文世峰;史玉升;谢军;蔡道生
【摘 要】In order to design a 3-D galvanometric scanner with a large working field,its dynamic response capability,control algorithm and calibration algorithm were studied in detail.After selecting a servo motor with high dynamic response as the executive unit of the scanner,optimizing the scanning path and delay parameters,a 3-D scanner was developed successfully.A precise calibration model was designed to calibrate the scan image.This set of scanner was validated with it running for a long time.The scanner worked stably with repeating location precision of ≤30μm and scanning precision of 100mm0.1mm.The results show that the 3-D scanner has important application in large scanning fields.%为了设计可用于大幅面扫描的3维激光振镜扫描系统,深入研究了3维激光振镜扫描系统的动态响应性能及控制算法、校正算法,采用具有高响应性能的伺服机构作为系统的执行机构,合理地规划扫描路径以及扫描延时参量,设计了对扫描图形进行精确校正的扫描校正模型,开发出了一套能实现大幅面精确扫描的3维激光振镜扫描系统.该3维激光振镜扫描系统经过长期实验验证,运行
稳定,其扫描重复定位精度不大于30靘,扫描精度可达100mm±0.1mm.结果表明,该3维激光振镜扫描系统在需要进行大幅面精确激光扫描行业中有重要应用价值.
【期刊名称】《激光技术》
【年(卷),期】2009(033)004
【总页数】4页(P377-380)
【关键词】光学器件;振镜;动态聚焦;动态性能;扫描精度
【作 者】文世峰;史玉升;谢军;蔡道生
【作者单位】华中科技大学,材料科学与工程学院,材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉,430074;华中科技大学,材料科学与工程学院,材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉,430074;华中科技大学,材料科学与工程学院,材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉,430074;华中科技大学,材料科学与工程学院,材料成形与模具技术国家重点实验室,武汉,430074
【正文语种】中 文
之文界
【中图分类】TN249
引 言
振镜式激光扫描系统广泛应用于快速成型、图像传递、光电医疗、激光加工等行业，这些行业中普遍要求大幅面的扫描场，因此，必须采用动态聚焦激光振镜扫描系统才能满足这些行业对大幅面扫描场的要求。目前国内对3维动态聚集激光振镜扫描系统的研究不多，华中科技大学快速成型中心的学者对此有过初步的研究，给出了在快速成型中适用的一些扫描算法。但是，对3维动态聚焦激光振镜扫描系统而言，系统的扫描精度、重复定位精度以及稳定性是其最重要的性能指标[1]。作者从这些方面入手进行研究，同时在华中科技大学的快速成型设备HRPS-Ⅱ上进行了长期实验验证。
1 振镜扫描系统原理
3维动态聚焦激光振镜扫描系统由x-y轴和z轴执行电机、伺服电路以及通过机械传动机构固定在执行电机轴上的反射镜以及聚焦透镜组成[2]。执行电机是一种有限转动伺服电机，电 机内集成了电容式角位移传感器。计算机根据图形要求将每个扫描点转换成16位的数字量，然后经D/A扫描控制卡转换成xy轴和z轴伺服驱动单元可以接受的位置电压，由伺服驱动单元控制扫描电机的运动。同时，伺服驱动单元接受由电机反馈回来的角位置信息，实现扫描系统的精确定位。
