CN110802082B - 一种二维激光螺旋式清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维激光螺旋式清洗方法，激光清洗系统包括两个正交偏转的数字振镜电机，激光依次通过光隔离系统和准直系统后，依次入射到两个正交偏转的数字振镜电机轴上的反射镜上，经二次反射后，由场镜约束聚焦在二维平面内扫描烧蚀靶材基底上的表面污渍；两个数字振镜电机的接口协议是XY2‑100；两个数字振镜电机分别独立受控。本发明二维激光螺旋式清洗方法，对于清洗区域内任一点，相比于逐行烧蚀，激光按照螺旋填充路径走完外圈后才重回到该点附近，该点区域获得冷却时间，激光热积累效应变弱；逐行扫描速度为单个振镜电机速度，螺旋扫描速度为两电机速度矢量和，因此，相比于逐行扫描方式，激光螺旋式清洗的效果更加均匀，清洗效率更高。

Description

一种二维激光螺旋式清洗方法

技术领域

本发明涉及一种二维激光螺旋式清洗方法，属于二维激光清洗领域。

背景技术

二维激光清洗指激光通过振镜电机偏转在二维平面上进行扫描,烧蚀靶材表面上的油污、锈或氧化层等，从而达到清洁靶材表面的效果。基于振镜电机模组的激光清洗应用，现有的扫描模式是行扫描后换行再次行扫描，主要存在清洗均匀性差、清洗效率低等问题。

清洗均匀性差主要是由于振镜逐行扫描模式下，激光扫描到行边缘区域内经过减速到反向加速过程，而非边缘区域内激光保持高速偏转。边缘区域激光扫描平均速度低于非边缘区域，导致边缘区域烧蚀程度强于非边缘区域，烧蚀区域形貌高度分布不均。

清洗效率低主要是由于逐行扫描过程中，X振镜偏转激光从左到右后停止偏转，Y轴振镜电机开始偏转激光换行、停止，再由X轴振镜摆动，周而复始填充整个区域，逐行烧蚀过程中同一时刻仅一轴电机运动即激光偏转速度为单轴电机速度，电机扫描速度慢直接导致清洗效率低。

发明内容

本发明提供一种二维激光螺旋式清洗方法，提高了清洗均匀性、提高了清洗效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种二维激光螺旋式清洗方法，激光清洗系统包括两个正交偏转的数字振镜电机，激光依次通过光隔离系统和准直系统后，依次入射到两个正交偏转的数字振镜电机轴上的反射镜上，经二次反射后，由场镜约束聚焦在二维平面内扫描烧蚀靶材基底上的表面污渍；两个数字振镜电机的接口协议是XY2-100；两个数字振镜电机分别独立受控。

两个正交偏转的数字振镜电机也即X数字振镜电机和Y数字振镜电机。螺旋烧蚀过程中，XY双电机独立受控、且均始终保持偏转，偏转速度为两个正交电机的合成速度。振镜组合成速度大于单个电机偏转速度，从而提高激光清洗效率。对于扫描区域内任一点，尤其是在在边缘处，激光经过该点后需要绕完外圈才能再次经过该点附近，激光热积累减弱，清洗分布均匀。

采用本申请螺旋式清洗方法，对于清洗区域内任一点，相比于逐行烧蚀，激光按照螺旋填充路径走完外圈后才重回到该点附近，该点区域获得冷却时间，激光热积累效应变弱；逐行扫描速度为单个振镜电机速度，螺旋扫描速度为两电机速度矢量和，因此，相比于逐行扫描方式，激光螺旋式清洗的效果更加均匀，清洗效率更高。

作为一种优选的实现方案，两个正交偏转的数字振镜电机在一个周期内的偏转角度变化分别按照Sin函数和Cos函数分布进行控制，两个正交偏转的数字振镜电机在一个周期内的合成轨迹绕自身(合成轨迹)中心旋转填充整个二维平面，从而实现整个平面螺旋式扫描清洗。

