选区激光熔化成形系统的动态聚焦技术研究_章文献

1、*基金项目:国家科技型中小企业创新基金(项目编号:05C26214201059收稿日期:2007-12-14第28卷第2期应 用 激 光Vo l.28,N o.22008年4月APPLIED LASERA pr il 2008选区激光熔化成形系统的动态聚焦技术研究*章文献, 史玉升, 贾和平(华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074提要 针对二维振镜存在的聚焦误差问题,根据产生聚焦误差的原理,采用动态聚焦技术补偿聚焦误差。分析振镜激光扫描过程中的图形失真机理,采用坐标映射方式补偿图形畸变方法。基于P CI 总线控制技术实现动态聚焦振镜扫描的控制,并将该动态扫描系统应用

2、于选区激光熔化成形设备,通过选区激光熔化成形工艺实验,验证了所开发的动态聚焦系统满足选区激光熔化成形工艺要求。关键词 激光技术; 动态聚焦; P CI 总线控制技术; 聚焦误差中图分类号:TH 164 文献标识码:Dynamic Focusing Technology for Laser Galvanometer Scanning of a Selective Laser Melting SystemZhang Wenx ian, Shi Yusheng , Jia H eping(State K ey L abor atory of M ater ial P rocessing and D

3、ie &M ould T echnology ,S chool of M ater ial S cience andE ngineer ing,H uaz hong Univer sity of Science and T echnology ,W uhan,H ubei 430074,China Abstract A cco rding to the principle of focusing er ro r for tw o dimensio ns laser galvanometer scanning,a dynamic fo cusing opt-i cal model for cor

4、 recting this erro r was put for war d.Causes o f Imag e disto rtio n in the scanning pr ocess w ere analyzed,and map -ping transfor mation fo r the focus posit ions was used.A dynamic focusing sy st em based on the P CI bus contr ol technique was dev elo ped.T hen it was insta lled in a select ive

5、laser melting (SLM machine.T he tests results show that the dev elo ped dynamic focusing system can adapt to the SL M pr ocessing.Key words L aser techno lo gy ; dynamic focusing ; PCI bus contro l technique; focusing er ro r1 引言在各种激光扫描技术中,振镜式激光扫描是目前广泛采用的一种激光扫描方式,它具有高速、高精度、性能稳定等优势,但存在光斑焦点不在加工面上的聚焦误差

6、问题。用安装在微机电系统的聚焦镜可获得高的聚焦精度,但不适宜于激光扫描系统1。可用F -theta 透镜对聚焦畸变进行校正,这种方法只适合较小的工作台面的激光扫描加工,若在较大工作台面上扫描时,F -theta 透镜尺寸大,成本高2。为此,可用动态聚焦技术补偿这种聚焦误差。动态聚焦技术是近年来兴起的激光扫描聚焦误差补偿技术,它广泛应用于医疗、摄影、超声波成像和三维激光扫描技术3。2 误差产生及其补偿机理2.1聚焦误差及其补偿如图1所示, 激光器发出的光束经聚焦透镜后图1 振镜扫描误差简图再经X 、Y 轴振镜到达焦点工作平面。但经过振镜偏转后的光束焦点只有一点落在工作台面上,其它焦点都与工作面存

7、在误差。99为此,在X 、Y 轴振镜前加上一套能够改变光路的装置,实时保证焦点落在工作面上就能补偿聚焦误差。一般来说,在X 、Y 轴振镜前加上一个可作往复移动的聚焦透镜,实时改变光路,补偿聚焦误差,从而实现动态聚焦。这种聚焦方式不仅适合大视场的动态扫描,而且具有通用性,设计简单,维护方便。2.2图形失真及其补偿振镜式激光扫描时存在着扫描图形的线性失真和非线性失真,特别是当扫描区域较大时,严重影响了激光扫描的图形精度及加工质量,这给进一步的分析处理带来困难。而描述理想图和畸变图之间的地址映射4关系的平面坐标变换方法能够很好地解决这个问题。如图2所示的坐标系中,激光束入射方向平行于X 轴,X 轴振

