（机械电子工程专业论文）用于激光照排机的转镜式激光扫描器的研究.pdf

摘要 【无刷直流电机是电机与电子换相技术相结合的一种新型电机， 它既有普通直流电机良好的启动和调速性能，又具有寿命长，可靠 性高，无换相火花及噪声低等优点。因而，在电子印刷、宇宙航行、 航海、无线电通信、检测、测量、采矿及化3 f - 等特殊场合中得到广 泛的应用。 转镜式激光扫描器是激光扫描成像技术的核心，如果扫描器质 量不好，在扫描图像中会产生赝像( 如条带等现象) 。产生这种情况 的原因与激光转镜式扫描器有十分密切的关系。转镜式激光扫描器 的负载主要有三个：一是轴系的惯性，二是轴承的摩擦阻力，三是 轴系上的不规则物体的风阻。对于高速旋转的轴系，后者不可忽视， 其主要影响扫描器的功率。当轴系上零件的几何形状不规则时，会 产生交变的径向力，则由此可造成轴系的径向晃动。 转镜式扫描器 对驱动电机的运转平稳性能( 稳速精度) 要求较高，一般为 1 0 4 1 7 x 1 0 。转速的波动、扫描器主轴的晃动、电机换相过程中的抖 动、动不平衡产生的震动、转镜高速旋转产生的湍流对转轴和光束 的影响等诸多因素，直接影响激光照排的质量。所以，对转镜式激 光扫描器的研究有十分重要的意义。y 本论文针对转镜式激光扫描器的应用，实施了转镜式激光扫描 器的原理及总体方案设计，对无刷直流电动机的理论进行了探讨， 并针对转镜式激光扫描器的特殊要求进行了扫描器的机械结构及其 控制系统的结构设计，对研制的扫描电机的性能进行了综合实验。 在照排实验中对整体、单元部件产生的误差对照排质量的影响进行 了分析、实验，校正( 动平衡) 等，并对试验过程中扫描器产生的 误差、来源、原因、及其综合因素进行了分析和研究。 ，- 一，一 v 关犍词：激光扫描，激光照排机，轴压，自驱动， 整体动平衡，f o 物镜，无槽电j i 乒 a b s t r a c t t h eb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tf d c ) m o t o ri san e wt y p eo fm o t o r c o m b i n e dw i t he l e c t r i c a lp h a s ec h a n g et e c h n o l o g y 。w h i c hh a sa d v a n t a g e s o fg o o dp e r f o r m a n c eo fi t s s t a r t i n g a n da d j u s t i n gr o t a t i o ns p e e d 1 0 n g l i f e t i m e h i g h e rr e l i a b i l i t y ，s p a r k l e si n e l e c t r i c a lp h a s ec h a n g ea n di o w n o i s e e t c t h eb r u s h l e s sd cc u r r e n tm o t o r sc a nb ew i d e l ya p p l i e dt o e l e c t r o n i c a lp r i n t i n g ，a e r o s p a c e ，n a v i g a t i o n ，a v i a t i o n ，r a d i oc o m m u n i c a t i o n ，t e s t ，m e a s u r e m e n ta n dm i n i n g ，e t c t h ed e f l e c t o ro fl a s e rs c a n n e ro nt h ei a s e ri m a g e s e t t e ri st h ek e yp a r t i nt h el a s e rs c a n n i n gi m a g i n gt e c h n o l o g y ，a n do p e r a t i n gs t a t eo ft h el a s e r s c a n n e rh a sa ni n f l u e n c eo na h a l i t yo fi t i ft h el a s e rs c a n n e ri s 0 f f n o r m a lf u n c t i o ns p u r i o u si m a g e si e g s t r i p e1 m a g e s ) a p p e a r1 1 1 s c a n n i n g i m a g e t h e r ea r et h r e ef a c t o r st