进一步优选，两个正交偏转的数字振镜电机在一个周期内的偏转角度变化分别按照Sin函数和Cos函数分布进行控制，使得合成的轨迹形成椭圆轨迹，合成的椭圆轨迹绕自身中心旋转填充整个二维平面，从而实现整个平面螺旋式扫描清洗。

为了进一步提高清洗均匀性，两个正交偏转的数字振镜电机在一个周期内，Sin/Cos函数分布趋势下的均匀采样替换为高斯分布采样。前述方案，相比于形成麻花路径，清洗幅面更宽、更均匀，效率更高。

为了方便控制，驱动两个数字振镜电机的电机驱动板的接口上有4对差分控制信号，分别为SENCDCK+/-,SYNC+/-,CHANELX+/-,CHANELY+/-；SYNC由低电平变到高电平时，每个SENCDCK时钟上升沿时候CHANELX、CHANELY数据变化，SENCDCK时钟下降沿时候CHANELX、CHANELY数据稳定，CHANELX、CHANELY数据分别表征当前X和Y方向的两个角度偏转量，将角度偏转量和场镜焦距进行运算获X、Y方向的位移分量，最终激光偏转的位移量即为X、Y方向位移分量的矢量和。位移分量的运算直接采用现有方法，本申请对此没有特别改进。

例如激光点按照坐标(0,9)，(1,2)，(8,10)进行移动，需要将CHANELX＝0,CHANELY＝9,sync同步使能后，按照SENCDCK时钟节拍发送CHANELX和CHANELY数据，当振镜电机驱动器收到该指令信号后，触发响应，将电机转到CHANELX＝0，CHANELY＝9位置，响应时间为电机和驱动板的固有时间，属于振镜电机的硬件参数，用户无法更改。按照同样的方法发送CHANELX＝1，CHANELY＝2；CHANELX＝8，CHANELY＝10。

作为激光清洗需要考虑振镜电机的摆动幅度和摆动速度。摆动幅度即为电机来回摆动的最大角度，摆动速度为电机在最大摆动角度之间扫描的速度。扫描速度等于电机摆动的最大幅度/完成摆动动作的时间。假如振镜电机完成10个点动作，则这10个点的时间＝10*电机响应时间+人为设置的延时时间，考虑到电机摆动的柔和型，基本会将延时时间分摊到每个点上，即完成1个点动作后，延时一下再移动到下一个点，例如10个点走完的时间为10ms，则每走一个点后延迟1ms，走完10个点累计成10ms。

数字振镜电机的接口协议是XY2-100，最快10us发送一次指令，2M的速度已经远大于激光清洗中振镜摆动所需要的速度。设计以T＝10*N(N＝0,1,2,3...)μs作为控制时钟周期，每间隔T，触发角度发送指令，再每间隔A*T(0<A<100)和B*T(0<B<100)分别更改X、Y轴的速度数据。

上述方法需要不断的发送指令脉冲，而且控制的速度和指令脉冲的间隔周期密切相关，实现了分别控制X、Y轴的速度。传统的控制办法只是在需要移动的时候，发送指令脉冲，指令脉冲中包含当前X，Y有效坐标，这样点与点之间的移动，对应的速度也是点和点之间的速度，即为X、Y轴之间的合成速度。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明二维激光螺旋式清洗方法，对于清洗区域内任一点，相比于逐行烧蚀，激光按照螺旋填充路径走完外圈后才重回到该点附近，该点区域获得冷却时间，激光热积累效应变弱；逐行扫描速度为单个振镜电机速度，螺旋扫描速度为两电机速度矢量和，因此，相比于逐行扫描方式，激光螺旋式清洗的效果更加均匀，清洗效率更高。

