如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個互相平行的反射鏡（其中至少有一個是部分透射的）構成的光學諧振腔中，處于高能級的粒子會產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播，當它在激光物質(zhì)中傳播時，光強不斷增長。如果諧振腔內(nèi)單程小信號增益G0l大于單程損耗δ（G0l是小信號增益系數(shù)），則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運動狀態(tài)可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子（所謂自發(fā)輻射）。同樣的，當一個光子入射到一個能級系統(tǒng)并為之吸收的話，會導致原子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收）；然后，部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級并釋放出光子（所謂受激輻射）。這些運動不是孤立的，而往往是同時進行的。當我們創(chuàng)造一種條件，譬如采用適當?shù)拿劫|(zhì)、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，那么總體而言，就會有光子射出，從而產(chǎn)生激光。

　　1 系統(tǒng)整體結(jié)構

　　納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)主要包括：控制單元、激光器、機械結(jié)構和光路系統(tǒng)四部分。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

　　激光器是系統(tǒng)的加工工具，采用美國相關公司的AVIA－355 nm脈沖激光器。不同于早期的連續(xù)激光，此激光器有更多的參數(shù)和模式選擇，包括激光脈沖頻率﹑激光脈沖寬度和激光能量等，并且可以選擇是單脈沖加工、多脈沖加工還是連續(xù)脈沖加工，使得激光器的控制難度大大高于對連續(xù)激光器的控制。

　　運動平臺和光路系統(tǒng)作為加工的硬件部分，需要根據(jù)激光器的指標和要實現(xiàn)的加工進行設計。本系統(tǒng)的二維運動平臺為步進電機驅(qū)動的絲杠螺桿傳動的平臺，行程是200 mm×200 mm，運動速度為40 mm/s，32細分下分辨率是650 nm。平臺采用57步進電機驅(qū)動。電機驅(qū)動器采用雷賽M335B型號，輸入方向和速度驅(qū)動信號便可實現(xiàn)步進電機的運動控制，并具有良好的。載物臺放于運動平臺上方，配有吹氣裝置，通過控制出氣孔的大小來控制出氣壓力。光學系統(tǒng)包括反射鏡片組，半透半反鏡片，聚焦物鏡和CCD共焦調(diào)整鏡片。反射鏡片鍍有355 nm波長的反射膜，反射率達到99%。聚焦物鏡將激光聚焦到物體表面，聚焦后光斑直徑小于20 μm。CCD主要用于調(diào)焦和加工的觀察。

　　控制單元是加工系統(tǒng)的關鍵部分，包括上位機和下位機兩部分。上位機主要完成加工圖形方面的工作，實現(xiàn)圖形文件的解析、圖形修改和參數(shù)設置等功能，然后將這些矢量數(shù)據(jù)和加工參數(shù)通過預先設定的數(shù)據(jù)格式傳輸給下位機；下位機則借助先進的集成電路技術，完成對系統(tǒng)其他單元的控制。所以下位機系統(tǒng)需要有完善的控制算法，在進行系統(tǒng)設計時需要重點研究。

　　2 控制單元

　　控制單元（control unit）負責程序的流程管理。它主要完成找到下一個要被運行的指令或是將被處理的程序。

　　控制單元是激光加工設備的關鍵部件，其性能直接決定了激光加工的質(zhì)量，尤其是圖形數(shù)據(jù)的處理和適當?shù)目刂萍夹g是激光加工系統(tǒng)的關鍵部分。國外很多激光加工設備主要依賴于高性能的數(shù)控系統(tǒng)才得以實現(xiàn)各種高質(zhì)量的加工。本系統(tǒng)控制單元分為上位機的圖形解析軟件和下位機的硬件系統(tǒng)。

　　2.1 上位機軟件平臺

　　本上位機軟件基于Visual C++軟件平臺開發(fā)，具有良好的圖形化界面，圖2為軟件界面。采用面向?qū)ο蟮脑O計思想，以功能模塊為單元的開發(fā)，有利于程序的維護和升級。實現(xiàn)的功能包括：利用繪圖控件，在軟件窗口內(nèi)繪制簡單的加工圖形；實現(xiàn)圖形文件的解析，如dxf格式的文件，把圖形顯示在軟件窗口中；把圖形按照加工算法分解為直線段，生成本系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)；加工參數(shù)的設置和通信功能。

