激光加工基础与工程课题组

２０２１年９月第４９卷第１８期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＳｅｐ ２０２１Ｖｏｌ ４９Ｎｏ １８ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２１ １８ ０１４本文引用格式：肖亚宁，孙雪，姚金言，等．基于ＡＲＭ的选择性激光烧结打印机控制系统设计［Ｊ］．机床与液压，２０２１，４９（１８）：７１－７５．ＸＩＡＯＹａｎｉｎｇ，ＳＵＮＸｕｅ，ＹＡＯＪｉｎｙａｎ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｉｎｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２１，４９（１８）：７１－７５．收稿日期：２０２０－０７－２１基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（２５７２０１４ＢＢ０６）作者简介：肖亚宁（１９９８ ），男，硕士研究生，研究方向为机电一体化技术㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｏｙａｎｉｎｇ＠ｎｅｆｕ ｅｄｕ ｃｎ㊂通信作者：孙雪（１９６８ ），女，副教授，研究方向为机器人技术㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｅｓｕｎ＠ｈｉｔ ｅｄｕ ｃｎ㊂基于ＡＲＭ的选择性激光烧结打印机控制系统设计肖亚宁，孙雪，姚金言，郭艳玲，李健（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５００４０）摘要：针对目前国内外选择性激光烧结打印机普遍采用ＰＣ工控机㊁运动控制卡或可编程逻辑控制器作为控制系统硬件平台，不仅操作复杂且价格昂贵等问题，设计一种基于ＡＲＭ的激光烧结打印机控制系统㊂该系统以ＳＴＭ３２控制器作为主控单元，丰富并完善相应的扩展电路以及人机交互界面等，可以实现对激光㊁温度以及电机运动进行控制㊂基于设计的控制系统搭建样机进行烧结实验，结果表明：该控制系统各模块运行稳定，加工件表面光滑㊁结构清晰，在满足基本工艺要求的同时大幅度降低了设备成本㊂关键词：激光烧结打印机；ＡＲＭ；控制系统；ＳＴＭ３２控制器中图分类号：ＴＰ２７３ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇＰｒｉｎｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＡＲＭＸＩＡＯＹａｎｉｎｇ，ＳＵＮＸｕｅ，ＹＡＯＪｉｎｙａｎ，ＧＵＯＹａｎｌｉｎｇ，ＬＩＪｉａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＨａｒｂｉｎＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ１５００４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ＰＣｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｃｏｎｔｒｏｌｍａｃｈｉｎｅｓ，ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｃａｒｄｓｏｒｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓａｒｅｇｅｎｅｒａｌｌｙｕｓｅｄａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｉｎｔｅｒｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｎｏｔｏｎｌｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｔｏｏｐｅｒ⁃ａｔｅ，ｂｕｔａｌｓｏｅｘｐｅｎｓｉｖｅ．Ｔｏａｄｄｒｅｓｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ，ａｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｉｎｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＲＭｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｓｙｓｔｅｍ，ＳＴＭ３２ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｅｘｐａｎｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｈｕｍａｎ⁃ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｗｅｒｅｅｎ⁃ｒｉｃｈｅｄａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔｏｔｈｅｌａｓｅｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｍｏｔｏｒｍｏｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓ⁃ｔｅｍ，ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｂｕｉｌｔｆｏｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｅａｃｈｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｒｕｎｓｓｔａｂｌｙ，ａｎｄｔｈｅｐｒｏ⁃ｃｅｓｓｅｄｐａｒｔｓｈａｖｅｓｍｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｌｅａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃｏｓｔｉｓｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｗｈｉｌｅｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｏｃｅｓｓｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｐｒｉｎｔｅｒ；ＡｄｖａｎｃｅｄＲＩＳＣｍａｃｈｉｎｅｓ（ＡＲＭ）；Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ＳＴＭ３２ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ０㊀前言三维打印是通过计算机对零件ＣＡＤ模型分层切片，并使用高能量激光束或其他方法依据切片数据轨迹将材料逐层堆积而形成三维实体模型的一种增材制造技术［１］㊂目前相继出现了选择性激光烧结（Ｓｅｌｅｃ⁃ｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ，ＳＬＳ）［２］㊁光固化（ＳｔｅｒｅｏＬｉｔｈｏｇｒａ⁃ｐｈｙＡｐｐａｒａｔｕｓ，ＳＬＡ）［３］㊁熔融堆积（ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｌｄｉｎｇ，ＦＤＭ）［４］等多种加工方式，其中选择性激光烧结是发展时间最长也是最重要的一种技术［５］㊂激光烧结打印机控制系统是三维打印系统中最重要的组成部分，控制系统效率和稳定性更是技术上的难点㊂然而，传统激光烧结设备大多采用ＰＣ工控机㊁运动控制卡［６］或可编程逻辑控制器等作为硬件控制单元，这使得设备体积较大，日常维护和更换都要耗费较高的成本㊂因此，本文作者在满足ＳＬＳ工艺要求的基础上，采用ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＥＴ６控制器作为控制单元，设计了相应的电源电路㊁步进电机运动控制电路㊁温度控制电路以及激光控制电路，为实现低成本㊁轻量化激光烧结设备的开发提供了新的参考㊂１㊀控制系统总体方案选择性激光烧结机控制系统不仅要满足最基本的工艺需求，还需要尽可能保证结构简单，其功能主要包括：（１）温度控制功能㊂ＳＬＳ工艺过程中，保持温度在一定合理范围内对加工件的力学性能和质量好坏有着重要的影响；（２）步进电机控制功能㊂选择性激光烧结机的成型箱和供粉箱的上下移动以及粉辊铺粉操作均由步进电机驱动，步进电机的方向信号和脉冲数由控制器产生；（３）激光扫描控制功能㊂用于实现ＣＯ２激光管㊁激光电源㊁偏转振镜等光路结构的控制，从而使得高能量激光束能够跟随零件切片轨迹数据层层烧结；（４）人机交互界面功能㊂为直观地读取设备信息，下达控制指令，需要人机交互来增强可操作性㊂针对上述基本功能，本文作者拟定的激光烧结机控制系统总体结构如图１所示㊂整个控制系统由主控模块㊁扩展板㊁执行模块㊁人机交互界面以及检测模块组成，其中主控模块与扩展板构成了控制系统硬件的核心，实现了数据处理㊁信号采集的输入和输出㊂因为目前市场上没有能够完全满足相应性能要求的扩展板，故需要自行设计相应电路㊂图１㊀控制系统总体结构２　控制系统硬件设计２ １㊀主控模块为满足零件切片数据的高速传输同时兼顾总体性能，选择ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＥＴ６控制板作为主控模块㊂ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＥＴ６控制板是一种采用Ｃｏｒｔｅｘ⁃Ｍ４内核的ＡＲＭ控制板，其片内有着丰富的板载资源和先进的外设，可配置的通信接口有１５种：ＳＰＩ，Ｉ２Ｃ，串行接口等［７］，具有很好的灵活性和扩展性㊂２ ２㊀扩展板设计与制作２ ２ １㊀电源电路ＳＴＭ３２Ｆ４０７ＺＥＴ６控制板的供电电压不得超过５ＶＤＣ，电压过高可能会导致控制器工作不正常甚至烧毁㊂为了同时满足部分功能模块对电流和电压的要求，故在电源电路的设计上采用了５ＶＤＣ和１２ＶＤＣ外部电源接口，通过在电源两端并联稳压电容能够使电路输出的波形更加稳定，扩展板电源电路如图２所示㊂其中５Ｖ网络用于单片机供电，ＶＣＣ＿５Ｖ网络用于光耦隔离电路，防止信号干扰，１２Ｖ驱动电源网络主要分配给各功能模块㊂图２㊀电源电路２ ２ ２㊀步进电机及行程开关控制电路步进电机的脉冲信号和方向信号由控制器发出，经过ＴＬＰ５２１⁃４和ＡＤ７５０２复用器组成的控制电路稳定输出，并与步进电机驱动器的信号端口相连，用于控制步进电机转角的大小以及方向㊂ＴＬＰ５２１⁃４是一种高速光耦，其功能是使控制端信号与负载进行物理隔离，提高电路抗干扰能力㊂ＡＤ７５０２芯片可以实现多路步进电机的交替控制，从而减少控制器外设资源的浪费㊂行程开关电路包括：成型箱及供粉箱的双向限位，粉辊终点限位以及粉辊原点限位的６路行程开关信号㊂扩展板的步进电机控制及行程开关电路如图３所示㊂图３㊀步进电机控制及行程开关电路㊃２７㊃机床与液压第４９卷２ ２ ３㊀温度控制电路加工过程中环境温度对实验材料的物理性质以及制件的力学性能都有很大的影响，所以需要对粉面温度进行实时的测量和精确的控制㊂温度控制电路如图４所示㊂图４㊀温度控制电路在此系统中，加热装置上安装有加热管和ＭＬＸ９０６１４非接触红外温度传感器，加热管的预热温度在３０ ９０ħ内㊂在加工过程中，红外温度传感器实时采集成型箱粉面的温度，并通过Ａ／Ｄ转换控制相应输出端口产生ＰＷＭ脉冲调节加热管的功率㊂２ ２ ４㊀激光扫描控制电路激光扫描系统是设备重要组成部分，如果控制器直接输出数字信号到驱动电路控制振镜，信号很容易受到外界电磁干扰，而差分信号是一种解决这类干扰问题的有效途径㊂激光扫描控制电路如图５所示㊂控制器发出时钟信号㊁同步信号㊁Ｘ通道和Ｙ通道信号４路信号，经过６Ｎ１３７光电隔离以及ＭＣ３４８７Ｎ转变为差分信号输入到振镜驱动电路，控制扫描振镜的偏转㊂图５㊀激光扫描控制电路２ ２ ５㊀扩展板制作根据上述的电路设计，通过网络编号将各管脚相互连接，并对各个电子元器件进行标注，完成电路板原理图绘制并检查无误后，定义外形封装和焊盘封装，创建ＰＣＢ（ＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ）文件，合理摆放各个元器件，完成布线㊁加工并进行手工焊接，最后制作的扩展板实物如图６所示㊂㊃３７㊃第１８期肖亚宁等：基于ＡＲＭ的选择性激光烧结打印机控制系统设计㊀㊀㊀图６㊀扩展板实物图３㊀控制系统软件设计３ １㊀运动控制部分在程序设计中，步进电机的运动由定时器进行控制，每条包含电机运动参数的Ｇ代码被打包成ｂｌｏｃｋ，并加入到循环队列的缓冲区㊂在主程序中需要对定时器初始化并设置其时间，这里设置的时间实际上就是电机的脉冲频率㊂步进电机的运动速度控制中使用了Ｂｒｅｓｅｎｈａｍ算法［８］㊂３ ２㊀温度控制部分激光烧结过程中温度会影响成型效率，因此整个加工过程需要保持成型箱的温度在一定范围内㊂温度闭环控制原理如图７所示，当温度传感器检测到材料表面温度变化时，传感器会通过计算生成反馈信号，反馈信号与输入信号作用消除误差，使实际值与目标值趋于相同［９］㊂图７㊀温度闭环控制原理图温度控制策略可使用离散ＰＩＤ控制器进行调节，ＰＩＤ控制算法的传递函数为ｕ（ｔ）＝Ｋｐｅ（ｔ）＋Ｋｉʏｔ０ｅ（ｔ）ｄｔ＋Ｋｄｄｅ（ｔ）ｄｔ（１）式中：ｔ为采样时间；ｕ（ｔ）为控制器输出；ｅ（ｔ）为反馈误差；Ｋｐ为比例增益系数；Ｋｉ为积分时间常数；Ｋｄ为微分时间常数㊂４㊀人机交互界面设计设计人机交互界面是为了便于设备操作人员使用㊂在硬件上采用了触摸式ＨＭＩ串口屏，串口屏与控制器采用了ＵＳＡＲＴ通信协议［１０］，简单便捷㊂组态的人机交互界面如图８所示，该界面包含了打开文件㊁手动控制㊁参数设置㊁开始加工㊁停止加工等功能按钮，在打印模型选定之后，根据所使用的材料类型，可在参数设置面板中对打印机预热温度㊁激光功率㊁铺粉层数㊁保温时间等工艺参数进行相应设置㊂图８㊀人机交互界面５㊀控制系统实验为验证所设计的控制系统是否可以实现正常的打印功能，搭建了相应的实验样机（如图９所示），并将