附图说明

图1为激光清洗系统结构示意图；

图2为XY2-100协议时序图；

图3为均匀取样条件下电机摆幅分布图；

图4为高斯取样条件下电机摆幅分布图；

图5为均匀取样路径仿真进度；

图6为高斯取样路径仿真进度；

图7为振镜偏转指令发送时序图；

图8为利用现有的逐行烧蚀形貌分布图；

图9为本发明螺旋烧蚀形貌分布图；

图10为利用现有的逐行烧蚀边缘烧蚀形貌分布图；

图11为本发明螺旋烧蚀边缘烧蚀形貌分布图；

图12为利用现有的逐行烧蚀的铁锈表面清洗效果图；

图13为本发明螺旋烧蚀的铁锈表面清洗效果图。

图中，1为数字振镜电机，2为准直系统，3为隔离系统，4为场镜，5为基础材料，6为目标表面，7为1064nm光纤激光。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1所示，波长为1064nm光纤激光通过光隔离系统、准直系统后入射到数字振镜电机轴上的反射镜，经二次反射后由场镜约束聚焦在二维平面内扫描烧蚀靶材基底上的表面污渍。图1的目标表面显示的为现有的行扫描路径。

清洗系统通过XY2-100协议向数字振镜电机接口发送表征电机偏转角度的指令来控制电机转动。如图2为所示，协议规定指令数据长度为20位，结构为3位控制位，16位数据位，1位偶校验位，16位数据位线性对应电机的绝对角度即数据0-65535线性对应电机偏摆的绝对位置。使能SYN同步信号后，每SendCLK时钟上升沿发送指令数据一位，振镜电机接收完整指令后定位转动。

激光清洗系统中包含两个正交偏转的数字振镜电机，两个数字振镜电机分别独立受控，两个电机在一个周期内的偏转角度变化可分别按照Sin函数和Cos函数分布进行控制，使得合成的轨迹形成椭圆，通过控制X、Y振镜摆动过程中保持动态相位差，合成的椭圆轨迹以自身中心旋转填充整个二维平面，从而实现整个平面螺旋式扫描清洗。选型振镜电机的偏转范围为0到30度。如图3所示，以Sin函数分布为例，对其均匀取样128个坐标即电机偏转完一个周期的分辨率是128个点，相邻点偏转时间间隔约为30us。振镜电机均匀偏转过程中，15度附近的曲线加速度大于边缘区域加速度即在15度附近扫描速度快于边缘区域，使得激光区域烧蚀时间不均，致使清洗效果不均。如图4所示，保持相邻时间间隔一定情况下以15度为中心区域做高斯分布采样，15度附近点采样点数多于边缘采样点数有利于增强清洗均匀性，对Sin函数分布高斯取样128个点，振镜电机在中间角度15度附近停留位置点数量多于边缘区域。

驱动两个数字振镜电机的电机驱动板的接口上有4对差分控制信号，分别为SENCDCK+/-,SYNC+/-,CHANELX+/-,CHANELY+/-；SYNC由低电平变到高电平时，每个SENCDCK时钟上升沿时候CHANELX、CHANELY数据变化，SENCDCK时钟下降沿时CHANELX、CHANELY数据稳定，CHANELX、CHANELY数据分别表征当前X和Y方向的两个角度偏转量，将角度偏转量和场镜焦距进行运算获X、Y方向的位移分量，最终激光偏转的位移量即为X、Y方向位移分量的矢量和。将CHANELX、CHANELY数据SYNC同步使能后，按照SENCDCK时钟节拍发送CHANELX和CHANELY数据，当振镜电机驱动器收到该指令信号后，触发响应，将电机拍动到CHANELX、CHANELY数据的位置；所有扫描点完成的时间包括电机响应时间和延时时间，将延时时间分摊到每个点上。以T＝10*Nμs作为控制时钟周期，N为≥0的整数，每间隔T，触发角度发送指令，再每间隔A*T和B*T分别更改X、Y轴的速度数据，A和B均为大于0小于100的整数。

基于VisualStudio2010开发环境，在MFC(MicrosoftFoundationClasses：微软基础类库)窗口中添加图片控件，主要利用Windows接口函数如定点函数Moveto和绘制线条函数LineTo来仿真激光扫描轨迹。将两组128个采样点的偏转角度数据归一化处理后存储到两个一维数组中。数组的每个数据元分别乘以图片控件的长、宽，获得绘图逻辑坐标。开辟绘图新线程，每隔10ms绘制二组坐标单元数据可仿真出动态二维扫描过程。如图5所示，在均匀取样情况下电机扫描路径是以椭圆方式进行旋转从而填充二维平面，平面填充的网状分布是中间疏、边缘密；图6为高斯分布取样下电机扫描路径分布图，平面填充的网状分布疏密均匀，本文选择高斯取样数据用于清洗测试。