oi n f l u e n c ep r e c i s i o no f t h el a s e rs c a n n e r ， i e i n e r t i a lo ft h es h a f t i n gf r i c t i o nd r a gr e s i s t a n c eo fb e a r i n ga n dw i n d r e s i s t a n c ei n t r o d u c e db yi r r e g u l a rg e o m e t r i c a ls t r u c t u r eu n d e ro p e r a t i n g a th i g hs p e e d t h el e t t e ri nt h e s ef a c t o r si sn o ti g n o r a b l ei n r o t a t i n gs h a f t i n ga t h i g hs p e e d b e c a u s eo fe f f e c to fi to n p o w e r o ft h el a s e rs c a n n e r a l t e r n a t i v er a d i a lf o r c eg e n e r a t e db yi r r e g u l a rg e o m e t r i c a lp a r t sr o t a t i n g a t h i g hs p e e di sp u tu p o nt h es h a f t i n ga n dm a k e st h es h a f t i n gs h a k e r a d i a l l y t h es t a b i l i t yr s t a b l es p e e da c c u r a c y ) o fd r i v i n gm o t o rr o t a t i n g o ft h ed e f l e c t o ro fl a s e rs c a n n e ri s r e q u i r e ds t r i n g e n t l ya n di su pt o 1 0 4 1 7 1 0 。i ng e n e r a l s t u d yo nt h el a s e rs c a n n e ri sv e r yi m p o r t a n ts i n e e f l u c t u a t eo fr o t a t i n gs p e e do ft h em o t o r w o b b l eo ft h es h a f t0 ft h el a s e r s c a n n e r ，t r e m b l ei n t r o d u c e db ym o t o rc h a n g i n gp h a s e ，s h a k eg e n e r a t e d o u to fd y n a m i cb a l a n c e ，t u r b u l e n c ei n t r o d u c e db yt h ed e f l e c t o rr o t a t i n ga t h i g hs p e e dh a v ea ni n f l u e n c eo nr o t a t i n gs h a f ta n d1 i g h tb e a ms o a st o d e c r e a s eq u a l i t yo ft h el a s e ri m a g e s e t t e r t h i s p a p e r d e s c r i b e s p r i n c i p l e a n d g e n e r a ld e s i g n o n r o t a t i n g d e f l e c t o ro ft h el a s e rs c a n n e r a c c o r d i n g t o a p p l i c a t i o n t h e o r y o n b r u s h l e s sd cm o t o ri ss t u d i e da n ds t r u c t u r e so ft h em e c h a n i c sa n d c o n t r o ls y s t e mh a v eb e e nd e s i g n e da c c o r d i n gt os p e c i a lr e q u i r e m e n t so f t h er o t a t i n gl a s