目前振镜扫描系统执行电机主要是采用动磁式电机，它的定子由定子绕组和导磁铁芯组成，形成一个一定极数的径向磁场；转子由永磁体组成，形成与定子磁极对应的径向磁场。两者电磁作用直接与主磁场有关，动磁式结构的执行电机电磁转矩较大，可以方便地受定子励磁控制[3]。执行电机工作时的转矩平衡方程为：
(1)
式中，T是电机的电磁转矩，J为电机的转动惯量，θ为电机转子偏转角度，f为电机内部和电机负载折合到电机轴上的粘性摩擦系数，g为扭力棒弹性系数。
执行电机的电枢平衡方程为：
(2)
机电信息(3)
式中，Ui为控制电压，R为电枢电阻，i为电枢电流，L为电枢电感，Ef为电枢反电动势，Kf为电机反电动势系数。
由(1)式、(2)式和(3)式，消去中间变量i，T和Ef，并进行拉氏变换后可得振镜执行电机的传递函数：
(4)
式中，s为拉普拉斯复变量，Kt为电机的转矩系数。
2 振镜扫描系统设计
cba裁判漏判2.1 系统执行电机
动态聚焦振镜激光扫描系统各轴各自形成一个位置随动伺服系统，为了保证扫描系统快速准确的定位，整个系统必须有很好的动态响应性能[4]。同时，系统必须是渐进稳定的，并且具有一定的稳定裕量。根据振镜的动态特性要求，其执行电机必须具有低惯量、大转矩
以及宽频等特性。为此，作者选用美国CTI公司6870型电机作为扫描系统的执行电机，其主要技术参量见表1。
Table 1 The mechanism specification of CTI 6870 motorratedanglerotorinertiatorquecoefficient40°2．0×10-7kg·m2，±10%1．8×105Nm/A，±10%
2.2 光学系统
光学镜片包括xy轴反射镜片以及组成动态聚焦系统的聚焦透镜及物镜。反射镜所需的有效光学孔径主要取决于扫描光束的有效直径。由于光束与反射镜间的夹角关系，光束在反射镜表面上的形状并不总是圆形。因此在决定反射镜的有效孔径时，总是要使其比光束的直径大。扫描光束的直径取决于整个光学系统的使用目的，当聚焦距离较长时需要有较大的光束尺寸。
动态聚焦系统由可移动的聚焦镜和固定的物镜组成。通过聚焦镜的移动来调节焦距，通过物镜放大聚焦镜的调节作用。
如图1所示，其中L1=f1，L2=f2，由于在动态调焦过程中，第3个透镜上的光斑大小会随Z改变，扫描头上的光斑也相应变化，如果要保持扫描头上的光斑保持恒定，可以使L3=f2，根据复合光具组公式，可得焦点位置的变化量ΔS与透镜移动量z之间的关系：
Fig.1 The schematic diagram of lens focusing system and the principle of optical-lever
(5)
比较方便地设计是使f2=f3，则焦点位置的变化ΔS与透镜移动量z之间的关系可简化为：
(6)
激光的波长和功率决定所选用的扫描镜片的材质。前端采用的是美国SYNRAD公司的50W CO2射频激光器，x-y轴反射镜的衬底采用熔融石英，激光反射膜采用银膜，其具有吸收小，反射率高和耐激光破坏阈值高等特点。
3 系统控制算法及图形校正张申府生平
振镜系统是通过电机旋转来带动固定在转轴上的镜片来反射激光工作的[5]，电机的动态响
应性能是决定振镜系统动态响应性能的主要因素，也是整个扫描系统设计的基本依据之一。根据振镜各个轴电机的动态性能，然后来设计振镜扫描系统的扫描算法。同时，为了保证振镜系统的扫描精度，必须设计一套精确的图形校正算法，保证最终扫描出来的图形的精度。
生命周期价值
3.1 扫描控制算法
猴车
振镜式激光扫描无论是步进扫描还是光栅式扫描，从根本上讲都是进行小线段矢量扫描。扫描工作场上扫描光点的轨迹直接影响扫描质量，只有尽可能地控制扫描光点在整个工作场内的匀速移动，才能得到最好的扫描质量，这就需要对每一条振镜扫描线进行插补，将扫描线以一定时间周期为单位分割为微小的线段[6]。
在振镜扫描运动中，主要包括两种类型的运动方式，即扫描(mark)和空跳(jump)。空跳即振镜快速的从一个扫描点跳转到另一个扫描点，两个扫描点之间的线段不被扫描出来。振镜空跳时，不需要考虑中间线段的扫描质量，只需要保证终点的快速、精确定位，因而对整个扫描系统3轴运动的同步性和扫描速度的匀速性要求不高。振镜扫描时，为了达到最好的扫描质量，应尽可能地保证激光束的能量在整个扫描线上均匀分布，这就需要控制扫描
点在整个扫描线段上做匀速运动，并控制扫描点在起点和终点的停留时间达到最优[7]；同时为了保证扫描图形的准确，应尽可能地保证扫描系统3轴运动的同步性。
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