焊接好的ＰＣＢ控制板与各功能模块相连㊂该样机成型尺寸为２００ｍｍˑ２００ｍｍˑ２００ｍｍ，成型箱和供粉箱均采用５７步进电机带动精密丝杆上下运动㊂为了使样机能够烧结大部分非金属材料如尼龙㊁树脂等，选用４０Ｗ二氧化碳激光管提供能量㊂由于烧结过程中，激光管会产生大量热量而导致功率损失，所以还需要水泵不断提供循环水为其冷却㊂图９㊀控制系统实验样机文中采用的标准测试样件为木塑复合材料，其尺寸大小为１５０ｍｍˑ２０ｍｍˑ４ｍｍ，成型温度约为８０ħ，如图１０所示㊂对于激光烧结成型过程，加工件的烧结质量主要受激光功率㊁扫描速度㊁分层厚度以及预热温度这些因素影响［１１］，为此针对不同实验参㊃４７㊃机床与液压第４９卷数设计了６组实验，如表１所示㊂图１０㊀标准测试样件尺寸图表１㊀实验样件参数实验组数分层厚度／ｍｍ激光功率／Ｗ扫描速度／（ｍｍ㊃ｓ－１）预热温度／ħ第１组０．０８１１１１００８０第２组０．１０１２１２００８１第３组０．１２１３１３００８２第４组０．１４１４１４００８３第５组０．１８１５１５００８４第６组０．２０１６１６００８５㊀㊀利用游标卡尺对每组加工样件进行测量，得出实验结果如表２所示㊂观察６组实验数据，可以发现加工样件的长度㊁宽度和高度偏差均在ʃ０ １ｍｍ之内，且激光功率㊁扫描速度㊁分层厚度以及预热温度参数改变，设备运行依旧稳定，验证了控制系统的可靠性㊂表２㊀实验结果实验组数测量结果／ｍｍ第１组１４９．９５ˑ２０．１４ˑ４．０５第２组１４８．９７ˑ２０．０６ˑ３．９６第３组１５０．１３ˑ１９．９３ˑ３．９５第４组１４９．９７ˑ２０．０４ˑ４．０１第５组１４９．９０ˑ２０．１０ˑ３．９１第６组１５０．１２ˑ１９．９６ˑ３．９８６㊀结论着重介绍了一种基于ＡＲＭ的选择性激光烧结打印机控制系统的设计方案，利用嵌入式控制器作为核心控制单元，完善其外围接口电路㊂针对硬件平台提出相应软件控制策略，并搭建实验样机验证了控制系统设计的合理性㊂目前，所设计的控制系统成型精度与工业级相比有待进一步提高，但人性化的界面和强大的拓展性减少了操作难度㊂未来将进一步提高控制精度，同时利用无线通信模块构建打印网络体系，实现控制系统的智能化和网络化㊂参考文献：［１］成思源，周小东，杨雪荣，等．基于３Ｄ打印技术的实验教学［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１５，３４（８）：１５８－１６１．ＣＨＥＮＧＳＹ，ＺＨＯＵＸＤ，ＹＡＮＧＸＲ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｂａｓｅｄｏｎ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｉｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，２０１５，３４（８）：１５８－１６１．［２］胡晓岳．选择性激光烧结机设计及其试验［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１３，３２（９）：６５－６７．ＨＵＸＹ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｉｎＬａｂｏｒａ⁃ｔｏｒｙ，２０１３，３２（９）：６５－６７．［３］丰洪微，范哲超．光固化３Ｄ打印成型树脂改性与性能研究［Ｊ］．铸造技术，２０１８，３９（１）：１６６－１６９．ＦＥＮＧＨＷ，ＦＡＮＺＣ．Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｉｇｈｔｃｕｒｅｄ３Ｄｐｒｉｎｔｉｎｇｍｏｌｄｉｎｇｒｅｓｉｎ［Ｊ］．ＦｏｕｎｄｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，３９（１）：１６６－１６９．［４］邱晓云，庞学勤，范丽荣，等．熔融沉积快速成型技术中扫描填充速度的模拟与实验研究［Ｊ］．制造技术与机床，２０１６（１０）：１７－２２．ＱＩＵＸＹ，ＰＡＮＧＸＱ，ＦＡＮＬＲ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｓｃａｎ⁃ｎｉｎｇｆｉｌｌｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｆｕｓｅｄｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇｒａｐｉｄｐｒｏｔｏ⁃ｔｙｐｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｍａｎｕ⁃ｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ，２０１６（１０）：１７－２２．