e rs c a n n e r t h e s c a n n i n g m o t o r d e v e l o p e d h a sb e e nt e s t e d s y n t h e t i c a l l y i n p e r f o r m a n c e t h e e r r o r so fs y s t e ma n d p a r t s o fu n i t so ft h ej a s e r i m a g e s e t t e rh a v eb e e nt e s t e d a n a l y s e da n dc o n n e c t e di nd y n a m i c b a l a n c e a n da l s ot h ee r r o r so ft h e1 a s e rs c a n n e r ，r e a s o na n ds o u r c ef o rt h e i r g e n e r a t i o n ，a n do t h e rf a c t o r sh a v eb e e na n a l y s e da n ds t u d i e d k e y w o r d s ：l a s e rs c a n n e r ，l a s e ri m a g e s e t t e r ，s h a f t i n g ，s e l f - - d r i v i n g i n t e g r a ld y n a m i cb a l a n c e ，f 一0l e n s ，g r o o v e l e s sa r m a t u r e ， 第一章绪论 1 1转镜式激光扫描器的研究目的和意义 随着计算机和信息技术、激光技术、精密机械和电子技术的飞 速发展，光、机、电融为一体的综合技术产品的研制扣生产已经成 为当代高科技产业开发的重要方向之一。当前，激光扫描技术、信 息纪录、存储、在线检测技术已经得到广泛的应用。激光扫描技术 是一项多学科应用技术，近几十年来发展很快并日趋成熟，已经广 泛应用于电子印刷、国防、航天、遥感、在线检测、测量、检测仪 器、c t 相机纪录装置、c r 读取设备、条码制造和条码读取等领域。 转镜式激光扫描器，主要在绞盘式、内滚筒式、平板式激光照 排机上应用较为广泛。照排机有史以来经历了四代，第一代是手动 照排，第二代是机械照排，是5 0 年代美国p h o t o n 公司开发的， 第三代c r t 照排机f 3 1 则是德国的h e l l 公司1 9 6 5 年开发的，6 0 年代 末发展逐步成熟。7 0 年代中期，日本大仓公司引进德国h e l l 公司的 技术；日本森泽公司则与英国的l i n o t y p e 公司合作，研制成日丈 第三代c r t 照排机。由于当时我国制作高分辨率的阴极射线管有很 多难关，其中一系列的矫正电路( 例如非线性矫正，像散矫正等) 的困难外，更严重的是高灵敏感光胶片亦不过关，照排输出幅宽也 会受到很大的限制。第四代一激光照排机是英国蒙纳公司于1 9 7 6 年 研制成功的。但当时美国d y m og r a p h i cs y s t e m 研制的激光照排机， 很快就放弃了推出商品的计划，由于激光逐行扫描对控制器( 当时 还没有栅格图像处理器一r i p ) 的设计带来困难，影响了当时四代机 的发展。1 9 7 6 年英国蒙纳激光照排机问世后并没有大量推广，直到 1 9 8 5 年第四代照排机一激光照排机才开始在国外流行。 我国电子印刷设备的研制始于7 0 年代，当时由国家四机部、一 机部、中国科学院和新华社国家出版局联合申报的研制项目“研制 汉字处理系统”，于1 9 7 4 年获国家计委批准1 并列为国家“7 4 8 工 程”。中国科学院长春光机所承担了转镜式激光照排机的研制任务， 至今已有2 8 年的研制生产历史。到2 0 世纪未，激光照排机在不断 提高，完善中形成了一定的产业规模。激光照排机的开发和应用， 使印厣j 业甩掉铅字排版，缩短了印刷出版周期，减轻了工人的劳动 强度，改善了环境，提高了排、纽版效率和新闻出版的时效性。可 以说，激光照排机的开发和应用是我国印刷业的一个根本性的变革。 转镜式激光扫描器，是激光照排机上的核心部件，有着其本身 的特殊性，市场上难以购买到可用的成品，所以，必须自主研制开 发。现代转镜式激光扫描器的性能要求是高转速、高的旋转稳定精 度和高的扫描效率。但是，当激光扫描器的速度、回转精度提高的 同时也将带来一系列问题：诸如轴系的动不平衡产生的震动，轴承 的寿命问题，高转速时由于向心力的影响导至转镜的面型改变使光 学的传递函数改变，由于转镜的高速回转迫使转镜周边的空气气流 产生扰动，转镜周边空气密度发生变化，通过转镜周边光线的折射 率发生改变，使成像像面的光点位置改变，产生扫描精度下降。 