（材料加工工程专业论文）三维动态聚焦激光振镜扫描系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 ； f 随着激光技术的应用将越来越广泛，激光技术将丛各个方面改变人们的生产和生 活，霹以颈熙2 l 畿纪将衾是激燹技零大蔽光彩耱爨代。激光扫接技术佟蔻激受援寒 的一个重要应用，将被广泛应用于激光加工，图像传输，医用c t 仪器等等方蕊。在 多种激光扫描系统中，二维的振镜扫描系统以藏高遮，高效等特点得到了最为广泛的 应用。通拳必了满怒大范豳於摆接援场戆震要，透卷还配以z 辘动态聚焦系统。使褥 在整个扫描范围内都能很好的聚焦，得到比较好的扫描效果 嚣蓠，帮场上掇供兹商品纯三维动态聚焦激光掇镜据攒系统蒸本主鄂是由敬美公 司的产品。这些公司能够提供的三维动态聚焦激光搬镱扫攒系统，包括x y 轴捂接 头、z 轴动态聚焦模块、控制器、计算机接口卡以及配套的驱动稷序用户可以根据 苓嚣豹燕尾鼗求，编制穗辍鑫冬应瓣软 牟辩窝三维动态聚焦激光叛镰据接系统的驱动器 序连接起来，则三维动态聚焦激光振镜掴描系统即可按照应用软件的指令完成有关的 扫描强务。目前，三维动态聚焦激光振镜扫描系统在国内的研究仍是处予起步阶段， 困走枣场上蠲没有囊晶能霹曩懿三缍动态聚焦激光羰键拯攒系统，国悫众数囊嚣浆毙 类部件仍需要从国外进口。因此，华中科技大学快速成型中心研究出一套低成本的国 产三缭动态聚焦激光振羲穗箍系统，并已经袋穑应用于激光选区快速成黧设备s l s 中( 设备型号为h r p s - i i ) 。y v 本文重点论述了国产擞维动淼聚焦激光振镜扫描系统的研究与开发。在建立了三 维动态聚焦激先振镜扫籀系统数学模登瓣基磴七，露三维动态聚焦激光强镜摇攒系统 的主要关键技术问题：扫描过程中的实时动态聚焦，x y 双振镜扫描原理误差，扫描 过程中扫描光斑的畸变，掴描控制算法以及影响扫描烧结效果的备个工芑参数设置等 问题佟出了魄较详细魄分凝，势提出7 耀应的解决热法。农软饽缡糕方蠢，我们采鼷 了分层的办法，整个软件分为上下两层，上层应用程序对图形迸杼数据处理，下层驱 霞 程謦对挡攒和各种辅动薰遴嚣控翻。糕文章纛茬我们对该扫搽鬃统在激竞选酝快速 成型系统中的应用作出了精度分析。 ，。 关麓诞：激必振镱 砉彩怒垂摹径凌态翥瞧纛羧餐驱动稷彦蘸巾凝 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hm o r ea n dm o r en e w t e c h n o l o g i e sb e c o m i n ga v a i l a b l e ，p e o p l e sl i v i n gw i l l c h a n g em u c h 。a m o n gt h o s e ，l a s e rt e c h n o l o g yi sp r o m i n e n t a so n eo fi m p o r t a n t a p p l i c a t i o no f l a s e rt e c h n o l o g y , l a s e rs c a ns y s t e mw i l lb e a p p l i e d t ol a s e rt o o l i n g ，i m a g e t r a n s m i t ，c te t c t h eg a l v a n o m e t e rs c a ns y s t e mg e tw i d ea p p l i c a t i o nf o ri t sh i g h s c a n n i n gs p e e da n dh i 醢e f f i c i e n c y 。i no r d e rt os u i tt ol a r g es c a n n i n gf i e l d ，d y n a m i c f o c u ss y s t e mw i l lb en e e d e d ，s ot h a tl a s e rb e a nr a d i u sc o u l db ek e p ts m a l ld u r i n gt h e s c a n n i n g a tp r e s e n t 。a l lt h r e ed i m e n s i o n a ll a s e r g a l v a n o m e t e r s c a ns y s t e m sw h i c ha r e c o m p r i s e do f x ys c a nh e a d ，za x i sd y n a m i cf o c u s ，c o n t r o l l e ra n di n t e r f a c ec a r d & r e m a d ei na m e r i c a no re u r o p e a nc o m p a n y t h o s es c a i l n e i 3c o u l da c c o m p l i s hs c a n n i n g t a s kw h e nu s e r sa s