［５］李建国．新型ＳＬＳ快速成形控制系统及关键工艺研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００４．ＬＩＪＧ．ＲｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｎｅｗｔｙｐｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆＳＬＳｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ［Ｄ］．Ｃｈｅｎｇｄｕ：Ｓｏｕｔｈ⁃ｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００４．［６］张仟，党新安，杨立军．选择性激光烧结（ＳＬＳ）成型设备控制系统设计［Ｊ］．陕西科技大学学报（自然科学版），２０１２，３０（１）：３３－３５．ＺＨＡＮＧＱ，ＤＡＮＧＸＡ，ＹＡＮＧＬＪ．Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｏｆｓｐｒｅａｄｉｎｇｐｏｗｄｅｒｄｅｖｉｃｅｏｆｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｍｏｌｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉ⁃ｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１２，３０（１）：３３－３５．［７］刘泽玲，周智荣，张伟．基于ＳＴＭ３２Ｆ４０７的畜牧车配料称重仪表的设计［Ｊ］．自动化与仪表，２０１９，３４（６）：８７－９０．ＬＩＵＺＬ，ＺＨＯＵＺＲ，ＺＨＡＮＧＷ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｂａｔｃｈｉｎｇａｎｄｗｅｉｇ⁃ｈｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｆｏｒｆｅｅｄｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２Ｆ４０７［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，２０１９，３４（６）：８７－９０．［８］贾银亮，张焕春，经亚枝．Ｂｒｅｓｅｎｈａｍ直线生成算法的改进［Ｊ］．中国图象图形学报，２００８，１３（１）：１５８－１６１．ＪＩＡＹＬ，ＺＨＡＮＧＨＣ，ＪＩＮＧＹＺ．ＡｍｏｄｉｆｉｅｄＢｒｅｓｅｎｈａｍａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｌｉｎｅｄｒａｗｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍａｇｅａｎｄＧｒａｐｈ⁃ｉｃｓ，２００８，１３（１）：１５８－１６１．［９］苏玉鑫，段宝岩．一种新型非线性ＰＩＤ控制器［Ｊ］．控制与决策，２００３，１８（１）：１２６－１２８．ＳＵＹＸ，ＤＵＡＮＢＹ．ＡｎｅｗｃｌａｓｓｏｆｎｏｎｌｉｎｅａｒＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ⁃ｌｅｒ［Ｊ］．ＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＤｅｃｉｓｉｏｎ，２００３，１８（１）：１２６－１２８．［１０］ＡＧＧＡＲＷＡＬＡ，ＣＨＵＧＨＭ．ＳｗｉｔｃｈｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｎｕｍｂｅｒｏｆＵＳＡＲＴｓａｖａｉｌａｂｌｅｆｒｏｍＭＣＵ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎ，２００９，５７（７）：５０．［１１］陈青果，韦玉堂，张君彩，等．ＳＬＳ烧结实验的优化设计［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（９）：２６－２７．ＣＨＥＮＱＧ，ＷＥＩＹＴ，ＺＨＡＮＧＪＣ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｆｏｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ（ＳＬＳ）［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００９（９）：２６－２７．（责任编辑：张艳君）㊃５７㊃第１８期肖亚宁等：基于ＡＲＭ的选择性激光烧结打印机控制系统设计㊀㊀㊀。

矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。

如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。

㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。

(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。

如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。

对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。

二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。

2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。

㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。

2、矿产品价格稳定性及变化趋势。

三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。

2、矿区矿产资源概况。

3、该设计与矿区总体开发的关系。

㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。

2、矿床开采技术条件及水文地质条件。

激光直写制备金属与碳材料微纳结构与器件研究进展周伟平1*，白　石2，谢祖武1，刘明伟1，胡安明31湖南科技大学物理与电子科学学院，智能传感器与新型传感材料湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201；2理化学研究所光量子工学研究中心先进激光加工研究团队，埼玉县351-0198，日本；3先进制造与纳米工程实验室，紫罗兰街，滑铁卢市，安大略省N2V 2V6，加拿大CCD2/λwaveplateLensPower meterShutterBeam splitter Adjustable attenuatorIllumination source3D translationstageSampleComputerLaserDichroic mirrorMicroscope objective摘要：激光直写技术作为一种新兴的低成本、高效、高精度的加工技术，可以适用于几乎任意自由度的二维或者三维微纳结构快速成型制备。

这对光电子以及半导体微纳结构与器件的制备具有重大的意义。

金属微纳结构在电子学和光子学中有着广泛的应用。

本文综述了激光直写制备金属微纳结构相关研究进展。

主要包括激光直写制备金、银、铜以及复合材料微纳结构与器件。

随后重点综述了激光直写表面增强拉曼光谱微流道芯片相关的研究进展。

随着环保要求的不断提高，功能性碳材料将会在更多领域得到广泛的应用。

与传统的热碳化方法相比，激光直写工艺可以在材料的表面上实现精细的图案化微纳结构的制备。

本文进一步综述了激光碳化直写碳功能材料相关研究进展。

主要包括激光直写原位还原氧化石墨烯、激光碳化木材、叶子等木质材料。

通过对本课题组的研究以及目前相关的研究成果进行综述，本文可为激光直写制备金属与碳材料微纳结构与器件研究及应用提供参考。

关键词：激光直写；微纳结构与器件；金属微纳结构；碳材料；表面增强拉曼中图分类号：TN249文献标志码：A周伟平，白石，谢祖武，等. 激光直写制备金属与碳材料微纳结构与器件研究进展[J]. 光电工程，2022，49(1): 210330Zhou W P, Bai S, Xie Z W, et al. Research progress of laser direct writing fabrication of metal and carbon micro/nano structures and devices[J]. Opto-Electron Eng , 2022, 49(1): 210330Research progress of laser direct writing fabrication of metal and carbon micro/nano structures and devicesZhou Weiping 1*, Bai Shi 2, Xie Zuwu 1, Liu Mingwei 1, Hu Anming31Key Laboratory of Intelligent Sensors and Advanced Sensing Materials of Hunan Province, School of Physics and Electronic Science, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan, Hunan 411201, China;2Advanced Laser Processing Research Team, RIKEN Center for Advanced Photonics, 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, Japan;3Advanced Manufacturing & NanoEngineering Lab, 578 Violet Street, Waterloo, ON N2V 2V6, Canada收稿日期：2021−10−17；收到修改稿日期：2022−01−05基金项目：湖南省教育厅一般项目(19C0763)；湖南科技大学博士启动基金资助项目(E52060)通信作者：周伟平，*******************.cn 。