转镜式激光扫描器是一种较复杂的多学科综合应用的产品，它 包括了光学、电子学、精密机械等方面的理论和实践方面的知识。 它的组成通常由光学元件( 转镜部分) 、精密轴系( 扫描轴、轴承) 、 无刷直流电机主体( 转子、定子、换相器) 、光学增量式编码器及驱 动电路和锁相环电路组成的。转镜式激光扫描器在工作状态下，关 键的技术是必须保证扫描光点是无重复的晃动点。这样，才能获得 高质量的图像。扫描过程中，如果莱些像元从应在的位置偏离，就 会产生图像变形，这种变形越大，则其照排质量越差，以至于系统 不能使用。轴承、电机的转速平稳性、棱镜的装卡及整个轴系的动 平衡、编码器光栅盘的偏心等对照排机的扫描精度都有直接的影响。 鉴于以上情况，研制了转镜式激光照排机专用无刷直流电机驱 动的激光扫描器，其性能之优良，达到了预期的目的。本成果已经 获得实用新型专利证书( 名称：一种无刷直流电机驱动的光学扫描装 置，专利号：z l0 024 8 1 3 4 o ) 本专利经技术移植，在很多领域有着 广阔的应用前景。必将给这些领域的科研工作提供一种有力的应用 手段。 1 2 转镜式激光照排机及扫描器的国内外研究现状 1 2 1 转镜式激光照排机及扫描器的国外研究现状 目前，国外的应用比较广泛，主要应用于激光照排、激光电视 ( h d t v ) 、医用激光相机( c t 纪录装置) 、c r 扫描装置、彩色纪录装 置、条码纪录等领域。国外应用示例： 1 医用激光相机 4 0 l 医用激光相机和激光照排机原理相同，一般使用的转镜是多面体 反射镜。不同之处是调制为线性色调 为c t 、m r i 、d s a 等多 种医学彩象系统的输 出设备。如图1 2 1 【4 0 1 2 打印机如图1 2 2 调制信号控制半导激 光器，经过准直透镜、 柱面镜( 整形) 后入射 到多面体棱镜，多面 体棱镜由扫描电机驱 动。经多面体棱镜反射后 的光线由一块球面镜和一 使用医用单张胶片。可以作 图1 2 - 2 块超环面透镜( f 一0 偏差补偿) 后，经由一块平板反射镜照射到印 刷用的感光鼓上曝光，如图1 2 - 2 所示，左面的反射镜为行起始反射 镜，行起始信号由它通过光导纤维传输到控制电路板上的光电传感 器上，实现行扫描。这种扫描器的精度不高，分辨率为3 0 0 d p i 。其 扫描原理相同，感光介质是光导鼓，使用较普遍。 3 彩色激光记录仪，图1 2 - 3 1 4 0 1 是外滚筒彩色记录仪； 图l 一2 4 【4 0 1 是内滚筒彩色激光记录仪。主要作彩色数字图象的回 放设备；如数码相机、遥感图象数据的回放等。 4 电路板( p c b ) c a d 系统的激光绘图仪 5 地图c a d 系统扣石油地质c a d 系统的激光制图仪 6 激光打标机 7 激光电阻微调机 8 彩色激光大屏幕显示( h d t v ) 图1 2 - 5 中主扫描是多面体转镜，副扫描用摆镜。 b e a mb l o c k - h m r bt h t m m f “i c n o n - m o d u l a k d 图1 2 5 9 数字彩色印刷机 数字彩色印刷机( 或称为无版印刷) 见图1 2 - 6 4 0 1 ，有人错误认 为也是直接制版机，实际它的工作原理基本类似激光彩色打印机。 它是用计算机彩色系统直接连接数字彩色印刷机。激光直接扫描在 光导感光鼓上，将四种颜色c m y k ( 黄、品红、青。黑) 的信息分四 次扫描，每扫描一次，喷射对应某种颜色带静电的染料液体，国外 厂商有的叫电子油墨。其实它和液体显影复印机的原理基本相同， 都是静电印刷原理。数字彩色印刷机的特点比一般激光彩色打印机 速度快，可以用卷筒纸。根据国外资料分析，超过三千张，则比彩 色胶印价格高，所以它只适用三千张以下的短版印刷。 1 0 计算机x 线影象系统( c r ) ( 图1 2 - 7 ) 4 0 i 这是此系统的激光读取装置。一种图象板( i p ) 取代x 光胶片， 人体通过x 光照相后，在i p 板上成潜象，经激光扫描激励后，成象 部发出荧光，经光学纤维将荧光信号传至光电倍增管，a d 变换后给 6 计算机处理。一般采用多面体转镜扫描器扫描。 1 1 激光数字化仪( 图l 一2 8 ) 1 4 0 1 ( 输入) 这是透射式胶片扫描仪，激光通过胶片被调制成不同的光强 由光电倍增管接收后，经a i d 变换送对数放大器处理后送计算机处 理。 输入扫描同输出一样也有光点尺寸大小的标准。从图1 2 - 9 i 删中 王 圜0 1 0 5 曰1豆圜 事匦窭嚣割，一耋匡蕊翌 巳娶翟喇。l f 巴上幽 图1 2 9 可以看出，光点的直径应是被分辨目标尺寸的击。