8、镜以平行于Z 的轴转动,其偏转角为 ;Y 轴振镜以平行于X 的轴转动,其偏转角为 。当激光束射到工作面上的任一点(x,y时,可以得出光束在XOY 平面上的扫描轨迹:y =-dtg 2x =etg 2 +dtg 2 sec2(1其中e 表示振镜x 到Z 轴的距离,d 表示工作台面的高度。当 0时,令tg 2 = ,有5(x -e 2(d a2-y 2d2=1(2图2 激光扫描原理图由此可知所得轨迹为双曲线,且当 0时取双曲线左部分, 0时取右半部分,即所谓的枕形畸变。此外,振镜式激光扫描系统控制精度还受到控制装置和扫描镜安装偏置误差的影响6,7,它们可以造成振镜激光扫描时产生的非线性误差。物体按

9、照理想光学模型成像,所得的图像为理想图,由于实际的光学模型与理想光学模型不完全一致,因此所成的图像有畸变,称之为畸变图。假定畸变图中的点(x ,y 在理想图中对应坐标为(x ,y ,那么(x ,y 与(x,y 之间的映射关系为8x =s(x ,y = k i =0 k =ij =0u ij x i y jy =t(x ,y= k i =0 k =i j =0v ij x i y j(3为了确定坐标关系中的参数,在理想图中找n 个点(x 1,y 1,(x 2,y 2, ,(x n ,y n ,这些点称为约束点,它们在畸变图中对应的坐标分别为(x 1,y 1,(x 2,y 2, ,(x n ,y

10、n ,基于这n 对约束点, 可用最小二乘法辨识出式(3中的参数,从而确定坐标映射关系。其中i 、j 越大,精度就越高,但计算量也就越大,可操作性也越差。3 动态聚焦振镜扫描系统组成及其控制依据光学杠杆原理,设计动态聚焦扫描系统光学模型(图3。激光束经动态聚焦系统再经两次镜面反射到达扫描场。在伺服电机的驱动下,动态聚焦镜在光路方向上做往复直线运动,实时补偿聚焦误差,从而保证光斑焦点的扫描场与工作场误差得到补偿。在动态聚焦系统中,为避免光束聚焦烧坏透镜,提高校正效果,动态聚焦镜和其它的凸透镜都选用平凸镜。图3 三维动态聚焦光学模型动态聚焦系统中的动态聚焦透镜的往复移动是通过伺服电机和直线转换器来实

11、现的。这套装100置包括一套光学支架(套筒、伺服电机、电流计、以及将旋转运动转换为直线运动的直线转换器。在光学支架上安装动态聚焦透镜。当激光进行扫描时,上层应用程序和下层驱动程序把聚焦误差值的数字信号经过PCI板卡传到伺服电机的驱动器,驱动伺服电机偏转,电机的旋转运动经直线转换器转变为透镜支架的直线运动,从而实现了Z 方向的动态聚焦。相对于其它方式的激光扫描来说,振镜式激光扫描的速度很快,最高可以达到8000mm/s。在激光快速扫描过程中,为实现激光等间距、匀速扫描,当插值的点与点之间的距离比较大时,扫描出来的只是两个端点,中间部分完全不能达到加工效果9。因此,要求在扫描平面的线段插值形成振镜

12、的偏转角时,插值点的距离要足够近,这样就导致振镜控制系统要处理的数据量增大。不过,当前计算机的运算能力已大大提高,数据处理已不成问题。在振镜扫描过程中,振镜扫描有激光扫描(mark指令控制和非激光扫描(jump指令控制两种方式。对于jum p的线段可以以一个受限的高速空跳过去,而对于mark的线段则采用等间距匀速插补。动态聚焦振镜激光扫描系统一般采用上层应用软件和下层驱动软件控制。由于采用开环控制,所以在运动过程中要求实现三轴同步。驱动振镜的伺服电机是由模拟电压驱动的。其模拟电压是由基于总线技术的接口卡控制。所采用的接口卡为16位的D/A板卡,输出电压为 10V。控制装置的最终目的是要将工作平