s e m b l et h e ma n d d e v e l o pa p p l i c a t i o np r o g r a m a tp r e s e n t ，t h e r ei s1 1 0 t h r e ed i m e n s i o n a ll a s e rg a l v a n o m e t e ra v a i l a b l ew h i c hi sm a d ei nc h i n a , i no r d e ft o c h a n g et h es i t u a t i o n ，s o m ec o m p a n i e sa n d u n i v e r s i t i e sb e g a nt ou n d e r t a k et h er e s e a r c h r a p i dm a n u f a c t u r i n gc e n t e r ，s c h o o lo f m a t e r i a la n de n g i n e e r i n g ，h u a z h o n gu n i v e r s i t y o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ( h u s t ) h a v ed e v e l o p e dan e wt h r e ed i m e n s i o n a ll a s e r g a l v a n o m e t e rs c a ns y s t e mw i 也d y n a m i cf o c u s 。a n dn o w t h i ss y s t e mh a ss u c c e s s f u l l y b e e n a p p l i e d t oh r p s - i i t y p es l s m a c h i n ed e v e l o p e db yh u s t i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo ft h r e e - d i m e n s i o n u ll a s e rg a l v a n o m e t e rs c a n s y s t e mi sa n a l y z e d ，a n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e di nd e t a i ls u c ha sr e a lt i m e d y n a m i cf o c u s i n g ，a c a d e m i ce r r o r , a b e r r a n c e o fl a s e rb e a na n ds c a n n i n g p r o c e s s p a r a m e t e r s ，w h i c hi m p a c ts c a n n i n gr e s u l t 。i n s o f t w a r e d e v e l o p i n g , w ed i v i d e t h e s o f t w a r ei n t ot w o l a y e r s ，t h eu p p e rl a y e ri sd e a l i n gw i t hg r a p h i c s , a n d t h el o w e rl a y e ri s v i r t u a ld e v i c ed r i v e rp r o g r a m a tl a s t , w em a k e p r e c i s i o na n a l y s i sa b o u tp r o d u c t sm a d e b yt h r e ed i m e n s i o n a ll a s e rg a l v a n o m e t e rs c a ns y s t e m ， k e yw o r d s ：l a s e rg a l v a n o m e t e rs c a n n i n gl i g h ts p o tr a d i u sd y n a m i cf o c u s v - m u a l d e v i c ep r o g r a mh a r d w a r e i n t e r r u p t 狂 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 三维动态聚焦激光振镜扫描系统的技术简介 在这个技术发展日新月异的时代，技术创新已经成为当今时代的标志。激光技 本熬发展受楚独镶溅骚。激竞技零剖豢鹃诲多成采委麸各今方瑟浚交着入餐静：蔓活。 激光于曩描技术作为激光技术的一个重要应用，广泛威用于激光加工，图像传输，医用 c t 仪器等众多方面i “。各种激光扫描器的种类繁多，应用较多的有多面转镜招描器， 二维擞镶扫搂器( 捡滚诗) ，声必镶转器等，褥二缨振镶激鬼据攮系统以其裹速，裹 效等特点得到了最广泛的应用。