在软件QuartusII11.0编译环境中将螺旋式算法进行FPGA芯片程序编写，程序设计主要划分为指令译码模块、算法控制模块和振镜执行模块共三大模块。

指令译码模块中设计存储空间为4字节的临时缓冲寄存器r_temp_data，模拟拓展SPI通信时序接收上位机传来的4字节指令。r_temp_data[31:24]作为地址位段，r_temp_data[23:8]为数据位段，r_temp_data[7:0]为校验位段，检测当前r_temp_data[7:0]是否等于校验码0x64，如果不等则丢弃。地址位段将r_temp_data[23:8]指令有效数据分别赋值给激光参数寄存器组和振镜参数寄存器组。

算法控制模块主要针对振镜摆动速度和摆动幅度进行控制，模块设计2组位宽为16、深度为128字节的ROM存储空间，分别存储振镜电机偏转的螺旋角度数据，该数据对应于高斯取样数据。设计周期为10us的基准时钟，对基准时钟计数生成使能脉冲，使能脉冲周期对应振镜角度数据变化的时间间隔。使能脉冲为高时，从ROM中读取偏转角度数值ScanMirrorAmplification下发给振镜执行模块，ROM地址递增一。当读取的ROM地址达到最大时，将激光使能寄存器r_laser_enable置0即关闭激光，启动延时计数器,延时计数器增大到与边缘消光延时寄存器数值相等时，激光使能寄存器r_laser_enable置1，激光出射。整个过程中，读取X振镜ROM起始地址从0递增到127后反向递减，读取Y振镜ROM起始地址从1递增到126后反向递减，使得XY振镜电机摆动过程中始终保持动态相位差。

振镜执行模块接收算法控制模块传来的角度数据ScanMirrorAmplification和使能信号StartSend，当StartSend使能信号为真时，根据XY2-100数字协议将16位数据长的ScanMirrorAmplification放置于r_mirror_data[16:1]，将r_mirror_data[19:17]位段置零即振镜控制位为0，数据位为ScanMirrorAmplification。指令每一位异或运算获得偶校验位r_mirror_data[0]。每个SENDCK时钟上升沿发送指令数据一位，振镜电机接收指令完毕后偏转一定角度。如图7所示，将表征X轴角度数值136和表征Y轴角度数值264封装20位指令，模拟XY2-100时序发送给振镜电机信号接口。

螺旋式烧蚀路径使得XY振镜电机独立受控。螺旋烧蚀过程中，XY双电机始终保持偏转，偏转速度为两个正交电机的合成速度。振镜组合成速度大于单个电机偏转速度，从而提高激光清洗效率。对于扫描区域内任一点，尤其是在在边缘处，激光经过该点后需要绕完外圈才能再次经过该点附近，激光热积累减弱，清洗分布均匀。采用波长1064nm、脉宽150ns的光纤脉冲激光器，激光功率50W，频率100khz,场镜焦距160mm，振镜最大扫描速度为5m/s，对幅面大小为50mm*20mm表面光滑的6061铝合金材料进行逐行烧蚀和螺旋烧蚀，根据表面烧蚀的形貌分布对激光清洗的均匀性指标进行分析。图8-9中，图8为现有的逐行烧蚀，图9为本发明的螺旋烧蚀，由图可看出，逐行烧蚀的形貌表面留下横向分布的条段印痕，轮廓算术平均偏差Ra＝6.96um和均方根偏差Rq＝8.99um均大于螺旋烧蚀形貌的轮廓算术平均偏差Ra＝6.48um和均方根偏差Rq＝7.29um。螺旋烧蚀的形貌表面留下少数点痕迹，烧蚀后的靶材表面形貌高度分布也更加平整。