13、面上的数字化坐标值转化成振镜的转角值与动态聚焦的位移值,这就需要根据电机的转动特性和接口卡的特性将数字量信号经过D/ A转化成驱动电压值。3.2动态聚焦振镜扫描系统实施方案动态聚焦振镜激光扫描系统(图4是基于PCI 总线技术的基础实现的,并成功地应用于选区激光熔化成形机。其主体部分是计算机控制系统,主要由工控机、激光器、振镜、激光控制器、温度控制装置、PCI板卡、其它辅助装置,以及与之适应的控制软件等组成。如图4所示,当计算机发出指令后,其数字信号通过PCI板卡、三轴D/A转换卡,将模拟电压信号送到伺服电机,电机旋转带动X、Y轴振镜偏转和Z轴动态聚焦镜的往复移动,从而实现计算机对光路和动态聚焦

14、模块的控制。其中,激光控制器可实现数字信号到电压大小的转换,从而实现对激光能量(功率 的实时控制。图4 动态聚焦振镜式激光扫描实现方案图4 具有动态聚焦的SLM成形系统H RPM-I设备主要由150W Nd-YAG激光器、冷却器、含扩束镜及动态聚焦扫描子系统的光学系统、铺粉系统、工作缸运动系统、氧含量及温度的检测系统、高气密性成形腔体以及控制电机运动的硬件系统组成。H RPM-I设备主要特征:激光波长为1.064 m,金属材料对该波长的激光吸收率高,减少了金属粉末完全熔化所需的激光功率;激光器功率最大为150W,当激光束聚焦光斑小于0.1mm时,其能量密度超过5 106W/cm2,可使金属粉末

15、完全熔化,同时也满足对成形精度等工艺的要求;铺粉层厚精度可达0.05mm;激光束聚焦后光斑尺寸达0.05-0.1m m;激光束最大扫描速度达5m/s,扫描定位精度达0.02m m;成形腔体通保护气氛下氧含量可控制在10ppm以内;双缸下送粉运动系统;成形空间为250m m 250mm 450mm;基于软件芯片的控制系统结构,用软件实现由硬件完成的许多功能,既保证控制系统的可靠性和技术指标,又降低了SLM成形设备的成本。5 试验结果及分析本文主要研究了动态聚焦振镜式激光扫描的关101键技术,开发出比较实用的动态聚焦系统,并应用于选区激光熔化成形系统。图5为在装有自行开发的动态聚焦系统的选区激光熔

16、化成形机上所加工的具有复杂结构金属零件,其加工精度可达 0.1mm 。通过试验结果,分析成形零件的综合性能,可以得出自主开发的动态聚焦系统具有以下特点:此系统控制精度高、响应时间短、结构简单、工作稳定、便于维护,且具有很好的通用性。采用全数字化控制,实现三轴同步运动,利于实现高速扫描和聚焦误差的实时补偿,便于扫描各种复杂形状的二维平面轮廓。扫描误差动态补偿,适合大范围激光扫描,并使工件的组织性能、 表面质量得到提高。图5 SL M 不锈钢316L 粉末直接成形件参考文献1Qi Bing,Himmer A Phillip,Gordon L M ag gie,et al.Dy -namic foc

17、us control in high -speed optical coherence to mo -g raphy based on a micr oelectromechanical mirro r J.Op -tics Communications,2004,232(1-6:123-128.2王瑞敏,卢秉恒,李涤尘.激光快速成型机中的动态聚焦系统分析J.激光杂志,1997,18(5:35-37.3M uth M ichael,Optimized X /Y scanning head for laserbeam posit ioning J.Pr oceeding s of the SPIE -T he In -t ernational So ciety for O pt ical Eng ineering ,1996,2774:535-544.4虞孝舜.双振镜扫描几何畸变的校正J.激光与红外,1998,28(1:45-47.5赵毅,卢秉恒.振镜扫描系统的枕形畸变校正算法J.中国激光,2003,30(3:216-218.6孙会来,赵树忠.双振镜激光扫描加工误差原因分析J.激光与红外,2005,35(3:161-163.7M o nt agu J