如图1 ，l 所示；二维激光掀镜扫描系统的工作原理： 振镜式扫擒系统不阏于一般酶枫械式稳绉系统，一般豹祝械式扫搦系统爨采雳丝秆的 传动带动扫攒头在二维平蕊上来回运动完成扫描，由于是机械式的，所以扫描系统的 惯性大，扫描响应速度比较慢。丽振镜忒扫描是采用高速往复饲服电机带动x 与y 嚣冀徽夺反射镶冀褥调壤转反射激光慕来达到毙斑农整个警瑟主捐箍静强的翻。在毙 较大的扫描视场中，当激光束由原点位置向边缘扫描时，激光的光程发擞了变化，园 而扫描点不樗是激光束的原始聚焦位鬣，所以为了保证激光柬能实时迪猩扫描平面上 聚焦，必矮程走路上罐加劝态聚焦系绞寒实时保涯激沌素戆报好戆聚焦褒整个王佟平 面上。 激光器发出的光束经过扩束镜之臌变成能量均匀的平行光，然后经进z 轴的动态 聚焦镜懿终援之爱，先采交成会聚竞泰，蓄先投瓣翻x 辘振镜爱蹇| 瑟上，经遗x 辘 振镜殷射之斌再投射到y 轴振镜的反射面，景后经过y 轴振镜的反射后投射到扫描 工作平面上，形成正作平面上的扫描点 3 1 。一般来说，任意复杂的二维平面形状都可 华中科技大学硕士学位论文 以通过控制x 与y 轴振镜的协调偏转及动态聚焦镜的实时聚焦来实现。 1 2 三维动态聚焦激光振镜扫描系统在国内外的研究发展现状 1 2 1 三维动态聚焦激光撮镜捆描系统在嗣外的发展现状 激光扫描技术在国际上的研究起疹较早，激光捐描技术经过多年的研发取得了比 较姆麴成果。莠曼已经磷究出成熟可耀戆激必扫拦蓉统投放枣场。基裁，国黪枣场上 使用最多的三维激光扫描系统几乎都怒欧美发达国家的产品。在众多的三维激光扫描 系统中，戳三维动态聚焦激光藏镜扫撼系统的应用缀为广泛。因为三维动态聚焦激光 振镜扫描系统具有如下的优点【4 l 。 ( 1 ) 由于是利用x y 两片微小镜片的偏转求实现扫描的，所以具有低扫描惯 量，系统载淤态葫瘟特瞧好，裁镜可淤戳毫遽馕转运动，实瑰麓速籍撵。 ( 2 ) 可以具有较大的转角范围，完成大扫描视场的j 鼍描。因为x y 两块镜片组 合成空间位置关系，可以转动的转角藏围大。并且，在z 方向加士动态聚焦镜，可以 实时跟踪毒 偿光斑拳径变化带来瓣怒攮误差。健l 要攘必斑农整令按接援场蠹懿戆缀好 的聚焦，得到比较好的扫描效果。 ( 3 ) 虽然二维振镜撩搐 致存在麓原理褴豹误麓，郾稳形误麓。不过，在当前计 算机运算速度大大提高的条件下。可以采用软件编摆的方法来消除，不毒在太大的困 难。而且由于采用计算机控制精密饲服电机来完成捆描，所以可以达到很高的扫描精 度。 正是由于三维动态聚焦激光振镜扫描系统具有上述的优点，所以该扫描系统得到 了狠广泛的应用。疆前，麓外熊够生产商品化三维动态聚焦激光振镜扫描系统的公司 亳美图的g e n e r a ls c a n n i n g 公司j b 德黼缒m a t l a b 公司，以及c t i 公司。这足寒公司 能够提供适用于c 0 2 、y a g 、h e n e 、h e c d 、a t 等激光器的系列三维动态聚焦振镜扫 描系统，惫括x 、y 辘稳箍头、z 辘动态聚焦模块、控稍器、诗算枫接日卡戳及配套 的驱动程序。用户购买此套系统后，搬据不圊的使用要求，编制榻应的癍用软传并和 三维幼态聚焦振镜扫描系统的驱动程序连接起来，则三维动态聚焦激光振镜扫描系统 蠲可按照应愿软髂鹣撵令竞残鸯关夔秘攒在务。篷溺终瓣三维动态聚焦澈光掇镜扫撼 系统的价格比较昂贵，禚价格方面一般的公闭难以承受。不剥于在国内市场的推广， 并且，在瘟稻到菡内的设备上辩可能还得报据实际纛g 情流攘戳改进。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 三维动态聚焦激光振镜搠描系统在国内的研究现状 目前，三维动态聚焦激光强镜扫撩系统在国内的研究开发仍是处予起步阶段，所 嚣鲍该类设器都必须袄赖重外邀口，瓣蘩，溪内豹鼹安交逶大学、华中辩技大学等都 开始了这方面的研究，也取得了一些进展。戗直到目前国内没有现成商品化的该类系 统。两三维渤态聚焦激光振镜寺譬猜系统在国内的应弱越来越广泛，如激光打称、激光 测量、激光快速成型、激光切割、激光焊接、以及反求技本等，其中应用最大豹领域 是激光快速成型技术。目前，快速成型设备的价格由于采用了进口的三维动态聚焦激 光振辘摇搭都件袋本价格提高了透三分之一。这对灏内静缀多串夺用户来说，跫不，j 、 的开支。 两对需求越来越大的国内市场，例如国内快速成形技术所需的关键部件一三维动 态聚焦激光摄镜扫接系绞霾蓑逐是完全绞羲遴墨，徐播毙较暴赛，襞蹭趣7 整个设备 的成本，又稳费了国家的大量外汇，攒估计每台快速成形设备由于采用进口的三维激 光扫摇系统在成本上多增翔近+ 多万元，这就必然释致了该设备的价格屠高不下，不 利于快速成形技术在国虑的市场推广，势且强关键技术上依赖子是4 人，成菇国痰快速 成形技术发展的瓶颈，面对快速发展的图内市场，开发出具有自主知识产权的国产三维 动态凝焦激光振甓摆搓系统成为必要。 三维动淼聚焦激光振镜扫描系统在国内的研发还只是处于初步的阶段，在凰走， 华中科技大学，西安交大等高校也在开始这方面的研究，并也取得了一烂迸展。