CN112828454B - 二维振镜在线平面精度补偿系统及其补偿方法 - Google Patents

二维振镜在线平面精度补偿系统及其补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二维振镜在线平面精度补偿系统及其补偿方法，涉及振镜与精密平台进行拼接加工或混合联动加工领域，包括工作台，所述工作台的上端面上固定设置有升降机构，所述工作台的上端面上滑动连接有二维运动平台，所述升降机构上摆动连接有二维振镜，所述升降机构上位于二维振镜的下方固定连接有场镜，所述升降机构上位于二维振镜的一侧上设置有激光器和光纤激光器，所述激光器和光纤激光器之间设置有激光合束镜，所述二维运动平台的上端面的中心位置处固定连接有激光位置探测器，二维振镜在线平面精度补偿系统还包括工控电脑和运动控制器，本发明实现高效率，高精度的在线补偿，可实时或随时进行振镜精度监视及补偿。

Description

二维振镜在线平面精度补偿系统及其补偿方法
技术领域
本发明涉及振镜与精密平台进行拼接加工或混合联动加工领域，特别涉及一种二维振镜在线平面精度补偿系统及其补偿方法。
背景技术
在振镜精密加工领域通过二维振镜控制激光束的出射角度后再通过各类透镜(如F-theta镜，远心镜，等)在聚焦平面上实现聚焦并进行相应的扫描加工如切割，划线，钻微孔等。因不同的加工要求，振镜会与平台的运动进行分区拼接或复合联动，为了保证最终的平面拼接位置的重合精度或复合联动的最终加工精度，首先需要对平台进行精密的平面补偿本文不作展开，并且需要将振镜的扫描区域与平台进行平面拟合，即基于平台的坐标系对振镜进行补偿。
在振镜精加工领域,目前对振镜的补偿做法是先利用振镜在基准平板上加工出矩阵格栅,再利用其他测量设备或方法(如影像采集仪器,在平台内集成CCD传感器等)对格栅的实际坐标进行测量,然后基于测量数据对振镜进行二维补偿。按补偿精度要求，该过程需要历经过不低于3～5次的反复迭代计算后才能生成一组相对接近目标尺寸的补偿表。该补偿方法存在以下不足：首先会占用很多时间，成本及人工；由于多种设备引入的测量误差、多块基准板的加工及其工位移动、多次的迭代，往往会造成最终补偿精度偏差大于预期；另作为振镜精加工需要如需进行一些相对密集的矩阵栅格如64行×64列补偿时以上系统或方法由其涵括上述的局限性已很难适用。
另外由于振镜在其进行精加工过程中会由温度等环境条件变化影响、自身机械磨损、光学系统的热透镜效应等而产生不同程度的非预期精度偏差。本发明提出实时在线平面精度补偿系统可对该偏差进行实时监控并消减。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种高效率、高精度在线补偿，可以实时进行监视并进行补偿，避免非必要的停机并提高最终精加工产品稳定性的二维振镜在线平面精度补偿系统及其补偿方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：二维振镜在线平面精度补偿系统，包括工作台，所述工作台的上端面上固定设置有升降机构，所述工作台的上端面上滑动连接有二维运动平台，所述升降机构上摆动连接有二维振镜，所述升降机构上位于二维振镜的下方固定连接有场镜，所述升降机构上位于二维振镜的一侧上设置有激光器和光纤激光器，所述激光器和光纤激光器设置在二维振镜的同一侧上，所述激光器和光纤激光器均可在升降机构上转动和移动，所述激光器和光纤激光器之间设置有激光合束镜，所述二维运动平台的上端面的中心位置处固定连接有激光位置探测器，二维振镜在线平面精度补偿系统还包括工控电脑和运动控制器，所述升降机构、二维振镜、激光器、光纤激光器、二维运动平台、激光位置探测器和运动控制器分别与工控电脑电气连接，所述二维振镜和二维运动平台均与运动控制器电气连接，所述升降机构用于带动二维振镜、场镜、激光器、光纤激光器和激光合束镜上下移动，所述二维运动平台用于带动激光位置探测器水平移动，所述工控电脑用于控制二维振镜在线平面精度补偿系统，所述运动控制器用于驱动二维振镜和二维运动平台运动。
进一步的是：所述二维振镜上设置有两个镜片，所述两个镜片均与运动控制器电气连接，所述运动控制器控制两个镜片运动。
进一步的是：所述激光器为校准用He-Ne激光器，所述校准用He-Ne激光器用于在线补偿和在线监视。
进一步的是：所述校准用He-Ne激光器发出红光激光束，所述光纤激光器发出光纤激光束。
进一步的是：所述升降机构上固定设置有CCD相机，所述CCD相机与工控电脑电气连接，所述CCD相机用于辅助监测红光激光束的位置，防止由软件误操作或其他原因造成的红光激光束与激光位置探测器的传感器窗口的偏移较大，并通过软件控制其快速归位的冗余配置。
本发明进一步公开了二维振镜在线平面精度补偿方法，包括如下步骤：
步骤一：调整激光器和光纤激光器，使得激光器经过激光合束镜反射的红光激光束与光纤激光器经过激光合束镜透射并折射后的光纤激光束完全同心；