　　軟件在后臺運算中，以直線段為基本單位對圖形進行分解。對于曲線，則先將其分為許多直線段的擬合，然后按照直線段進行分解。加工路徑也有兩種選擇方式：可以按照手動選取直線段的方式排序，也可按照系統(tǒng)默認路徑選擇算法，由里向外、尋找短路徑的方式，規(guī)劃出加工圖形的加工路徑。將這些加工數(shù)據(jù)和設定的加工速度、激光能量、脈沖重復率等參數(shù)一起，根據(jù)預先設定的數(shù)據(jù)格式傳輸給下位機。

　　2.2 下位機硬件系統(tǒng)

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。

　　激光的初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是"通過受激發(fā)射光擴大"。激光的英文全名已經(jīng)完全表達了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。

　　激光加工是一種研究激光與材料相互作用的技術，也是國家重點支持和推動應用的一項高新技術，近些年我國激光加工機的銷售額年增長率保持在20％左右。發(fā)達國家的加工業(yè)已逐步進入“光加工”時代。目前，一些國際性大公司積極采用先進的激光加工技術，以提高產(chǎn)品的競爭力，其中納秒脈沖激光的微細加工已成為加工技術發(fā)展的前沿之一。

　　納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)以納秒脈沖激光作為光源，光束經(jīng)過光路系統(tǒng)調(diào)整會聚后照射到載物臺上，配合運動平臺的運動，完成微結(jié)構的加工。系統(tǒng)對控制單元的要求很高，包括圖形的編輯、數(shù)據(jù)處理能力和同步的運動控制算法?，F(xiàn)有激光加工機的控制單元多采用2種控制方式[2，3]：（1）基于PC的系統(tǒng)，運算能力強大，可實現(xiàn)圖形編輯等功能，但是不能脫離PC獨立運行，成本高；（2）以單處理器為的方式，缺點是單處理器的運算能力有限，很難實現(xiàn)高速和復雜圖形的加工。數(shù)字信號處理芯片DSP和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的出現(xiàn)，為加工系統(tǒng)控制單元的性能提升提供了新的手段。本文利用上位機Visual C++軟件平臺實現(xiàn)圖形的解析和編輯功能，利用DSP的高速數(shù)字信號處理能力和FPGA的多路并行處理能力，設計了系統(tǒng)的控制硬件，使納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)的加工效果更好。

　　如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個互相平行的反射鏡（其中至少有一個是部分透射的）構成的光學諧振腔中，處于高能級的粒子會產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播，當它在激光物質(zhì)中傳播時，光強不斷增長。如果諧振腔內(nèi)單程小信號增益G0l大于單程損耗δ（G0l是小信號增益系數(shù)），則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運動狀態(tài)可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子（所謂自發(fā)輻射）。同樣的，當一個光子入射到一個能級系統(tǒng)并為之吸收的話，會導致原子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收）；然后，部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級并釋放出光子（所謂受激輻射）。這些運動不是孤立的，而往往是同時進行的。當我們創(chuàng)造一種條件，譬如采用適當?shù)拿劫|(zhì)、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，那么總體而言，就會有光子射出，從而產(chǎn)生激光。

　　1 系統(tǒng)整體結(jié)構

　　納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)主要包括：控制單元、激光器、機械結(jié)構和光路系統(tǒng)四部分。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

　　激光器是系統(tǒng)的加工工具，采用美國相關公司的AVIA－355 nm脈沖激光器。不同于早期的連續(xù)激光，此激光器有更多的參數(shù)和模式選擇，包括激光脈沖頻率﹑激光脈沖寬度和激光能量等，并且可以選擇是單脈沖加工、多脈沖加工還是連續(xù)脈沖加工，使得激光器的控制難度大大高于對連續(xù)激光器的控制。