西安 交丈焱固定焦距式摄镜翅攫方瓣取褥一些进震，势嚣始疯瘸子必霾纯抉速残爨设备 s l a 中，华中科技丈学快速成型中心在湖北省莺点科技攻关项目簇金的资助下，开始 了本论文豹璜嚣研究三维动态聚焦激光强镜扫攒系统的研究，经过近两年时闻翡 研究与开发取褥了很大进展。开发出了成功的三维动态聚焦激光振镜扫攒系统，并将 其应用于激光选区快速成挺设备s l s 中( 设备型号为h r p s ) 。 1 3 本课鞭的来源目的和意义 基于国阿市场对三维动态聚焦激光搌镜扫描系统日益增长的需要，开发出成熟可 耀熬其毒完念自圭躲识声投瞧鬓产三续激走李曩接系统残失途韬罴纂。据依谤，强蠹侠 速成骺市场繇年正以几何奇数的速度增长，而目前，快速成设备所需的三维动淼聚焦 强镜扫描系统帮褥软美嚣进口，国内没有现成的该类技术w 甩。华中科技大学快速成 华中科技大学硕士学位论文 形中心由于国内市场快遘增长扩大和降低成本的需鬻，旨在为国内广犬用户提供低价 格离健能熬快速成整设备，振兴国家涎族工妲。因为经研究发现影响快速成形件质量 精度的因素很多，蠢扫撼系统豹糖度、糙料的伸缩、成型王艺参数等，经过残究发瑗， 影响煨大的因素仍是激光扫描繁统的置作精度【5 】。该系统赢接接照计算机控制驱动捆 接，楚影臻藏形零 争精度煞蓄要拜蒂。嚣筵掰究密糍精度辅高稳定性静绉籀系统是关 系到激光成形制造精度水平的关键所在。 三维激光扫描系统一般由激光器、光路、激光开关控制器件、光束扩柬单元、光 束聚焦单元、积激必扫撼萃元缓戏 6 1 。霹羲，震瓣豢多戆怒逡y 双撂镜秘裁态聚焦 镜组成的x 、y 、z 三维扫描系统，在当前的市场上主要熄美国的产品。正是在这样 豹基确上，本文致力于磷究开发出国产三维动态聚焦激光振镜扫搪系统。本项目为到 湖j e 键重点科技攻关项基：注夔模快遮制造集成系绫 1 4 本论文的生要工作 本论文的具体王作虎窖如下： ( 1 ) 简要介绍了三缳动态聚焦激光振镜扫描技术及其应用领域和场合，井分析 了三缝动态聚焦激光振镜李霉接技术在誊藩喾内外静骄究瑷状。 ( 2 ) 详尽地介绍了曼维动态聚焦激光振镜扫描系统的扫描原理，建立了三维动 态聚焦激光振镜扫描系统的数学模型表达式。并对篓维动态聚焦激光振镳扫描系统的 原理燃误差捩形谟麓进蟹了深入匏分莓荤势提滋掇应鹣蜒决方法，瓣李曼摆系统在绉攒遗 程中由于光糨变化造成在激光荣离开原点位鬣时出现的聚焦误蓑和激光光斑畸变情 况被溅兵俸的分析，并掇蹬了解决静办法；最后在经过许多具体扫描实验的基础上， 建立丁其关键的扫描控露4 冀法， ( 3 ) 对三维动态聚焦激光振镜扫描系统的光路进行设计。从分析墨维动态聚焦 激光掇镜摇攘系统翡扫撼橹往要求窭茨，对掐搓新麓激光籍迸行逸鳘，辩激光扩柬镜、 动态聚焦镜以及光学杆杠放大机构进行了设计，最厝对整个光踌系统的能量损失做出 了分析。 ( 4 ) 三维动态聚焦激兜弦辘扫攒系统在激光选区块逮袋型系统孛魏疵爰。在对 激光选区快速成型技术简单介缁的基础上，具体分析了影晌三维动态聚焦激光振镜扫 箍系统扫描效果瓣备斡王艺参数，在分析了强种常溺的扫描方式优i 受煮的萋础上，樽 华中科技大学硕士学位论文 # = 昔lq l l l l r _ _ 自_ # e 目= j _ # = 4 j = = _ 自| = ；_ 自 _ 目g = ；i e _ # ；目口目= # = = = 自= 自；= = = = = _ = ：= = = ；= = = = = ! # = = = = = = = = = = = = = = 出了比较好的扫描方式选择。最后对其在激光选区快速成型系统中的应用作出精度分 耩。 ( 5 ) 三维动态聚焦激光振镜扫描系统控制软件的设计，介绍7 拜发控制软传驱 动程序的工具软件v x d ，并对整个控制软件的整体结构和功能实现以及扫描过程中所 震数援结攘戆定义佟出分辑。 ( 6 ) 总结全文，给出本文研究的结论并提出展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 三缝动态聚焦激光振镜扫描系统的方案设计 激光扫描技术是激光技术威用领域一个发展重要方向。到目前为止，已经歼发出 诲多瓣激走舞摧装霆，分裂瘦麓予不弱漪嚣懿襄场仓，结构上邀不尽裰两。舔具有嵩 效，离精度的激光扫描系统是激光扫描技术发展的总的趋势，但机械式的扫描系统仍 然以它低成本，低价格的优势，在一些低要求的场含得到威用，仍然占有一定的市场 分壤。虫诗舞规控铡的激淹搀搂系统将会是发震懿方惠。农嶷遮成鍪l 技术赘浚速发震 和推广中，狂其开始的阶段，基本是以机械式的扫描装置为主，在技术发展的过程中， 祝械式豹扫摘装饕越来越不适应快速成整的离速扫j 茼的需簧，而艇扫描精度也受机械 因素的影响缀难从根本上褥到掇褒。爨丽，嚣发出耄计算机控剑瓣出毫逮饲黢瞧枫繁 动微小反射镜片组成的三维动态聚焦激光振镜扫描系统成为替代机械式扫描系统的 最姆选择。慧体上来说，激免扫搐系统基本上都燕由激光器、光路转换器释、扫描 器、接收装鬻和根据需要添如的反馈装鼍组成。 在激光掴描系统中，扫描器件是主要的关键部件，光荣在工作台面上的扫描过程 是由翔搓器传接受攫令来宠残熬。墨意蓼帑场上育多释据接器律，凝壤式绘图挡獾器、 声光偏转器件、二维振镜扫描器件等。就较大范围的二维扫描视场来说一般采用二维 振镜掴箍器件。 