CN101419336A - 一种振镜式激光三维扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振镜式激光三维扫描系统，包括激光器、扩束镜、x轴扫描振镜、y轴扫描振镜、扫描聚焦透镜、z轴移动机构及控制系统。激光器发出激光束，经扩束镜放大准直后，激光束直接进入x轴扫描振镜和y轴扫描振镜，控制系统控制z轴移动机构带动扫描聚焦透镜在z轴方向上、下移动，调节激光聚焦点在z轴方向的位置。本发明通过固定在可沿z轴方向上下移动的z轴移动机构的扫描聚焦透镜来实现三维立体加工功能。由于该系统减少了两片反射镜，使激光光路成本降低，尤其是对于较昂贵的反射镜而言。同时，本发明易于调试整体光路的准致性，并且提高了整体光路的稳定性及激光功率的利用率。

Description

一种振镜式激光三维扫描系统

技术领域

本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及一种振镜式激光三维扫描系统。

背景技术

振镜式激光扫描系统是由xy兩维扫描振镜和扫描聚焦镜(如平常聚焦镜或远心扫描透镜)组成，其工作原理是将激光器输出的激光束经扩束镜放大准直后依次经过x轴扫描振镜、y轴扫描振镜和扫描聚焦镜会聚到工件表面上，通过控制x轴、y轴扫描振镜的转动来控制激光光束在材料表面的x方向和y方向上移动距离和位置，对工件表面进行加工。扫描振镜控制系统具有输出力矩大，转动惯量小、速度快、精度高以及运行稳定等特点被广泛用于打标、雕刻、钻孔、切割、焊接、快速加工等应用领域。由于这种振镜式激光扫描系统的xy兩轴扫描振镜和扫描聚焦镜之间距离是固定一体，因而只能用于xy平面两维加工。如要进行三维立体加工就必须在扩束镜和激光扫描系统之间增加两片反射镜如图1所示。其工作原理是：激光器1发出激光束2，经扩束镜3放大准直后，通过两片反射镜4和5，将激光束导入x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7以及扫描聚焦透镜8汇聚到工件9的表面上。反射镜5与激光xy扫描振镜6、7和扫描聚焦透镜8组成一体并固定在可沿z轴方向上下移动的装置上，来调节激光焦点在z轴方向的位置，从而实现三维立体加工。该方法调节激光焦点在z轴方向位置的优点是不改变激光xy扫描振镜6、7与扫描聚焦透镜8之间的距离，从而保证激光扫描聚焦点在z轴的任何位置时，扫描尺寸的一致性。但其缺点是因增加了两片反射镜使光路较复杂，稳定性较差，激光功率损耗增加以及成本较高，尤其是对于昂贵的紫外和高功率密度激光反射镜片而言。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种振镜式激光三维扫描系统，该系统无需增加任何反射镜，并且具有光路稳定高，易于调试和激光利用率高的特点。

本发明提供的振镜式激光三维扫描系统，包括激光器、扩束镜、x轴扫描振镜、y轴扫描振镜、扫描聚焦透镜及控制系统，控制系统与激光器、x轴扫描振镜和y轴扫描振镜电连接，其特征在于：扫描聚焦透镜安装在z轴移动机构上：x轴扫描振镜和y轴扫描振镜的镜面中心与激光器和扩束镜的光轴中心重合，扫描聚焦透镜中心与x轴扫描振镜和y轴扫描振镜镜面中心重合。激光器发出激光束，经扩束镜放大准直后，激光束直接进入x轴扫描振镜和y轴扫描振镜，控制系统控制z轴移动机构带动扫描聚焦透镜在z轴方向上、下移动，调节激光聚焦点在z轴方向的位置。

本发明采用了一种新而简便的方法来实现激光扫描聚焦点能在z轴方向调节焦点的位置。尽管该振镜式激光扫描系统也是由xy兩维扫描振镜和扫描聚焦镜(如平常聚焦镜或远心扫描透镜)组成，但是与传统的振镜式激光扫描系统不同之处是该振镜式激光扫描系统将xy兩维扫描振镜和扫描聚焦镜(如平常聚焦镜或远心扫描透镜)分开为可相互移动的组合体，即xy轴扫描振镜在z轴方向上固定不动，而扫描聚焦透镜固定在可沿z轴方向上下移动的机构上来实现三维立体加工功能。由于该方法无需增加任何反射镜，因而本发明系统具有以下优点：

