激光微加工七轴五联动机床控制系统软件设计

摘要

如今国防安全、航空航天、生物医学等方面飞速发展，制造业和科学研究领域中微加工的地位和作用越来越重要。利用双转台五轴联动机床结合激光二维扫描振镜系统形成复合激光加工装备，实现三维空间中任意复杂曲面的激光加工，提高大型复杂工件的加工质量和精度。
　　三维激光微加工技术利用激光非接触、聚焦高能量等特性，以高精度激光二维扫描振镜替代机械加工刀具，通过双转台五轴机床实现三维空间坐标的精确定位，对复杂曲面进行扫描刻蚀加工，弥补了传统机械加工在加工精度和质量上的不足。为了实现能进行任意复杂曲面的激光微加工的七轴五联动控制系统，进行如下几方面的研究：
　　（1）根据激光三维微加工控制系统需求，通过五轴机床和二维振镜形成七轴（5+2）五联动加工设备，对激光微加工系统硬件结构进行设计，进行软件结构设计和软件模块划分，设计硬件抽象API接口层增强系统扩展性。
　　（2）通过对七轴五联动机床的运动过程和加工效率进行分析，简化七轴五联动系统运动学模型为双转台五轴模型，建立坐标系连杆模型，根据连杆模型进行平移、旋转变换得到运动学方程并求解，将求解结果结合转台速度进行分析得到最优转角。
　　（3）对控制系统软件的激光和振镜控制模块、运动控制模块、图形模块、加工显示模块进行功能划分、设计和实现，设计和实现硬件抽象层的API接口，完成激光二维扫描振镜和双转台五轴机床的运动控制，实现任意复杂曲面激光三维刻蚀。
　　（4）分析了激光微加工控制系统误差来源，对其主要误差来源机床几何误差进行误差测量、建模和补偿，并设计多种曲面刻蚀实验对系统功能和精度进行测试，表明系统在三维加工中能进行精确定位，保证加工位置一直处于焦深范围，刻蚀图形拼接误差20μm以内。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 国内外五轴激光微加工系统研究现状

1.3 本文主要研究内容和技术方案

2 激光微加工七轴五联动系统设计

2.1 七轴五联动加工设备设计

2.2 控制系统硬件结构设计

2.3 控制系统软件结构设计

2.4 本章小结

3 七轴五联动系统运动学分析与求解

3.1 七轴五联动系统运动学模型

3.2 双转台五轴机床运动学分析

3.3 双转台五轴机床运动学求解

3.4 双转台五轴机床最优转角选取

3.5 本章小结

4 控制系统软件模块设计与实现

4.1 硬件抽象接口层实现

4.2 激光、振镜控制模块

4.3 运动控制模块

4.4 图形模块

4.5 加工显示模块

4.6 本章小结

5 激光微加工系统精度测试及误差分析

5.1 控制系统误差分析

5.2 控制系统精度测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 展望与建议

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间研究成果