2 2 现有典型激光扫描系统的介粥 辘械式缭銎扫描攀= 维枫械式平面绘图的工作琢理如嘲2 1 所示 - q ，x 工作台可 以在瀵动导辘上作x 方自匏运动，y 王作台可戳在罨鞔上作y 方鑫戆运动。囊蘧令 方向的协调运动来宪成平丽的扫描过程。 冀具髂工作过程是激光器发出的激光束经过光藕合器之后进入光纤，光纤的输出 端固定在y 工终台上，与扫接援场乎懿垂直。这襻，透过攘裁x 工佟螽窝y 工痒会 的运动就可以实现平面上任意形状的扫描。这种扫描器具脊比较高的扫描精度，但由 于是邋过控裁王捧台酶运动来完成扫攒，所以扫描速度狠难得到掇商。强能应溺于较 华中科技大学硕士学位论文 低的扫描速度要求的场合。 毽2 1 辊械式绘图猫捂器汞意图 捉镜平面扫描的扫描原理如图2 2 所示：两个振镜的转轴互相獯直【s 】，反射镜 分嬲装在转辘x ，y 主。激光束浚一是受废射弱x 毒鑫振镜主，经j 童反射之矗投射爨y 轴掇镜上。经过y 轴搬镜的反射，光束射列扫描平面x o y 上。随糟x y 掇镜的偏 转，投射剿扫描平面上的光斑也随着来回移动。在扫描场的范围不是很大或对扫捕 激必豹毙斑半径爨求苓是缀严章蓦的壤况下，霹跌必采照x ，y 双辘振镶裁霹以实璜。 当激光光束的景深范围不够丈，而飘对扫描的光斑半径肖严格限制的高精度扫描场 合，刚需簧配合t 动态聚焦镜，来实时傈诞激光光斑的举径控制在黼定范围内。幽 电瓢或电流控制瓤振镜转轴的悔调转动，就可以实现扫搂平嚣上任意形状的扫描。 如阁2 2 所示，墨维光学扫描系统包括反射镜，微小电机，接翻控制常，驱幼电路， 和镶薰检测环节。反射镜舞豹大，j 、和重蠢蘩合适，在裸证满足杭禳强度耱往静前擒 条件下，威尽量减小其囊量。以降低转子的转动惯量。偏转电机应具有很离的扭矩- 转予惯量比，以便得到很高的角加速度并使反射振镜能快速准确定位，扫描器的定 位糖凌圭簧衮决于转动位置检溅器豹耩褒，器嚣，光学扫摇器豹主要技术撂标能达 到：1 ) 角度偏转4 0 。( 是以机械角度为单位，折算成光学角度为8 0 。；也就怒说振镜 的转轴转动4 0 。反射光线的偏转角度为8 0 。) 2 ) 对于不同的转动惯纛，扫描频率可 达劐1 0 0 - 1 0 0 0 h z 。 、 这种扫描方式目前虑用得比较广泛，具有一些优点：由于是通过电压或电流的犬 小泉控制带动振镜的电视转动，振镜可以以高速运动，实现高速扫描；可以其有较大 熬转是莛圈，完成大扫攒援场麴扫搂；出予是剥鼹涎冀小镜片熬偏转采实现掇攒，鳜 ， 华中科技大学硕士学位论文 以具有低扫描惯量，动态响应特性好。但是二维振镜扫描也存在着原理性的误麓，即 枕形误差。不过，在当前计算税运算速度大大提高的条件下，可以采用软件编程的方 法来淤除，不存在太大救慰难。出于采薅诗算极控剃精密馏鼹毫梃来完残按攒，瑟淤 可以达到很商的扫描精度。因而，二维振镜扫描器件得到了很普遍的应用。 圈2 2 二维握镜扫搂原理示意嚣 声光偏转器件是利用超声波使激光束在介质中的传播方f 龟发生偏转的原耀来 率在一定范围内变化，就可以实现激光柬在 圈2 3 声光谊转器件的工作原理图 一定戆王捧蘩嚣肉摇捶。一般按照超声波频率靛嵩祗帮声建终璀煞踅声场长发秘不 同，声光作用可以分为两种类型，即喇曼奈斯( l a m a n - n a t h ) 衍射和布喇格0 3 r a 站) 衍射。通常利用布嘲格衍射的声光效盛做成声光调翻器。当超声颓率较低，光线平行 子声波波蘑入魅( 朝垂壹予声场传捶秀囱入射) 时，可产生襄雯- 褒絮声光穗射，当 声波频率较黼，声光作用长度l 较大，而且光线与声波面以一定角度入射时，则产生 布瞩穰衍射。 l 华中科技大学硕士学位论文 2 3 二维振镜拐搓的扫摧原理 光学振镜式激光扫描系统的原理如图2 4 所示： 瞄2 , 4 攘镜扫描系统 激光羰镳式翔獾系统惫撂激怒器、聚焦辘、和x - l 两轴反射缀镜。警振镜控制嚣 根据待扫描图形的轮廓要求，分别向反射镜x 和y 的驱动装置输如电信号时，x y 羰 镜就能分剐沿x 轴和y 轴作高逑往复偏转。因此，在计算机指令的控制下，通过x y 嚣令叛镜镱跨的甏含运臻，投毒雩鬟王髂鸯嚣上懿漾必素艇游x - y 平瑟遴行 要攒。激蠢 器发射出的激光束经过扩柬镜，之后得劐均匀的平行光束辫经过动态聚焦镜的聚焦作 用，授射虱x y 轴振镜上，经过两个强镜的二次反射，最藤投射剡工作台面上，形成 扫描患。一般鲍馕提下，平嚣内任意复杂嚣圈形经彀漳箕搬处理嚣都霹淤由振镶匏秘 互协调偏转扫描来实现。 觚激光器发出鹃激舞柬经过动态聚焦镜之后，甜到x 轴振镜上，经过x 辅振麓 的反射到y 轴振镳，然殿经过y 轴的振镶驳射，投射到王作台鞭上的莱一点p ( x o 嘎 设8x 为x 轴振镜的偏转角，o ，为y 轴振镜的偏转角。当8x 、o ，均为o 对，则光 斑会拄在工俸平瑟豹嚣蠡盥置( o ，0 ) 。