　　運動平臺和光路系統(tǒng)作為加工的硬件部分，需要根據(jù)激光器的指標和要實現(xiàn)的加工進行設計。本系統(tǒng)的二維運動平臺為步進電機驅(qū)動的絲杠螺桿傳動的平臺，行程是200 mm×200 mm，運動速度為40 mm/s，32細分下分辨率是650 nm。平臺采用57步進電機驅(qū)動。電機驅(qū)動器采用雷賽M335B型號，輸入方向和速度驅(qū)動信號便可實現(xiàn)步進電機的運動控制，并具有良好的。載物臺放于運動平臺上方，配有吹氣裝置，通過控制出氣孔的大小來控制出氣壓力。光學系統(tǒng)包括反射鏡片組，半透半反鏡片，聚焦物鏡和CCD共焦調(diào)整鏡片。反射鏡片鍍有355 nm波長的反射膜，反射率達到99%。聚焦物鏡將激光聚焦到物體表面，聚焦后光斑直徑小于20 μm。CCD主要用于調(diào)焦和加工的觀察。

　　控制單元是加工系統(tǒng)的關鍵部分，包括上位機和下位機兩部分。上位機主要完成加工圖形方面的工作，實現(xiàn)圖形文件的解析、圖形修改和參數(shù)設置等功能，然后將這些矢量數(shù)據(jù)和加工參數(shù)通過預先設定的數(shù)據(jù)格式傳輸給下位機；下位機則借助先進的集成電路技術，完成對系統(tǒng)其他單元的控制。所以下位機系統(tǒng)需要有完善的控制算法，在進行系統(tǒng)設計時需要重點研究。

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

　　目前以硬件描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現(xiàn)代 IC 設計驗證的技術主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。

　　2 控制單元

　　控制單元（control unit）負責程序的流程管理。它主要完成找到下一個要被運行的指令或是將被處理的程序。

　　控制單元是激光加工設備的關鍵部件，其性能直接決定了激光加工的質(zhì)量，尤其是圖形數(shù)據(jù)的處理和適當?shù)目刂萍夹g是激光加工系統(tǒng)的關鍵部分。國外很多激光加工設備主要依賴于高性能的數(shù)控系統(tǒng)才得以實現(xiàn)各種高質(zhì)量的加工。本系統(tǒng)控制單元分為上位機的圖形解析軟件和下位機的硬件系統(tǒng)。

　　2.1 上位機軟件平臺

　　上位機是指人可以直接發(fā)出操控命令的計算機，一般是PC，屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等）。下位機是直接控制設備獲取設備狀況的計算機，一般是PLC/單片機之類的。上位機發(fā)出的命令首先給下位機，下位機再根據(jù)此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。下位機不時讀取設備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給上位機。簡言之如此，實際情況千差萬別，但萬變不離其宗：上下位機都需要編程，都有專門的開發(fā)系統(tǒng)。

　　本上位機軟件基于Visual C++軟件平臺開發(fā)，具有良好的圖形化界面，圖2為軟件界面。采用面向?qū)ο蟮脑O計思想，以功能模塊為單元的開發(fā)，有利于程序的維護和升級。實現(xiàn)的功能包括：利用繪圖控件，在軟件窗口內(nèi)繪制簡單的加工圖形；實現(xiàn)圖形文件的解析，如dxf格式的文件，把圖形顯示在軟件窗口中；把圖形按照加工算法分解為直線段，生成本系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)；加工參數(shù)的設置和通信功能。

　　軟件在后臺運算中，以直線段為基本單位對圖形進行分解。對于曲線，則先將其分為許多直線段的擬合，然后按照直線段進行分解。加工路徑也有兩種選擇方式：可以按照手動選取直線段的方式排序，也可按照系統(tǒng)默認路徑選擇算法，由里向外、尋找短路徑的方式，規(guī)劃出加工圖形的加工路徑。將這些加工數(shù)據(jù)和設定的加工速度、激光能量、脈沖重復率等參數(shù)一起，根據(jù)預先設定的數(shù)據(jù)格式傳輸給下位機。

　　2.2 下位機硬件系統(tǒng)