桂林激光研究所桂林激光研究所是中国优秀的激光研究机构之一，成立于1986年，主要从事激光技术研究和应用推广工作。

研究所拥有一支高水平的科研团队，积极探索激光技术在各个领域的应用，并取得了一系列重要的科研成果。

桂林激光研究所致力于激光技术的基础研究和应用开发，涵盖了激光物理、光学工程、材料科学等多个学科领域。

研究所拥有一系列先进的激光装置和实验设备，能够开展各种精密度高、效率高的激光研究工作。

同时，研究所与多家国内外企业和研究机构合作，开展科技创新合作，共同推动激光技术的发展。

桂林激光研究所在激光材料与元器件、激光器与系统、激光加工与应用等方向上取得了众多重要科研成果。

例如，研究所在光纤激光器方面开展了大量的研究工作，研制出多款性能优良、品质稳定的光纤激光器产品，广泛应用于通讯、医疗、材料加工等领域。

此外，研究所还研发了高功率激光器、超快激光器、紫外激光器等一系列重要激光器件，并取得了国内领先水平。

桂林激光研究所注重科技创新，积极探索激光技术在新兴领域的应用。

近年来，研究所专注于激光在生物医学、环境保护、文化艺术等领域的应用研究。

研究所与多家医疗机构合作，共同研发出一系列应用于医疗诊断和治疗的激光器件和系统，为医疗行业提供了重要的技术支持。

此外，桂林激光研究所还致力于激光技术的普及和推广工作，积极开展科普活动，增强公众对激光技术的了解和认识。

研究所开展的系列科普讲座、展览等活动，吸引了众多师生和公众的参与，提高了激光技术在社会中的知名度和影响力。

总之，桂林激光研究所在激光技术研究和应用方面取得了显著的成绩，为中国的激光事业做出了重要贡献。

未来，桂林激光研究所将继续深入推进科技创新，努力开拓新的研究方向，为激光技术的发展和应用做出更加重要的贡献。

第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。

为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。

这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。

其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。

在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。

本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。

因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。

4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。

前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。

大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。

然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。

因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。

为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。

激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。

前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。

4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。

当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。

中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室2021年XX基金课题指南超精密加工技术重点实验室管理办公室XX二〇一二年十一月目录中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室2021年XX基金课题指南超精密加工技术重点实验室(以下简称“实验室”）隶属中国工程物理研究院(以下简称“中物院"），是中物院超精密加工科技方向基础性、创新性研究的责任主体.实验室成员单位为电子工程研究所、机械制造工艺研究所、激光聚变研究中心，挂靠单位为机械制造工艺研究所，主要从事超精密加工机理、工艺、装备与检测等基础研究工作。

为进一步推动XX、合作与交流，实验室面向全国超精密加工技术领域的研究与工程技术人员设立XX基金,支持国内优势单位与院内单位共同组建联合研究团队开展相关领域的基础、前沿性研究工作。

创立本基金的目的在于，引导和调动全国高等院校、科研机构的科技人员积极参与超精密加工技术领域的基础性研究，发现新现象、新规律，拓展新方向,建立高水平学术交流与合作渠道，培养超精密加工领域科技人才。

XX基金课题分为XX基金重点课题及XX基金面上课题两类。

一、2021年XX基金重点课题指南课题1：紧凑型射频波导传输线研究科学意义和需求背景:移相器是相控阵雷达和卫星通讯系统的关键部件,在电扫描相控阵雷达天线系统中有广泛应用,传统类型移相器(如铁氧体或二极管型)，其体积相对较大、工作频带窄、损耗大、不易集成、成本高等，这些因素限制了这类移相器的进一步应用。

移相器的出现开辟了移相器技术研究的新途径,移相器具有频带宽、损耗小、成本低、超小型化、易于与、电路集成等特点,对现代雷达和通信系统的具有重要的意义。

移相器一般由开关、传输线、馈电单园等基本单位构成.开关是移相器的切换功能单园,而共面波导传输线则是为了让移相器实现高集成的低损连接,在现代单片微波集成电路中应用广泛。

对于射频器件，除了性能上的要求，对于它的小型化也提出了要求,作为射频器件的基本组成部分的传输线也要适应这个趋势。

《激光原理》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介本课程是“光电器件加工”课程模块中的专业核心课程，以培养应用能力突出、能适应工作变化和具有创新素质的学生为目标，在教学内容上，将理论教学与案例教学有机地结合进行知识点讲解，注重培养学生运用基础物理知识分析解决激光相关问题的能力；在教学模式上，采用研讨式的教学模式，注重引导学生对激光技术相关领域的核心问题已有的解决方案进行分析比较，培养学生的问题分析能力。

在培养学生熟练掌握激光器结构、工作原理、调Q技术与锁模技术的基础上，提升学生的综合能力和解决复杂问题的能力，为学生成为新一代技术应用型人才奠定基础。

三、课程目标及对毕业要求（及其指标点）的支撑四、教学内容及进度安排五、课程考核六、教材及参考资料(一)课程教材1.《激光原理及应用》（第3版），陈鹤鸣等编著，电子工业出版社，2017(二)参考教材及网站1.《激光原理》（第7版），周炳琨等编著，国防工业出版社，2014。

2.《激光原理及应用》（第3版），陈家璧等编著，电子工业出版社，2013。

3.《激光原理及技术》，电子科技大学，刘志军等主讲，中国大学慕课。

编写人：审核人：审批人：审批日期：附件：各类考核与评价标准表（1）考试方式及占比：采用闭卷笔试，考试成绩100分，占课程考核成绩的60%。

（2）评定依据：考试成绩的评定根据试卷参考答案和评分标准进行。

（3）考试题型：可以包含单项选择题、填空题、简答题、计算题和设计题。

（4）考试内容：对学生综合运用激光物理的基本概念、基本原理进行问题分析能力的考核，不仅包括对各章节知识点的独立考核，还需要包括综合考虑多种激光器性能与控制的改善方案，实现技术分析和解决复杂工程问题能力的考核。

机械设计基础了解机械设计中的激光加工与应用机械设计基础：了解机械设计中的激光加工与应用激光技术作为现代机械设计领域中的一项重要技术，具备高精度、高效率、无接触等优点，在各个领域的应用中发挥着至关重要的作用。