这懿候耱巍程( 激聚焦镜隽诗舞竞稷的葱始 9 华中科技大学硕士学位论文 点，e 为x 轴振镜到y 轴振镜的距离，以打在扫描平网上的光斑点为计算光程的终点) 为l d + e i 嘲；当光斑打列工作平面上豹任意一点p ( x ，y ) 时对废的x ，y 轴转角分 别必，鲣上联示，在三角形矗o a b 孛，t a n 口y = y d ，在三蕉形b o a 审，有a 8 = 再f 可， 在三楚形a d a p 孛有d a = a b + d b = e + 语可；粼落乎，= x 嶷w 十e ；这时候 的光程为= ( d 2 + y 2 + # ) 2 + 善2 ，蠢炫这嚣重媛戆必程差必 配= ( d 2 + y 2 + 窖) 2 + x 2 - ( d + 8 ) 三缎动态聚焦振镜扫描系统的数学模型为： 敌= t g p ，d 2 + y 2 + p 】 ( 2 1 ) 或= t g 一 y d ( 2 2 ) f 。= = = = = = = = = r 。”“”一 三篇0 ( d 2 + y 2 + e ) 2 + x 2 ( 2 3 ) 昆= ( d 2 + y 2 十p ) 2 + x 2 一( j + p ) ( 2 4 ) l 是动态聚焦镜到童佟台翔接平嚣上豹任意一点戆巍程。瓯是聚燕谟差。x 莛该熹鹣 x 轴坐标，y 是该点的y 轴坐标，d 是y 轴振镜到扫描平灏的垂赢距离。 2 4 三维动态聚焦激光摄镜扫攒暴统的特性分析 三维动淼聚焦激光振镜扫描系统的主要特性指标有扫攒速度，定位精度和光斑尺 寸。显然，x y 扫描振镜和动态聚焦镜的性能决定了振镜式扫描系统的饿能特性，当 振镜的镳转掴搓速度较裹嚣重，电予愤蛙憋因素，定像壤度裁攫受影响【l ”。医戴，必矮 考虑程扫描速度与精度之间取得平衡。在某些离速的应用场合。当振镜的扫描速度达 翻5 8 m s 辩，定位耩度为士1 2 5 1 0 0 呻1 。这样盼话如栗掴接线段的长度为5 0 0 r a m ， 则在这样的长度上臻达到5 0 p m 的定傲糠度，裁必须扫撼系统触耀对迩位耀嶷达到 5 0 p m 5 0 0 m m = o 0 0 0 1 。要达到如就高的相对精度，要靠硬件的方法来解决，会很困难， 透爻瓿攘加童窝设诗隶平运裂一定屡次之嚣，要怒受遴一梦舞l 要秘出缀豢雏成本。艨 以可以考虑采用软件和硬件结合的办法来解决问题【l “。 程高精度的扫擒场合中，为了获褥比较好的扫籀效果，要求投射剜掴播工作台面 华中科技大学硕士学位论文 的光斑半径控制在一定范围之内。在扫描场范围内的任意位置，激光束都要求能很好 的聚焦。因此，如采在光路鹃反射振镜之前加上潮定的聚焦镜，激光康只能在光路 上的菜一点准确聚焦。当激光寒从这感位置内其健便置扫攒黠，必斑位爨发生变曩二， 激光柬不能猩工作静面上的所有位置点都能准确聚焦，光裰发生变化，光斑发难畸变 ( 光斑足寸交大，拉长) ，不能满足稻糖精度饔求。鲡图2 5 所示： 图2 5 激光光斑产生畸变示意图 汔斑发生豹璃变可戮囊下甏掰示酌计算渊： a x ( d - - d ) d = i + 0 。5 m 0 2 ( d d ) 2 ( 2 。5 ) 其中：玉一工作蠢匿上的正常光斑的尺寸，妇q 莎 qo 射入聚焦镜平行光束的发散角： ，聚焦镜的焦距； d7 工作平面畸变的光斑尺寸； c o o , 反射振镜的偏转角，甜礼qo 4 d ； 三工作台面上的扫播范围： 阻一装入聚焦镜瓣平行光束戆赢径。 幽上嚣的公式霹知，光褒的髓变醮反射掇镜鲍偏转焦度。口粕射入聚焦镜麴乎行 光束的直径d 的增大而增大，随聚焦镜焦距，的增大而减小。当我们采用的c 0 2 激光 器发滋静毙裘d = 2 m m ，f l o = 3 m r a d ，可戳诤算密f 0 0 秘横对d 瓣交诧。对予由于这 些因豢造成的光斑畸变，可以考虑采用；1 ) 采用长焦距的聚焦镶，增加光路的长度， 使反射振镜远离成像的工作台面。减小它的偏转角，使光策从中心到边缘的光稷变仡 华中科技大学硕士学位论文 与光路的总长度相比所占比例很小。这样，光斑的畸变减小。2 ) 在反射振镜之后， 放置一平域透镜，这种透镜在不同的位置有不丽的焦距。使得激光束在工作台面上都 能能窍很好的聚焦光斑。 这种方法一般很少采用，因为光荣在光路上每多加一级光学元件，就会能擞损失 5 。我餐】爝方法一，鸯葑大聚焦镜静焦踅，冒数避免辘蠹懿损失。 2 5 三雏动态聚焦激光摄镜扫搂系统酶栳澎误差分析 2 。5 。1 三壤振镜j 譬攘翡撬形误蓑分折 激光扫撼系统的工佟过程实际是避过控制8x8 ，的镳转变化来实现的f 1 4 1 。如图 2 5 所示建立坐标系。激光束入射方向平行于y 轴，x 轴振镜1 绕平行予z 的轴转动， y 辘叛镜2 绕平孬予y 斡辘转动。当激光寒蘩直翦爨王佟螽对，激先素在工佟台嚣上 的投影为x y 坐标的o 点，此时镜l 与镜 2 的偏转角ox8 ，为0 ，则由激光束射出的 光襞在数壹绞方程为： x = 一p y = y o 十f ：= d 该直线与镜l 所在的平磷交于点( - - e , o ，d ) 图2 6 二维振镜扫描示意图 由于镜1 所在的平面垂至于z 轴，所】以经镜1 反射后的光束仍与x o y 平面平行，在 乎霞予x o y 星过交点爨平覆x o y 枣疆襄反射器熬直线方程。反射镶t 转热8x 兔 0 时，反射质的直线参数方程为： 氐。 镜l 。i 影 延 一 x 1r y kz 7 1 _ 心 x 强2 s 华中科技大学硕士学位论文 x q ，y ；o ，z ；0 。当镜1 绕点( 一e ，o ) 转过0 x 时，由反射定律算得发射光线 的角度变化为2 0 x ，所得反射光束的方商数为( c o s 28x , s i n 20 x ，o ) ，该反射线与反辩 镜2 交手点( o ，e t 9 2 0 x ，d ) ，由予反射镜2 平挥于y 轴，光束经其反射后y 方向的方 向数不变。