　　下位機硬件系統(tǒng)是以DSP和FPGA為的控制單元。為了減少通信的數(shù)據(jù)量，上位機軟件平臺僅僅完成對圖形的簡單解析，大量的數(shù)據(jù)處理工作由DSP來完成，通過對圖形數(shù)據(jù)和加工參數(shù)的接收處理，生成X/Y方向的速度、方向、加工時間（對應直線段的長度）和激光的參數(shù)。FPGA用來實現(xiàn)對運動平臺的控制。圖3為硬件系統(tǒng)的原理框圖。

　　DSP采用TI公司的TMS320VC5501定點型處理器。該芯片主頻為300 MHz，存儲空間為16 KB，支持SDRAM的接口和低內(nèi)核電壓，內(nèi)部集成2個乘法器，每個乘法器在單周期可執(zhí)行17位的乘法運算，滿足微加工系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理方面的要求。DSP實現(xiàn)的主要工作：與上位機通信；對圖形數(shù)據(jù)進行存儲與讀??；對圖形數(shù)據(jù)進行計算處理，生成符合FPGA工作的加工數(shù)據(jù)格式；把加工數(shù)據(jù)存儲到FPGA加工數(shù)據(jù)區(qū)。

　　SDRAM用來存儲上位機發(fā)送來的動態(tài)圖形數(shù)據(jù)。當開始加工時，DSP從SDRAM中讀取圖形數(shù)據(jù)，按照步進電機的控制算法，對每一條直線段進行處理。同時通過RS232串口改變激光的工作模式、能量和脈沖重復率等參數(shù)，并控制激光器的出光。FLASH存儲器用來存放DSP程序，每次上電后，程序自動由FLASH加載到DSP內(nèi)存。CPLD作為DSP的橋路來連接其他器件。

　　FPGA采用Altera公司的Cyclone系列器件EP1C6T144。EP1C6系列FPGA擁有5 980個邏輯單元和20個M4K RAM塊，總計92 160 bit的內(nèi)置RAM。利用FPGA的高速同步處理特點，實現(xiàn)對多維運動的控制。使用Verilog HDL語言，在Quartus Ⅱ環(huán)境下編寫完成。在一片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)了多軸完全相同但彼此相互獨立的操作模塊，又集成了多軸聯(lián)動的處理機制。為了避免等待數(shù)據(jù)造成的加工停頓，F(xiàn)PGA加工模塊采用了雙存儲器交替加工的結(jié)構，即在FPGA內(nèi)部有2個完整的存儲單元，每個存儲單元包括4個存儲區(qū)：X軸的速度、Y軸的速度、直線段加工時間和激光器的參數(shù)。每個存儲區(qū)多可以保存128條加工數(shù)據(jù)。當FPGA執(zhí)行其中一個存儲單元的加工數(shù)據(jù)時，DSP可以計算并把加工數(shù)據(jù)寫入另一存儲單元，如圖4所示。

　　為了防止從步進電機驅(qū)動器引入干擾信號到FPGA，在FPGA輸出到電機驅(qū)動器的每路信號上都采用了光電隔離器。此外，為了提高系統(tǒng)，有很多輔助設置應用于系統(tǒng)中，這些信號都接入到FPGA，由FPGA進行監(jiān)控。如采用輔助氣體提高加工效果，通過限位開關進行運動保護等。

　　2.3 數(shù)據(jù)算法及誤差處理

　　加工圖形包括了直線、圓、圓弧和其他曲線。按照加工要求，在上位機軟件中把圓等曲線分解為一系列首尾相連的矢量，即全部按照直線段進行加工。在直線的加工過程中，根據(jù)步進電機的特性，靜止狀態(tài)時有靜摩擦。為了克服靜阻力，使電機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，在對電機的控制上，必須有加減速區(qū)的設置，實現(xiàn)“S”型的步進電機控制曲線（如圖5所示），從而避免了因為起速或減速過快造成的振動，使步進電機產(chǎn)生丟步的現(xiàn)象?？梢姡訙p速區(qū)就是用多段幅值較小的速度變化替代較大的速度變化。對速度的細分可以采用列表的方式，DSP在進行輸出處理時，將根據(jù)直線段的長短和要求的加工速度，計算得出加減速區(qū)的級數(shù)。系統(tǒng)采用FPGA定時的方式對加工的長度進行控制，故本系統(tǒng)采用固定每級的加工時間TC來進行加減速區(qū)的處理。