光点直径与被分 辨目标相等或光点直径大于被分辨目标尺寸均不能可靠和真实地分 辨目标。 1 2 内滚筒式激光照排机( i n t e r n a ld r u ml a s e ri m a g e s e tc e r ) 圈图 ( 图1 - 2 - 1 0 ) 内滚筒式激光照排机是将胶片紧贴在有开口的滚筒内壁，光 学扫描系统安装在移动的光学平台上，主扫描由高速转镜完成；副 扫描由移动的光学平台完成。激光的平行光束通过物镜投射到高速 转镜上，将激光会聚在滚筒内表面的胶片上。这种结构方式集中了 图1 2 1 0 转镜可以高速旋转和外滚筒光学平台采用精密机械传动的优点，达 到扫描速度快、相邻版面重复精度高的特点；同时可以使用成卷胶 片，减少单张胶片上下片时间、提高工作效率和克服了易出故障的 缺点。 由于转镜采用物镜后方扫描，物镜轴上成像，可以不用f 一0 物 镜，而是采用常规物镜。这样设计和制造简单，并且在激光扫描过 程中始终是轴上成象，光点可以得到好质量；由于这一特点，可以 做到很大的幅面。并可使用成卷胶片，对工作环境的相对湿度要求 不高。内滚筒激光照排机是目前国外用于高档精细彩色印刷的主要 机型。其不足之处是，体积较大、结构比较复杂，大幅面的内滚筒 激光照排机需要用真空吸附的措施将胶片贴紧滚筒的内表面，因而 有真空泵噪音和振动的干扰。 13 虚拟滚筒式激光照排机【4 叭( 图l 一2 1 1 ) 这种照排机工作方式和内滚筒式激光照排机一样，只是没有实际 的滚筒。胶片的变形是通过照排机两侧的支板上分别安装两个长约 15 m m 的圆柱体，胶片两边分别由圆柱体支撑，胶片自然形成圆柱形 弧面，而中间悬空。为了防止胶片中间下垂，在移动的光学平台上 安装两个园盘支承，激光束通过两个园盘的间隔扫描在胶片上。为 了防止在扫描时两个园盘随光学平台移动划伤胶片，园盘外园要作 得光滑。这种方案可以使用成卷胶片，并且只能做小幅面的机型， 如八开版面。这种方案的新颖之处是突破了传统构思。 l4 外滚 筒激光照排机 ( e x t e r n a l d r u ml a s e r i m a g e s e t t e r ) ( 图1 2 一1 2 ) 外滚筒激 光照排机删的胶 片是用真空吸附的办法固定在外滚筒表面。滚筒旋转实现主扫描， 副扫描是由光学平台沿滚筒轴线方向移动完成。它只能使用单张胶 片。其优点是在扫描全过程始终是轴上成象，光点质量好，光学系 统简单。副扫描是由高精度的机械传动完成，其相邻版面的重复精 度高，幅面可以做得很大。其缺点是单张胶片上下片，时间占用较 多；胶片吸附在滚筒上，由于滚筒重量变化，造成旋转时的动平衡 性能不好，滚筒速度慢，真空吸附胶片用的真空泵有噪音和振动。 对工作环境相对湿度要求严格，因为胶片变形难以吸附在滚筒上。 整机体积重量较大。近几年国外原生产电子分色机的厂家，为了利 用原有基础生产外滚筒激光照排机，用多路半导体激光器或阵列l e d 进行多路同时扫描，日本网屏公司用到1 20 路。 国外一般应用于外滚筒激光照排机的多路扫描的光学系统如图： 图1 2 1 3 外滚筒激光照排机的多光路光学系统( 一) 图1 2 一1 4 外滚筒激光照排机的多光路光学系统t t l ( 二) l5 平台式激光照排机 4 0 j ( f l a tb e dl a s e ri m a g e s e t t e r ) ( 如 图1 2 一1 5 ) 图1 2 1 5 平台式激光照排机 这种类型的激光照排机由转镜完成主扫描，胶片吸附一个平台 上，平台移动垂直于主扫描方向，完成副扫描平台由电机通过精密 机械传动驱动平台移动。其特点是转镜可以实现高速扫描，由f e 物镜将激光会聚在胶片上，可以使用成卷胶片，使用方便，相邻版 面重复精度好。它的缺点由扫描过程中，f e 物镜两边是轴外成象， 幅面难以加大；真空泵带来的噪音和振动不利于使用；承载胶片的 平台移动，导轨长度加长，因此体积和重量较大。平台式激光照排 机的光学扫描系统和绞盘式基本相同，只是胶片的输送方式不一样。 这类激光照排机现在基本上不采用。但是现在新开发的激光直接制 版机开始采用这种结构，主要是由于版材是金属版基，上下版材比 较方便。 美国a g f a 公司的激光照排机 4 0 i 已经研制出了空气动压轴承的 激光转镜式扫描器主要应用于内滚筒式激光照排机。图1 2 1 6 是 a g f a 的圆柱形动压空气轴承转镜式激光扫描器的结构： i 一 m 一l 十 毯 釜张钐钐刃镜钐黝 jl a彭形形殇一删 营、) ，聱 ( 一| - 一” 彦一慧一豸慧 嗽心声j ： 湖縻l _黝缓黝 ，“灯 _ - - 一 j l z 副一 l 缸 图1 2 一1 6 美国a g f a 公司的转镜式激光扫描器 其设计加工成本很高，据了解，这种扫描器对环境清洁度要求 较高，有的这种扫描器的寿命只有几个月有的一年不等，而更换一 台扫描器要1 500 0 00 元人民币( 旧品回收) 。 