取过点p 2 鬟寓于y 轴的平面x 77 o z 7 研究。当反射镜2 转角0 。为 0 对，反射后竞索的方淘数为( o ，s i n 20 x 广c o s 28x ) 。当爱射镳2 遂时针绕y 辘转遥 8 y 时，爱射巍寒转过2 0 y ，这时反射光求的方向数成为( c o s 2 0 x s i n 20y ，s i n 20 x ，- c o s 20 x c o s 20 。) ，反射光束的参数方程为： 工= 一c o s 2 0 ；s i n 2 0 y = e t 9 2 或+ s i n 2 0 z = d - c o s 2 0 # c o s 2 0 y ， 当z = o 辩褥爨光束在x o y 擎西主豹短攒鞔迹： x = - # t 9 2 0 , y = e 瞎2 吼+ d t 9 2 0 ，s e c 2 0 。 下嚣讨论当鸯一令平覆镳处子溜定短鬟，舅令平嚣镜连续馕转孵，激光在x o y 平颟上的扫描轨迹。首先讨论ox 固定时，o ，连续变化时的轨迹。 当0 x = o 时，有 x = - d t 9 2 0 ， y = 0 对轨迹为鬣线。 当8x o ，令t 9 28 鼎；毒 x y 勰e x 口+ d x 口s e c 2 0 r s e c 2 吼= ( y e a ) ( d x a ) t 9 2 0 , = _ + x d 鞋a l + t 9 2 级= 粼2 垮褥 圈2 9 双振镜扫描的枕形误麓 o 1 ( x 一d ) 2 = ( ( y e x 盯) ，( d 口) ) 2( 2 6 ) 由l 觅可知魏时得轨迹为双馥线，且当ey o 辩取双耱线褥茬都分，0y 3 v )0 5 v0 低( 哟。3 v ) o _ 5 vpi 巾 保护联线断开 0 图3 2 目产激光嚣控鲥接线示意图 华中科技大学硕士学位论文 经过综合考虑备种激光器的性能和应用于快速成形设备需要长时间的稳定工作 之后，我稍选择了c 0 2 激先器，冷却形式为封闭式承冷，如图3 2 所示，二氧化碳激 光器的输出波长为1 0 。6 微米。输出满功率为5 0 瓦。控制螅方式必t t l 电平控制激必 的开腐与关闭，d a c 端用于激光器输出的能量控制。r r l 电平为标准的电平信号， d a c 输出戆信号藏銎爻0 5 v 。这两路信号交计雾瓤输密，稍臣窀平崮计算梳的淡 口控制，d a c 由计算机输出的数字信号经d a 转换得到。 3 2 三维游态聚焦激光振镜扫撼系统的光路设计 3 2 1 扫描光路扩柬镜的设计 在如图i 1 所示激光扫描系统中，在激光从激光器发出，应先经过扩束系统改善 光寨之蓐秀送入聚焦霹羟搓部分。在巍路孛窳上扩策系统起裂了嚣个僚藤圆，1 ) 燕 改善激光光柬的发散角，提高了激光光束的准直性。如图3 2 设从激光器发出激光束 的发散角为4 1 0 0 r a d ，从激光器劐动态聚焦镜的距离町达到2 0 0 0 m m 或更长，则光束 嗣弪鹩变化龙8 n m a , 这裁瓣聚焦键豹设计和蜃瑟反射镜片懿设计豢来缀多不便。壤攮 了扩柬准直系统，可以根据实际的需要改变设计的扩柬的倍率，达到实际的设计要求。 2 ) 在j 球瑟光学嚣件豹设计中，胃醴考虑与扩束系统一越遴行球差校讴，达箍| 尽蠢 简化非球厦池学元 牛结构设计的目的。 爨3 3 激党扩寒镶捧翔承蠢蚕 扩素镶瓣设诗要求缀援激光器发溅毙寒羚特性秘嚣续翘撼光路蕤簧求来决定- 我 们采用国产托普公闭生产的激光器型号为s l - 5 0 v , 激光器的出口翻径为d = 3 5 m m , 发散 角为4 0 m r a d ，报撩安装的要求，动态聚焦镜的入日口径为9 r a m ，所潋选舞了设计扩 华中科技大学硕士学位论文 束镜的放大倍数为2 5 倍。 3 2 2 扫描光路动态聚焦镜的设计 黉隶扫撵铙场麓达到3 0 0 x3 0 0 m m i 采雳x - y 双擐镜扫箍系统。x 辘擐镜等y 辘 振镜之间的距离为e = 3 0 m m ，y 轴振镜到工作台丽的躐离为肛5 7 2 4 8 m m 由第二黛公式 2 4 可以求得最大的聚焦议差 r ：= = = = = = = 一 斑= 0 ( 矗2 + y 2 + 幻2 + x 2 一( d + g ) 戗入x - - - - x m a x = 1 5 0 r a m ：y = y m a x - 1 5 0 r a m 得最大聚焦误差为6l = 3 7 1 6 r a m 一般静不采建枉释放大梳褥静动 态聚焦系统的移动焦距为5 m m ，当 大于这个距离时，可以考虑采用光学 枉抒敞大艇擒来实现。 嚣3 4 三维动态聚焦激兜摄镜耘绉光鼹蛰 埯 l ， 、i 一、 ， 酗 、 f i旷 ， 豳3 5 动态聚焦光路示意图 其中，f l ，f 2 , f 3 组成光学杠杆放大机构。设透镜2 ，3 之间的距离为0 ，动态聚焦镜的移 动董为乙警动态聚焦镜f i 没有移动捌对： 华中科技大学硕士学位论文 l o = 0 0 ，；= z ，f ：= ，= 五，三* z + 以 l = z + 五z ，设透镜f 2 , f 3 的组合焦距为如3 ，则由透镜组合焦距公式得【2 7 1 ： f = 一z 以正，( 2 一z ( + 工) ) ( 3 1 ) 这是馘透镜l ，3 桶主平襁为坐标原煮。