1、由于减少两片反射镜，使光路简单，易于调试整体光路的准致性；

2、由于减少两片反射镜，整体光路的稳定性提高；

3、由于减少两片反射镜，使激光功率因反射镜片吸收而损耗的功率消除，提高了激光功率的利用率；

4、由于减少两片反射镜，使激光光路成本降低，尤其是对于较昂贵的反射镜，如紫外激光和高密度激光功率的反射镜而言。

附图说明

图1为现有的系统的一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明系统的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为扫描聚焦透镜向下移动距离为Δh时，x轴扫描振镜旋转，而y轴扫描振镜不旋转情况；

图4为扫描聚焦透镜向下移动距离为Δh时，y轴扫描振镜旋转，而x轴扫描振镜不旋转情况。

具体实施方式

下面通过附图和实例对本发明方法作进一步详细的说明。

振镜式激光扫描系统分为两部分；一部分为xy兩轴扫描振镜，另一部分为扫描聚焦透镜。xy兩轴扫描振镜在z轴方向上固定不移动，而扫描聚焦透镜则可沿z轴方向上相对xy兩轴扫描振镜上下移动，自动调节在z轴方向的焦点位置来实现三维立体加工目的。

实现上述方法的系统，如图2所示，本发明系统由激光器1、扩束镜3、x轴扫描振镜6、y轴扫描振镜7、扫描聚焦透镜8、z轴移动机构15和控制系统。

x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7的镜面中心与激光器1和扩束镜3的光轴中心重合，并在工作中相互距离保持不变。扫描聚焦透镜8固定于z轴移动机构15上，随z轴移动机构15在z轴方向上、下移动，扫描聚焦透镜8中心与x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7的镜面中心重合，工作时可由控制系统利用计算机程序软件控制z轴移动机构15来带动扫描聚焦透镜8上、下移动，调节激光聚焦点在z轴方向的位置，同时控制系统利用计算机程序软件控制x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7的扫描角度来调节激光聚焦点在xy两维平面位置，从而实现三维立体激光加工目的。

z轴移动机构15可以采用多种方式实现，简单的方式是利用滑块与电机实现，如将滑块安装在直线电机的输出轴上，也可以将滑动安装在伺服电机的丝杆上。将扫描聚焦透镜8固定在滑块上，电机通过滑块带动扫描聚焦透镜8上、下移动。

这种振镜式激光扫描系统调焦方法的唯一缺点是在调焦时会影响激光扫描尺寸；即在x轴扫描振镜6和y轴扫描振镜7的扫描角度都不变的情况下，移动扫描聚焦透镜8会导致扫描尺寸略有变化。这种扫描尺寸的变化是由x和y轴扫描振镜6、7带来的，但是很容易通过程序软件来解决。

从图3可以看出，y轴扫描振镜7不旋转，x轴扫描振镜6旋转到某一个角度α，扫描聚焦透镜8在h位置时，激光束11在x轴方向扫描尺寸为x。当扫描聚焦透镜8从h位置向下移动距离为Δh时，激光束11会在x方向增加了一个Δx₁。为了保持尺寸不变，可以通过程序软件来消除Δx₁。例如，当扫描聚焦透镜8向下移动距离为Δh的同时，通过程序软件对x轴扫描振镜6的扫描角度减小一个Δα₁，即：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\mathrm{\α}-{\mathrm{tg}}^{-1}(\frac{h+s}{h+s+\mathrm{\Δh}}\·\mathrm{tg\α})$

(式中s表示x轴扫描振镜6的镜面中心与y轴扫描振镜7的镜面中心之间的距离，h表示y轴扫描振镜7的镜面中心与扫描聚焦透镜8末移动时之间的距离)使激光束11移动，成为激光束12(见图3所示)，从而消除了Δx₁的偏差。

同理，当扫描聚焦透镜8从h位置向上移动距离为Δh时，会在x方向减小一个Δx₂，通过软件对x轴扫描振镜6的扫描角度增加一个Δα₂，即：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2={\mathrm{tg}}^{-1}(\frac{h+s}{h+s-\mathrm{\Δh}}\·\mathrm{tg\α})-\mathrm{\α}$

就可消除了Δx₂的偏差。

例如：当激光扫描系统的x扫描振镜与扫描聚焦透镜之间的距离h+s＝37mm，x轴扫描振镜的扫描角度α为20°，扫描聚焦透镜向下移动5mm时，通过软件使x轴扫描振镜的扫描角度α减小一个Δα₁＝2.222°就可保持激光扫描尺寸不变。当扫描聚焦透镜向上移动5mm时，通过软件使x轴扫描振镜的扫描角度α增加一个Δα₂＝2.8233°就可保持激光扫描尺寸不变。