对于边缘区域，图10-11中，图10为现有的逐行烧蚀，图11为本发明的螺旋烧蚀，由图可看出，对于逐行烧蚀边缘形貌而言，从中心到边缘的形貌高度逐渐降低即烧蚀程度不断加深。边缘烧蚀加深在大功率清洗过程中可能将靶材进行切割，从而破坏靶材，边缘处也容易产生熔渣堆积形成二次污染，影响清洗质量；对于螺旋烧蚀边缘形貌而言，从中心到边缘的形貌高度逐渐上升即烧蚀程度不断变浅，这种边缘烧蚀相对于中心区域边缘烧蚀程度减弱，有利于避免切割靶材现象发生。

更换表面光滑的铝合金材料为幅面为20mm*80mm、锈蚀厚度约为0.5mm的铁板，更改激光功率为60W，采用逐行烧蚀和螺旋烧蚀方式清洁表面从而对清洗效率指标进行分析。逐行烧蚀过程中保持振镜最大扫描速度5m/s情况下，行间距越小，烧蚀越细腻，整面清洁时越长，锈蚀面较厚则需要整面多次重新扫描。图12-13为逐行清洗(图12)和螺旋清洗(图13)铁锈表面的效果图，逐行清洗铁锈完成耗时10.9s，螺旋清洗铁锈完成耗时8.1s。逐行烧蚀耗时比螺旋耗时较长，效率低；同时逐行烧蚀图中仍能肉眼可见行间印痕，清洁效果不如螺旋烧蚀。

上述两个正交偏转的数字振镜电机独立受控，提高了激光扫描效率；螺旋状分布路径减少某局部区域内激光的热积累，有利于清洗区域边缘拼接获得更加均匀、更大幅度的清洗效果。

Claims (5)

1.一种二维激光螺旋式清洗方法，其特征在于：激光清洗系统包括两个正交偏转的数字振镜电机，激光依次通过光隔离系统和准直系统后，依次入射到两个正交偏转的数字振镜电机轴上的反射镜上，经二次反射后，由场镜约束聚焦在二维平面内扫描烧蚀靶材基底上的表面污渍；两个数字振镜电机的接口协议是XY2-100；两个数字振镜电机分别独立受控；两个正交偏转的数字振镜电机在一个周期内的偏转角度变化分别按照Sin函数和Cos函数分布进行控制，使得合成的轨迹形成椭圆轨迹，合成的椭圆轨迹绕自身中心旋转填充整个二维平面，从而实现整个平面螺旋式扫描清洗；两个正交偏转的数字振镜电机在一个周期内，以数字振镜电机偏转角度的中间值为中心，均采用高斯分布采样。

2.如权利要求1所述的二维激光螺旋式清洗方法，其特征在于：驱动两个数字振镜电机的电机驱动板的接口上有4对差分控制信号，分别为SENCDCK+/-,SYNC+/-,CHANELX+/-,CHANELY+/-；SYNC由低电平变到高电平时，每个SENCDCK时钟上升沿时候CHANELX、CHANELY数据变化，SENCDCK时钟下降沿时候CHANELX、CHANELY数据稳定，CHANELX、CHANELY数据分别表征当前X和Y方向的两个角度偏转量，将角度偏转量和场镜焦距进行运算获X、Y方向的位移分量，最终激光偏转的位移量即为X、Y方向位移分量的矢量和。

3.如权利要求2所述的二维激光螺旋式清洗方法，其特征在于：将CHANELX、CHANELY数据SYNC同步使能后，按照SENCDCK时钟节拍发送CHANELX和CHANELY数据，当振镜电机驱动器收到该指令信号后，触发响应，将电机拍动到CHANELX、CHANELY数据的位置。

4.如权利要求3所述的二维激光螺旋式清洗方法，其特征在于：所有扫描点完成的时间包括电机响应时间和延时时间，将延时时间分摊到每个点上。

5.如权利要求3所述的二维激光螺旋式清洗方法，其特征在于：以T＝10*Nμs作为控制时钟周期，N为≥0的整数，每间隔T，触发角度发送指令，再每间隔A*T和B*T分别更改X、Y轴的速度数据，A和B均为不小于1的整数。

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