動(dòng)工件傳送裝置，該裝置可避免手工放置工件時(shí)誤差大、可靠性差的缺點(diǎn)，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度和可操作度。目前各方面正在積極準(zhǔn)備中。

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