本文将从机械设计的角度，探讨激光加工技术的基础知识、应用领域以及未来发展趋势。

一、激光加工技术的基础知识激光加工技术是利用激光束对材料进行切割、打孔、焊接、表面处理等工艺的加工方法。

激光加工所涉及的基本元素包括激光源、光路系统、加工头和工件等。

其中，激光源是激光加工的核心部件，常见的激光源有气体激光器（CO2激光器）、固体激光器和半导体激光器等。

在激光加工过程中，激光束的特性对加工效果起着重要作用。

激光束具有高度聚焦、小散斑和单色性等特点，可以实现对细小部件的精确加工。

而激光的功率、频率和波长等参数的选择，则取决于材料的种类和加工目的。

二、激光加工的应用领域激光加工技术在机械设计中具有广泛的应用，以下是其中一些典型的应用领域：1. 切割与打孔激光切割技术以其高精度、高速度和无需接触等特点，在金属、非金属等材料的切割中得到广泛应用。

通过调整激光参数，可以实现对不同材料的精确切割和打孔。

2. 焊接与表面处理激光焊接技术可以实现对细小部件的高精度焊接，常用于汽车制造、电子设备制造等领域。

同时，激光表面处理技术可以通过改变材料表面的结构和性能，实现对材料的强化和改进。

3. 光刻与3D打印激光光刻技术是集成电路制造中的重要工艺，通过精密的激光刻蚀，实现对芯片上微米级器件的制作。

此外，激光3D打印技术可以将计算机模型转化为实物，为快速原型制作和定制化生产提供了可能。

4. 激光测量与检测激光测量与检测技术广泛应用于机械工程领域中的精密测量和无损检测。

例如，激光测距仪可以实现对目标的距离和位置的高精度测量；激光干涉仪可以用于测量工件的表面形貌和形状误差等。

三、激光加工技术的未来发展趋势随着科学技术的不断进步和工业需求的增长，激光加工技术也将呈现出更为广阔的发展空间。

清华大学机械工程系机械工程及自动化专业“卓越工程师教育培养计划”试点学科专业培养方案1.清华大学机械工程及自动化专业工程型人才标准1.1基本思路和指导思想根据教育部“卓越工程师培养计划”的总体部署，结合清华大学“高素质、高层次、多样化、创造性”的总体人才培养目标定位，本计划着力加强工科学生的工程意识、工程素质、工程实践能力和工程创新能力，目标是培养具有国际竞争力的拔尖创新型工程科技人才，培养各机械工程领域的卓越工程师。

在培养过程中，坚持以学生为主体、以教师主导，充分调动学生的积极性，发挥在机械工程与自动化、材料加工工程两个学科方面的科研优势，基于实际工程需求，引导学生在解决实际社会需求和企业技术问题过程中，提升工程意识、工程素质以及工程实践能力，并培养个性化的创造性工程人才。

学生本科阶段校内外实践环节学习累计不少于1年。

在硕士研究生阶段，则是培养掌握机械工程领域坚实的基础理论和宽广的专业知识、具有较强的解决实际问题的能力，能够承担专业技术或管理工作、具有良好的职业素养的高层次应用型专门人才。

1.2 基本标准毕业生应获得以下几方面的知识和能力：1．具有较好的人文社会科学素养、较强的社会责任感和良好的工程职业道德；2．具有从事工程工作所需的相关数学、自然科学知识以及一定的经济管理知识；3．掌握扎实的工程基础知识和本专业的基本理论知识，了解本专业的前沿发展现状和趋势；4．具有综合运用所学科学理论和技术手段分析并解决工程问题的基本能力；5．掌握文献检索、资料查询及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；6．具有创新意识和对新产品、新工艺、新技术和新设备进行研究、开发和设计的初步能力；7．了解与本专业相关的职业和行业的生产、设计、研究与开发的法律、法规，熟悉环境保护和可持续发展等方面的方针、政策和法津、法规，能正确认识工程对于客观世界和社会的影响；8．具有一定的组织管理能力、较强的表达能力和人际交往能力以及在团队中发挥作用的能力；9．具有适应发展的能力以及对终身学习的正确认识和学习能力；10．具有国际视野和跨文化的交流、竞争与合作能力。