图4给出了扫描聚焦透镜8从h位置向下移动时，x轴扫描振镜6不旋转，而y轴扫描振镜7旋转到某一个角度θ的情况。当y轴扫描振镜7的扫描角度为θ时，扫描聚焦透镜8向下移动距离为Δh，激光束20在激光扫描尺寸y方向增加了Δy₁的示意图。同样通过程序软件是很容易消除Δy₁，保持尺寸不变。例如，当扫描聚焦透镜8向下移动距离为Δh的同时，通过软件对y轴扫描振镜7的扫描角度减小一个Δθ₁，即：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{\θ}-{\mathrm{tg}}^{-1}(\frac{h}{h+\mathrm{\Δh}}\·\mathrm{tg\θ})$

使激光束20移动，成为激光束21(见图4所示)，从而消除了Δy₁的偏差。

同理，当扫描聚焦透镜8从h位置向上移动距离为Δh时，会在y方向减小一个Δy₂，通过软件对y轴扫描振镜7的扫描角度增加小一个Δθ₂，即：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{tg}}^{-1}(\frac{h}{h-\mathrm{\Δh}}\·\mathrm{tg\θ})-\mathrm{\θ}$

就可消除了Δy₂的偏差。

例如：当激光扫描系统的y轴扫描振镜与扫描聚焦透镜之间的距离h为20mm，y轴扫描振镜的扫描角度θ为20°，扫描聚焦透镜向下移动5mm时，通过软件使y轴扫描振镜的扫描角度θ减小一个Δθ＝3.76569°就可保持激光扫描尺寸不变。当扫描聚焦透镜向上移动2mm时，通过软件使y轴扫描振镜的扫描角度θ增加一个Δθ＝2.01896°就可保持激光扫描尺寸不变。

显然，当x和y轴扫描振镜6、7同时旋转时，扫描聚焦镜8的上下移动所产生的xy平面尺寸误差，可同时按照上述方法分别给x、y轴扫描振镜6、7的旋转角度减或增加一个Δα和Δθ来消除x和y方向产生的误差，达到保持尺寸不变的目的。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1、一种振镜式激光三维扫描系统，包括激光器(1)、扩束镜(3)、x轴扫描振镜(6)、y轴扫描振镜(7)、扫描聚焦透镜(8)及控制系统，控制系统与激光器(1)、x轴扫描振镜(6)和y轴扫描振镜(7)电连接，其特征在于：它还包括z轴移动机构(15)，扫描聚焦透镜(8)安装在z轴移动机构(15)上；x轴扫描振镜(6)和y轴扫描振镜(7)的镜面中心与激光器(1)和扩束镜(3)的光轴中心重合，扫描聚焦透镜(8)中心与x轴扫描振镜(6)和y轴扫描振镜(7)的镜面中心重合；

激光器(1)发出激光束，经扩束镜(3)放大准直后，激光束直接进入x轴扫描振镜(6)和y轴扫描振镜(7)，控制系统控制z轴移动机构(15)带动扫描聚焦透镜(8)在z轴方向上、下移动，调节激光聚焦点在z轴方向的位置。

2、根据权利要求1所述的振镜式激光三维扫描系统，其特征在于：控制系统按照下述方式对x轴扫描振镜(6)和y轴扫描振镜(7)的旋转角度进行误差补偿：

在x轴扫描振镜(6)旋转任一角度α，y轴扫描振镜(7)旋转到任一角度θ的情况下：

当扫描聚焦透镜(8)从h位置向下移动距离为Δh时，x轴扫描振镜(6)的实际扫描角度为α—Δα₁，y轴扫描振镜(7)的实际扫描角度等于θ—Δθ₁，

当扫描聚焦透镜(8)上移动距离为Δh时，x轴扫描振镜(6)的实际扫描角度为α+Δα₂，y轴扫描振镜(7)的实际扫描角度等于θ+Δθ₂，其中，

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1=\mathrm{\θ}-{\mathrm{tg}}^{-1}(\frac{h}{h+\mathrm{\Δh}}\·\mathrm{tg\θ})$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{tg}}^{-1}(\frac{h}{h-\mathrm{\Δh}}\·\mathrm{tg\θ})-\mathrm{\θ}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1=\mathrm{\α}-{\mathrm{tg}}^{-1}(\frac{h+s}{h+s+\mathrm{\Δh}}\·\mathrm{tg\α})$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2={\mathrm{tg}}^{-1}(\frac{h+s}{h+s-\mathrm{\Δh}}\·\mathrm{tg\α})-\mathrm{\α}$

式中s表示x轴扫描振镜(6)的镜面中心与y轴扫描振镜(7)的镜面中心之间的距离，h表示y轴扫描振镜(7)的镜面中心与扫描聚焦透镜(8)未移动时之间的距离。

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