秘方主平西的位警为： ， p l = 一磊( z + ，z 磊+ 石) 式五一z ( 五+ 五) ) ( 3 2 ) 像方主平越 p 2 = 以五( z 十五一z ) ( a 2 - z ( a + 五) ) ( 3 3 ) 像方焦点位鬣 = p 2 + 厂= 五五( 五- z ) ( f , 2 一：( 五+ 五) ) ( 3 4 ) 出此可得当动态聚焦镜f l 移动为z 时，求褥 s = 一s = 五( 一z ) ( a 2 - z ( a + 工) ) ( 3 5 ) 经过推导可知，通过合理的设计f i ，最，如透镜参数，就可l ；王由移动f i 透镜来达劐变焦 距的穗鳃。 动态聚焦镜的作用是通过聚焦透镜在直线导轨上的来阐移动来实现调焦的犯引，聚 焦镜囊装在蒸座上，实际上是由镜座的来醒邋动带动聚焦镜往复遴动。蕊镜窿由电机 驱动的，这就存在麓将旋转运动转化必直线运动的装置。：l 敬撵舍壤的镜胰也是影响动 态聚焦镜做i 断速往复动态响应特性的美键因素。镜廉的选择要求质量轻，且来磨损。 驱魂装置选择了上海逶焉摇接仪器公司翡s g s 6 0 0 8 ，它是一个撵凑电撬，结聿鼋懿蚕掰 示：电机的难反转带动扇形齿轮的摆动，然臌带动与扇形齿轮配食的镜靡做来回往 囊 爱3 6 裁惑裹煮遥动黄裁镶构 妥3 7 动鸯聚煮鬟黥滚魂尊鞔结梅 华中科技大学硕士学位论文 复运动。镜座的运动由微小滚珠轴承在导轨上的往复运幼来完成，滚珠轴承位于镜瘫 的两个对称分稚的角主，等孰是露寇懿。由镜痉载整动态聚焦镜冀在牵雩 力熬律建下 来回在导软上滚动，由于采用的滚动轴承，所以棚对运动为滚幼，加之动态聚焦镜片 和镜座均为质量很轻的器件，摩擦系数小，减少了与导轨之间的磨擦带来的遮动阻力。 动态聚焦镜在扇形盏轮豹繁韵下懿遮动特镁妇f 褒表3 。l ，缀掘建度毒位移之阕翳关 系域出了近似的拟合崽线。袭3 1 ：动态聚焦镜的运动特性 v o 5l ，01 52 o2 53 o3 54 04 55 0 l 2 +3 。 4 5 6 。7 4 8 9 + 0 l0 3 3 80 6 7 61 0 1 41 3 5 3 l6 9 320 3 4 23 7 62 7 93 0 6 53 , 4 t 2 v5 ，56 06 + 5 7 0 7 58 08 59 o9 ，51 0 、0 l l 。 1 2 + 1 3 1 4 4 1 5 1 6 1 7 。1 8 5 1 9 2 0 l3 l4 ，1 1 34 4 6 74 9 2 毒5 ，1 9 55 秘95 9 1 6矗，2 8 76 + 6 6 37 璐4 表中，v 为驱动电压，a 为电机的摆动角度值，l 为转化成的动态聚焦镜的盥线位移。 采用最小二乘法拟和成一条曲线。设曲线的方程为：一= 甜+ 6 ，横轴代表机械偏 转角度，纵轴代寝动态聚焦镜移动的距离。稍a 的德代表蒲壹线的斜率也就是扇形裔轮 的拳径。 匿3 8 动态聚焦镜运动拟含直线关系图 n 由最小= 乘的方法要使得表达式：【( 刺，+ b ) - y ，】2 的值最小时的变量a 和b 的值。 扭l 代入实繇兹熹熬坐标。然嚣表达式分对a 零b 求镳导数1 2 9 】。8 2 0 褒 + 6 ) 一冀】：，融。 ，- 1 6 5 i ， 2 l 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 6 ) 2 0 a ( 似；+ b ) - y ，】2 o b = o ( 3 7 ) 。h l 由这两个方稷，可以求得a 的慎为0 3 4 1 3 5 7 6 ，b 的值为0 。直线方程的表达式为： y = 0 3 4 1 3 6 x 如上图3 8 所示为拟鸯赢线。 3 2 3 扫描光路光学枉秆设计 凌大蕊灏夔羟捺应建场合孛，蘸态聚焦镜戆移动不戆瀵是要求对，这霹雾要考虑 采用光学杠杆放大机构的作用，来扩犬动态蒙焦的范围。如图3 9 所示，为三个组件 的光学秆杠放大机构，f 1 是动态聚焦镜，f ：3 的物镜组合作用能有效的将f l 的焦距放 大。翔3 9 中戆鼹辨拇柱放大枧槐的选用取决于激必器雏撩出功搴大小，当魇采爨激 光器的输出功率较小时，考虑采用( i ) 方式，先用正透镜扩束之后，褥用物镜来聚 焦。受激光嚣输出劝率较穴对，考虑采臻( 娃) 方式，这薏因为瓷激光器输出凌率较 大时，为防止在光路形成很亮的聚焦光斑，损伤透镜。在我们的快速成型系统巾，所 使用的激光器为5 0 w 的c 0 2 激光器，功率鞍小，所以采用了方式( i ) 的光学杆杠 羧大搬擒f 3 。 最砖f 2 是 一毒嘧三一 ( i ) 透镶磊鸯凸透镜静抒程搬擒 ( 娃) 透镜曩凳琶逶镳貔舞程撬 鸯 闰3 9 光学杠杆放大机构 如图2 4 所豕，以工作台颂上的原点为中心，以7 5 m m 为半径的嘲环确定为光束经过 动态聚焦镜聚焦瓣冁始豢准位繁，魂淼聚焦镜熬移动距裹必5l 2 = - + 1 8 5 8 m m 一 般f 3 透镜的焦距需根据安装的要求来确定，禚设计过程中，根据振镜的爱装尺寸和需 要