日本大网目( s c r e e n ) 公司则采用深沟球轴承的盘式扫描器用五 棱柱面镜扫描，低分辨率时最高转速1 4 万转分，照排机的版面误 差小于0 0 25 m m 而美国e c r m 的m a k 0 5 6 和m a k 0 3 6 4 6 均为o 03 m m 。 图卜2 一1 7 f 4 0 l 是国外应用于高分辨率电视( h d t v ) 的锥形面空气 动压轴承激光转镜式扫描器 图卜2 1 8 是国外的扫描器关于消除转镜抖( 晃) 动给转镜扫描 带来的寻迹误差的原理图0 9 1 ： 图1 。2 - 1 9 是图1 - 2 1 8 的扫描器n 9 1 实物照 片： 图1 - 2 1 9 这种扫描器的缺点是转镜体积庞大，转速高时风阻大，动平衡 比较麻烦。 1 2 2 转镜式激光照排机及扫描器的国内研究现状 据了解国内用于转镜式激光扫描的照排机专用扫描器还属罕 见，国内其他厂家现有生产的激光照排机一般都是外滚筒型。( 一般 最高是4 路扫描。虽然外滚筒型可多光路扫描，但是国内的高亮度 l e d 光源器件还不过关，不能专门设计，等等存在一系列问题。) 所以，高速、高精度的转镜式激光扫描器在国内很长时间以来 一直都是空白，我们早期 的转镜式激光扫描器( 如 图1 2 2 0 ) ： 这种激光转镜式扫 描器是由永磁同步电机 通过一条同步齿型带带 动一根精密的轴系旋转 来进行扫描的，从设计上 采取用一个薄橡皮板作 连轴器，扫描器上的齿带 轮是依靠扫描器的外壳支 撑的方法消除了同步齿型带加在扫描轴上的径向力，这种扫描器的 转镜头是多面的锥形体扫描头，加工多面棱镜的多个面时，每个面 都存在着相对的角差( 塔差) 。每个面必须对应一个光楔型镜来修正 多面锥棱镜存在的固有的塔差，这样，在转镜上对应每个面就有一 个楔形光学镜片与之对应，并同时与转镜一起旋转，而且，每个光 楔的调整在平行光管下非常困难，易存在调整误差，且噪声大、体 积大，对轴系的动平衡又很繁琐，利用准直后的部分激光能量，所 以，该类型转镜的特点是激光光能利用率太低。 后来，又开发了由永磁磁滞同步电机驱动的扫描器。从外购的 永磁磁滞同步电机的基础上将轴系精化( 使用原来的磁钢、定子) ， 既转镜、电机、编码器在同一根轴上( 一体化) 。这种扫描器当时是 解决了很大问题( 体积小，精度有很大的提高) 。其外形如图1 2 - 2 l ： 图1 2 2 1 图1 2 - 2 1 为同步转速3 o o0 r p m 的磁滞同步电动机改制的转镜式 激光扫描器，这种扫描器在中低档的产品上还在应用，其特点是性 能稳定，装调方便，不需要特定的驱动电路。 但是，随之而来的是扫描效率低，不能满足用户需求，( 这种电 机的固定同步转速只有30 0 0 转分) 而且易发热，不能整体动平衡 等弊端。所以只有开发新型的转镜式激光扫描器才是唯一的出路。 1 2 3 课题的来源及预期目标 转镜式激光扫描器是原长春光机所电子印刷工程技术中心的产 品：激光照排机上使用的单元部件之一，也是本人多年来从事的研 究项目之一。 研究成果是研制出一台激光转镜式扫描器。在照排机上打样片， ( 见附件) 用大型工具显微镜观察、测量其照排精度，对产生的误 差进行分析。要实现的照排精度为：主扫描方向0 0 0 2 m m 。照排版 面误差o 025 m m 。 第二章转镜式激光扫描器的原理及总体方案设计 在转镜式激光扫描电机设计过程中，无刷电机转速的稳定性指 标是最主要的，所以在电机的设计过程中要考虑转子换相过程中一 定要稳、准、应尽量减小脉动。定予铁心采用无槽的方案。另外， 由于电机定子线圈在绕制和下线的过程中可能有微小的偏移误差， 换相器的位置需要设计成可调整的，并采用精度高的光电式换相器。 2 1 激光转镜式照排机的光学系统及其原理 激光扫描技术在输出输入方面应用的范围很广，为了对激光扫 描技术有一个系统的了解，先结合激光照排机把有关单元技术的应 用情况介绍一下，然后再把单元技术中关于激光扫描器的问题提出 来。激光扫描成象技术一般需要具有两维扫描的功能。扫描速度快 的扫描称为主扫描；另一雏扫描速度慢的称为副扫描。类似电视的 行扫描为主扫描，场扫描为副扫描。激光扫描技术在应用于输出记 录、显示时，由计算机的图象文字数据信息，控制声光调制器改变 激光束的光强，经过两维扫描记录或显示；用于输入时，激光扫描 原稿文件，激光在两维扫描原稿文件时通过透射或反射将激光束的 光强调制，由光电接收器转换为电信号进行处理存贮。我们主要从 事于输出记录设备，所以主要结合激光照排机介绍输出方面的有关 内容。