　　按照上面的算法和處理原理進行了整個系統(tǒng)的設計，但是加工效果并不好，有些地方圖形不閉合。通過分析加工算法發(fā)現(xiàn)，加工誤差主要來源于累積誤差和FPGA誤差。

　　為了提高，DSP內(nèi)部按照浮點數(shù)據(jù)格式運算，但是送給FPGA的數(shù)據(jù)卻是整型數(shù)據(jù)，所以在從浮點轉(zhuǎn)整型數(shù)據(jù)的過程中，小數(shù)位被丟失。在排除了其他誤差的可能性后，對FPGA的性能進行了標定，發(fā)現(xiàn)隨著速度的提高，F(xiàn)PGA的輸出會產(chǎn)生錯誤。根據(jù)高計數(shù)器的標定，當電機控制信號速度變大后，會有不同程度的脈沖個數(shù)丟失。

　　在經(jīng)過對上面兩個誤差的修正后，選用硅（100）進行了部分微加工的實驗。通過光學顯微鏡對結(jié)果進行觀測可知，系統(tǒng)實現(xiàn)了較好的微加工效果。在空氣環(huán)境下，采用20 kHz的激光頻率，獲得激光輸出能量為150 μJ，在2 mm/s的運動速度下加工出微六邊形，如圖6所示。

　　為了滿足微加工的需要，設計了納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)，尤其是實現(xiàn)了具有圖形解析和高速數(shù)據(jù)處理功能的控制單元，解決了現(xiàn)有設備的關鍵問題，使加工系統(tǒng)在操作性和上都有很大提升，為下一步工作的展開奠定了良好的基礎。

　　下位機硬件系統(tǒng)是以DSP和FPGA為的控制單元。為了減少通信的數(shù)據(jù)量，上位機軟件平臺僅僅完成對圖形的簡單解析，大量的數(shù)據(jù)處理工作由DSP來完成，通過對圖形數(shù)據(jù)和加工參數(shù)的接收處理，生成X/Y方向的速度、方向、加工時間（對應直線段的長度）和激光的參數(shù)。FPGA用來實現(xiàn)對運動平臺的控制。圖3為硬件系統(tǒng)的原理框圖。

　　DSP采用TI公司的TMS320VC5501定點型處理器。該芯片主頻為300 MHz，存儲空間為16 KB，支持SDRAM的接口和低內(nèi)核電壓，內(nèi)部集成2個乘法器，每個乘法器在單周期可執(zhí)行17位的乘法運算，滿足微加工系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理方面的要求。DSP實現(xiàn)的主要工作：與上位機通信；對圖形數(shù)據(jù)進行存儲與讀??；對圖形數(shù)據(jù)進行計算處理，生成符合FPGA工作的加工數(shù)據(jù)格式；把加工數(shù)據(jù)存儲到FPGA加工數(shù)據(jù)區(qū)。

　　SDRAM用來存儲上位機發(fā)送來的動態(tài)圖形數(shù)據(jù)。當開始加工時，DSP從SDRAM中讀取圖形數(shù)據(jù)，按照步進電機的控制算法，對每一條直線段進行處理。同時通過RS232串口改變激光的工作模式、能量和脈沖重復率等參數(shù)，并控制激光器的出光。FLASH存儲器用來存放DSP程序，每次上電后，程序自動由FLASH加載到DSP內(nèi)存。CPLD作為DSP的橋路來連接其他器件。

