基于ZYNQ平台的五轴激光扫描控制系统研制.pdf
华中科技大学硕士学位论文
摘要
高精度制孔技术在工业领域已被广泛应用在高性能航空发动机气膜孔、内燃机
喷油嘴、半导体探针卡、熔喷布喷丝板等高端器件制造中,并对孔壁表面粗糙度、孔
口形貌和不同锥度孔型尺寸精度和质量以及效率的要求越来越高。常规的激光垂直
入射钻孔方法,因光束的汇聚特性,在加工一定深径比的孔型时,孔边缘会阻挡部分
聚焦光束,造成光束能量密度下降,从而导致材料去除量下降,形成一种正锥形孔壁,
严重影响了制孔的尺寸精度和质量。目前解决这一难题的方法之一是采用多组光学
镜片构建的多轴激光扫描加工系统,在加工时通过调控聚焦激光束倾斜角度和光斑
扫描位置,不但能消除孔边缘阻挡光束,改善制孔尺寸精度和质量,提高制孔效率,
而且还能制造各种形状的异型孔。然而,面对多轴激光扫描加工系统的控制方案面临
两大问题:1、如何确保系统稳定可靠的同步协调联动性,达到高精度、高质量的制
孔效果;2、系统在加工过程中会产生大数据量,如何选择合理通讯方式以及数据流
量控制方案,实现系统的高效性。虽然,目前国外对这些问题已进行了深入的研究,
并已出现相应的商用产品,但国内研究还处于初级阶段,尚未出现自主研发的产品。
针对以上问题,本课题基于团队自主研制的大幅面五轴激光扫描加工平台,展开
了五轴激光扫描加工控制系统的单板同步方案设计与研制。基于XILINX公司的SoC
(SystemonChip,片上系统)器件ZYNQ,设计并研制了五轴激光扫描加工平台的
控制系统,主要研究内容包括:1、通过Qt框架对控制系统的上位机软件进行开发,
实现了基本的UI(UserInterface,用户接口)以及直线扫描、圆弧扫描、圆填充、激
光器功率和频率调节等功能;2、通过XILINX逻辑设计软件VIVADO,实现了ZYNQ
中PL(ProgrammableLogic,可编程逻辑)端对五轴同步协调控制逻辑功能与激光器
功率和频率调控功能;3、通过集成开发软件VITIS,实现了ZYNQ中PS(Processing
System,处理器系统)端的ARM处理器编程,在实时操作系统FreeRTOS中,实现
了ZYNQ与上位机的TCP(TransmissionControlProtocol,传输控制协议)网络通讯
以及与PL端的交互;4、通过PCB设计软件AltiumDesign,进行了控制卡硬件电路
I
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设计,实现了4层PCB的控制卡专用板卡,完成了大幅面五轴扫描系统的控制系统
研制,并用于控制大幅面五轴激光扫描加工平台,进行了基本激光扫描加工试验,以
及在高温合金和玻璃纤维复合材料上进行激光制孔实验来验证控制系统可行性和可
靠性。
通过控制系统中的上位机矫正文件对五轴激光扫描平台矫正后,在厚度为1mm
的高温合金材料上加工直径为200μm的圆柱通孔,可加工最大孔的深径比为5:1,
入口与出口圆度较高,侧壁平直,无重铸层和极小的热影响区,钻孔加工精度在5μm
以内;在厚度为3.6mm的玻璃纤维复合材料上加工尺寸为7mm×7mm的直璧方形
通孔以及异形通孔,入口、出口与侧壁均无碳化分层现象,孔口及侧壁误差均在5μm
以内。实验结果表明,自主研制的控制系统控制五轴激光扫描加工平台的同步协调联
动性能良好,能够长时间进行高精密孔的加工,也证明了矫正的合理性以及控制系统
的精确性与可靠性。
关键词:激光加工;激光打孔;五轴扫描系统;控制卡;ZYNQ
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Abstract
High-precisionholedrillingtechnologyiswidelyappliedintheindustrialfieldto
manufacturehigh-enddevices,suchashigh-performanceaero-enginefilmcoolingholes,
internalcomb