激光照排机( l a s e rt y p e s e t t e r ，l a s e ri m a g e s e t t e r ) 的原 理( 如图2 1 一i )在这个图里是用h e n e 激光作为光源；声光 调制器作为激光的高速开关，它是由计算机的图文信息控制；密度 盘是为了调整对胶片最佳的曝光量；扩束器是为了改善激光的发散 角：转镜由电机驱动旋转，实现激光束的主扫描；在同一轴上安装 圆光栅，作为像元时钟，提高光点的位置精度。f e 物镜将激光会 聚在胶片上。胶片由输片机构带动胶片作垂直于扫描方向的运动实 现副扫描，激光通过转镜扫描和胶片运动，实现了两维扫描，在肢 片上形成一幅完整的文字和图象。激光束扫描和胶片要严格保持同 l 6 步，即激光扫描完一条线之后，胶片移动一条线宽的距离。 在图2 一l l 中胶片的上方一侧有一个的光电器件，作行起始的基准。 目前效率高结构简单而经济的激光照排机为绞盘式激光照排机h o 】 ( c a ps ta nl as e ri i l l a g es e t t e r ) ( 如图2 1 2 ) 绞盘式激光照排机是用摩擦辊带动胶片，类似于绞盘而得名。过 去这种照排机称为转镜式激光照排机。由于技术的发展，现在出现 的五类照排机其中的四类都用转镜扫描，因此难以区分。这种激光 照排机与前图基本相同。其唯一不同之处在于胶片运动时，为了减 小摩擦滑动，增大了胶片与摩擦辊的包角。 绞盘式激光照排机的特点是转镜和f e 物镜要求高，光学系统 比较复杂，结构相对简单，生产效率高，可以使用成卷的胶片( 30 米、60 米或更长) ，节省换片时间，胶片冲洗效率高，操作方便，几 十米肢片连续扫描，操作人员省力省时。胶片可以在任意长度切断。 相对其它种类的照排机体积小，重量轻。对工作环境的相对湿度要 求不高，但是其缺点是胶片相邻版面的重复精度只能满足中低档彩 色印刷的要求；由于激光在扫描过程中两边是轴外成象，幅面不能 做的太大。这种类型的激光照排机由于具有上面的一些特点，它可 以满足一般印刷和中等彩色印刷的要求，其销量最多，国外也是如 此。 图2 1 3 是绞盘式激光照排机的光学系统图： 一 l 女，? 图2 1 3 1 一激光器；2 - 1 夹门；3 - 缩束器：4 - 调制器；5 一 反射镜：6 - 密度盘；7 一 扩束器目镜；8 - 扩束器 物镜；9 一电动光栏i ； 1o - 电动光栏i i ；1 卜 扫描转镜；12 - 13 14 一 f e 物镜组。 2 2 扫描器的工作原理 2 2 1 激光扫描的一些基本概念 激光扫描有各种结构和用途，但基本上由激光器、调制器、偏 转器、调节器、调节反馈装置及探测器和把它们连接在一起的光学 系统组成2 “。 图2 2 一l 激光扫描装置的关键部件之一是光束偏转器( 扫描器) 。 能够充当光束偏转器的有旋转多面棱镜，检流计和振镜，全息 光盘衍射偏转，以及声光和电光偏转等。 我们所说的扫描实际上是飞点扫描，即高速扫描。扫描根据需 要是直线或是曲线。所谓飞点扫描就是每次扫描多个点，而且每秒 钟进行多次扫描。扫描先是由点的轨迹组成的。 如图2 - 2 2 所示，是一个简化 的偏转器，其中，是偏转光束的 宽度，y 是偏转角，则可以定义一 个偏转品质因数m m = w g ( 2 - 2 1 ) 角 图2 2 2 光束的偏转 由于均匀照明圆形孔径产生夫朗和费衍射的最小角分辨率为 1 2 2 a a = 一 w 其中，a 为照明光波长；w 为孔径宽度( 即落在孔径上的光束 宽度) 。因此，我们能推导出一个分辨率单元数的概念，用n ，代表可 分辨单元数，则： n 。：兰 口 或 n ：l r 1 2 2 2 由此可见，偏转器偏转品质因数m 值越大，分辨能力越高。 一个分辨单元数一般称为一个比特( 1b i t ) 。 上面式中，因为激光光束是按高斯分布形式照射到偏转器上的 所以( 2 - 2 4 ) 式中的系数1 22 要改成1 27 。 22 2 旋转多面镜扫描 222 1 转镜扫描角和扫描分辨率 旋转多面镜扫描( 简称转镜扫描) 是在需要高速扫描的情况下 发明的。 转镜扫描主要包括一个多面镜，一个驱动马达。马达可以是 电动，也可以是气动，由控制系统来驱动。具有j v 个面的转镜扫描 角度用下式表示 沙= 等度= 等弧度( 2 ) 这个公式很易理解，因为转镜实际上是一个圆的内接多边形每 个镜面的张角 3 6 。0 - - - - - ，。- 。，如果转镜随着中心轴转动某个角度，反射光 v 束则偏转二倍角度。y 角是反射光束扫描时覆盖的角度。利用 ( 2 - 2 - 5 ) 式可以推导出转镜扫描的最小分辨角和分辨单元数，。均 匀照明方形孔径时口2 参，这里形是射到镜面上的光束宽度，如果是 满孔径照明，可以将矽看作是镜面的宽度。于是我们得出 n r = 1 1 2 订6 w 缈一镜面宽c m ；n 。