　　FPGA采用Altera公司的Cyclone系列器件EP1C6T144。EP1C6系列FPGA擁有5 980個邏輯單元和20個M4K RAM塊，總計92 160 bit的內(nèi)置RAM。利用FPGA的高速同步處理特點，實現(xiàn)對多維運動的控制。使用Verilog HDL語言，在Quartus Ⅱ環(huán)境下編寫完成。在一片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)了多軸完全相同但彼此相互獨立的操作模塊，又集成了多軸聯(lián)動的處理機制。為了避免等待數(shù)據(jù)造成的加工停頓，F(xiàn)PGA加工模塊采用了雙存儲器交替加工的結(jié)構，即在FPGA內(nèi)部有2個完整的存儲單元，每個存儲單元包括4個存儲區(qū)：X軸的速度、Y軸的速度、直線段加工時間和激光器的參數(shù)。每個存儲區(qū)多可以保存128條加工數(shù)據(jù)。當FPGA執(zhí)行其中一個存儲單元的加工數(shù)據(jù)時，DSP可以計算并把加工數(shù)據(jù)寫入另一存儲單元，如圖4所示。

　　為了防止從步進電機驅(qū)動器引入干擾信號到FPGA，在FPGA輸出到電機驅(qū)動器的每路信號上都采用了光電隔離器。此外，為了提高系統(tǒng)，有很多輔助設置應用于系統(tǒng)中，這些信號都接入到FPGA，由FPGA進行監(jiān)控。如采用輔助氣體提高加工效果，通過限位開關進行運動保護等。

　　2.3 數(shù)據(jù)算法及誤差處理

　　加工圖形包括了直線、圓、圓弧和其他曲線。按照加工要求，在上位機軟件中把圓等曲線分解為一系列首尾相連的矢量，即全部按照直線段進行加工。在直線的加工過程中，根據(jù)步進電機的特性，靜止狀態(tài)時有靜摩擦。為了克服靜阻力，使電機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，在對電機的控制上，必須有加減速區(qū)的設置，實現(xiàn)“S”型的步進電機控制曲線（如圖5所示），從而避免了因為起速或減速過快造成的振動，使步進電機產(chǎn)生丟步的現(xiàn)象?？梢?，加減速區(qū)就是用多段幅值較小的速度變化替代較大的速度變化。對速度的細分可以采用列表的方式，DSP在進行輸出處理時，將根據(jù)直線段的長短和要求的加工速度，計算得出加減速區(qū)的級數(shù)。系統(tǒng)采用FPGA定時的方式對加工的長度進行控制，故本系統(tǒng)采用固定每級的加工時間TC來進行加減速區(qū)的處理。

　　按照上面的算法和處理原理進行了整個系統(tǒng)的設計，但是加工效果并不好，有些地方圖形不閉合。通過分析加工算法發(fā)現(xiàn)，加工誤差主要來源于累積誤差和FPGA誤差。

　　為了提高，DSP內(nèi)部按照浮點數(shù)據(jù)格式運算，但是送給FPGA的數(shù)據(jù)卻是整型數(shù)據(jù)，所以在從浮點轉(zhuǎn)整型數(shù)據(jù)的過程中，小數(shù)位被丟失。在排除了其他誤差的可能性后，對FPGA的性能進行了標定，發(fā)現(xiàn)隨著速度的提高，F(xiàn)PGA的輸出會產(chǎn)生錯誤。根據(jù)高計數(shù)器的標定，當電機控制信號速度變大后，會有不同程度的脈沖個數(shù)丟失。

　　在經(jīng)過對上面兩個誤差的修正后，選用硅（100）進行了部分微加工的實驗。通過光學顯微鏡對結(jié)果進行觀測可知，系統(tǒng)實現(xiàn)了較好的微加工效果。在空氣環(huán)境下，采用20 kHz的激光頻率，獲得激光輸出能量為150 μJ，在2 mm/s的運動速度下加工出微六邊形，如圖6所示。

　　為了滿足微加工的需要，設計了納秒脈沖激光微加工系統(tǒng)，尤其是實現(xiàn)了具有圖形解析和高速數(shù)據(jù)處理功能的控制單元，解決了現(xiàn)有設備的關鍵問題，使加工系統(tǒng)在操作性和上都有很大提升，為下一步工作的展開奠定了良好的基礎。