一点子数 对于一个镜面数很多的转镜来说 五一光波长n m ；n 一镜面数。 转镜旋转半径近似为： w n ，= 一 2 z 由( 2 - 2 - 2 ) 式和( 2 - 2 3 ) 式得出 ，：辈 其中，口是衍射形状因子，l 口 2 r 时) 。 尤其是信噪比有好处。 存骱存骱 耵_ 翠 图2 2 4图2 2 5 从( 2 - 2 2 0 ) 式看出，只有增大扫描半径凡或减小镜面旋转半 径r ，才能使轨迹接近圆，这也就是说，必须提高光学杠杆比。 2 3 转镜式激光扫描器的总体方案设计 下图2 - 3 1 是系统构成原理图：锁相环采用日本东芝公司专 门为电动机控制设计的p u l l 。旋转棱镜、电机转子、编码器光 图2 3 1 25 栅盘共轴。编码器输出f gi n ( 反馈) 信号提供给t c 9 1 42 与标准给定 的信号进行比较，比较后输出频率控制和相位控制信号对电机进行 控制( 祥见第四章) 。 2 31 误差校正及转镜的方案选型 驱动马达和转镜本身都能给扫描带来综合误差。误差分为两种， 一种是扫描线的线性误差( 亦称为时基误差) ，一种是扫描线的垂直 误差( 称为寻迹误差或跟踪误差更直接的叫做线间距误差) ，指的是 扫描轨迹与设计轨迹的偏离，这两种误差必须设法消除。 2 3 1 1 线性误差 扫描的线性【2 6 】，指的是光斑在轨迹上是否是线性扫描运动。接 收装置一般都是平面，无论是出射型扫描光路，还是入射型扫描光 路，扫描轨迹都是曲线。由于曲线与水平面不吻合，在接收平面上 出现两种现象，一是离焦，将直接影响纪录光斑大小的变化：二是 扫描的非线性，结果都使扫描的图形畸变。 一般的要求光斑光强变化不超过12 ，所以，离焦误差不允许 超出物理焦深的1 2 。从光波的衍射理论知到，聚焦的物理焦深为 z ：2 f 2 旯 l d 其中，d 为光学系统物镜的出瞳直径：f 是焦距。假若兄= 0 6 3 t a n ， 上= 1 0 ，则焦深止= o 1 2 r a m 。 d 离焦深往往与扫描非线性联系在一起。如果系统设计保证不了 在焦深范围内聚焦，扫描非线性问题就突出了。 光点在曲线上运动，其线速度是： 。：塑。d o + 三丝：塑+ 口：塑 d td t3d td td t 其中，右端第一项是线性项( 因为转速不变) ，第二项是非线性 项。很明显，只有0 值很小，非线性项才可忽略。所以，在出射型扫 描中，要设法提高光学杠杆比值。见( 2 - 2 - 20 ) 式；在入射型扫描 中，需要对扫描透镜精心设计，增加一组平面场镜( f 一0 透镜) ，使 得光斑的运动速度v ：d t g ，o 。掣，变成匀速扫描。 d ld t 2 3 12 寻迹误差 光斑扫描时，在径向偏离预定的轨迹，就产生了所谓寻迹误差 2 6 1 。寻迹误差会造成扫描图形的畸变。它来源于： 转镜诸镜面与加工时选定基准面的角误差，这是一种固有误差； 转镜与驱动马达的装配误差，它直接造成反射光束的摆( 晃) 动； 马达转子在高速旋转时，由于有限的刚度变形和产生的焦耳热的梯 度变化所产生的动态不平衡；各转镜镜面的不平度误差。 2 3 1 3 可校正误差的转镜方案选型 图2 3 2 是我们采用双五角棱镜设计的扫描系统结构，此种结构 的误差分析祥见第六章第6 2 节介绍。 图2 3 2 2 32 扫描器采用无刷直流电机驱动的方案设计 考虑到要求稳速精度很高，而无刷直流电机有很多完关的优点 和特性，综合利弊，考虑到激光转镜式扫描器的应用场合，由表3 一卜l 得知，光电式换相器有很多优点。因此，本设计采用光电换相式的 无刷直流电机，电机的特性祥见第三章。 2 3 3 编码器选型 编码器采用2 50 0 线的增量式编码器，有零位信号输出，具备 误差补偿功能，误差分析祥见6 3 节。 第三章无刷直流电机的理论基础及机械结构设计 3 1无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机本体，电子换相线路及转子位置 检测器构成，它的原理框图如图3 一l 一1 所示。_ r - 作原理非常简单， 转子位置检测器检测出转子位置，然后通过电子换相线路去驱 动与电枢绕组相连结的功率元件，使电枢绕组依次通电，从而 产生一个与转子永磁同步的跳跃式旋转磁场，拖动转子旋转， 所以，无刷直流电动机又叫自同步电机。 卜悯h 好姗绷卜 电动机本体 一出轴 l t位置传感器 图3 1 一l 无刷直流电动机的方框原理图 其运行原理实质上与有刷电机没有区别，只不过通过位置 检测器的位置信号来改变绕组的通电状态使得每一磁极下的电 流方向不变来得到恒定转矩。目前，随着传感技术的发展，可 用作无刷直流电机的位置传感器种类非常多。除了早期的磁电 式位置传感器以外，光电式位置传感器、磁敏式位置传感器、 高频耦合式位置传感器等器件相继出现。