步骤二：将CCD相机视场中心调整至可监测激光位置探测器的传感器窗口位置，防止由软件误操作或其他原因造成的红光激光束与激光位置探测器的传感器窗口的偏移较大，并通过软件控制其快速归位的冗余配置。
步骤三：调整升降机构的高度，使得激光器发出的红光激光束和光纤激光器发出的光纤激光束的聚焦点与激光位置探测器的探测面重合；
步骤四：将二维振镜在线平面精度补偿系统置于室温环境进行等温，使用激光干涉仪器对二维移动平台进行精度测量并作精度补偿；
步骤五：利用工控电脑控制运动控制器，使得二维振镜移动，直至二维振镜的中心位置与激光位置探测器的中心位置对齐，然后利用工控电脑控制二维运动平台精细移动，直至激光位置探测器的输出值为0，将此处设为二维运动平台的工作原点；
步骤六：利用工控电脑及运动控制器控制二维运动平台移动，通过激光位置探测器的输出值与二维运动平台的实际坐标值比较后，通过调整激光器的激光输出功率对激光位置探测器进行精度标定，直至全量程精度与线性都复合预设值；
步骤七：利用工控电脑及运动控制器控制二维运动平台按照9*9栅格移动，所述二维振镜跟随摆动，使得激光器发出的红光激光束始终保持在激光位置探测器的中心位置处，记录此时运动控制器给二维振镜的实际电机位置输入值或采集到二维振镜电机的返回值以及二维运动平台当前XY坐标值。
本发明的有益效果是：本发明利用运动平台进行校正矩阵格栅行走，控制振镜偏转使得线激光束跟随激光位置探测器，运动控制器实时采集振镜电机的输入值或其返回值以及运动平台的XY坐标值，从而实现高效率，高精度的在线补偿，突破校正节点数量的限制无需加工标准样板，离线检测，反复迭代等。另外将该系统嵌入实际精加工设备中，可实时或随时进行振镜精度监视及补偿，避免非必要的停机并提高最终精加工产品的规格稳定性。
附图说明
图1为二维振镜处于激光位置探测器中心位置时二维振镜在线平面精度补偿系统的示意图；
图2为激光位置探测器跟随二维运动平台摆动时二维振镜在线平面精度补偿系统的示意图；
图3为二维运动平台移动轨迹的示意图；
图4为激光束落于激光位置探测器中心位置处的象限示意图；
图5为激光束偏离激光位置探测器中心位置处的象限示意图；
图中标记为：001、二维振镜；002、场镜；003、激光器；004、红光激光束；005、激光合束镜；006、光纤激光器；007、光纤激光束；008、激光位置探测器；009、二维运动平台；010、CCD相机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1、图2所示的二维振镜在线平面精度补偿系统，包括工作台，所述工作台的上端面上固定设置有升降机构，所述工作台的上端面上滑动连接有二维运动平台009，所述升降机构上摆动连接有二维振镜001，所述升降机构上位于二维振镜001的下方固定连接有场镜002，所述升降机构上位于二维振镜001的一侧上设置有激光器003和光纤激光器006，所述激光器003和光纤激光器006设置在二维振镜001的同一侧上，所述激光器003和光纤激光器006均可在升降机构上转动和移动，所述激光器003和光纤激光器006之间设置有激光合束镜005，所述二维运动平台009的上端面的中心位置处固定连接有激光位置探测器008，二维振镜在线平面精度补偿系统还包括工控电脑和运动控制器，所述升降机构、二维振镜001、激光器003、光纤激光器006、二维运动平台009、激光位置探测器008和运动控制器分别与工控电脑电气连接，所述二维振镜001和二维运动平台009均与运动控制器电气连接，所述升降机构用于带动二维振镜001、场镜002、激光器003、光纤激光器006和激光合束镜005上下移动。
所述二维运动平台009用于带动激光位置探测器008水平移动，所述激光位置探测器008为四象限激光位置探测器，当激光束落于所述四象限激光位置探测器008的中心位置时，图4中激光位置探测器008的信号输出值Q1、Q2、Q3和Q4均等，当激光束偏离所述四象限激光位置探测器008的中心位置时，图5中激光位置探测器008的信号输出值Q1、Q2、Q3和Q4产生差分，激光束中心的实际X、Y位置的公式为X:(Q2+Q3)-(Q1+Q4)；Y:(Q1+Q2)-(Q3+Q4)。
所述工控电脑用于控制二维振镜在线平面精度补偿系统，所述运动控制器用于驱动二维振镜001和二维运动平台009运动。
在上述基础上，所述二维振镜001上设置有两个镜片，所述两个镜片均与运动控制器电气连接，所述运动控制器控制两个镜片运动。
在上述基础上，所述激光器003为校准用He-Ne激光器003，所述校准用He-Ne激光器003用于在线补偿和在线监视红光激光束。
在上述基础上，所述校准用He-Ne激光器003发出红光激光束004，所述光纤激光器006发出光纤激光束007。
在上述基础上，所述升降机构上固定设置有CCD相机010，所述CCD相机010与工控电脑电气连接，所述CCD相机010用于辅助监测红光激光束004的位置，防止由软件误操作或其他原因造成的红光激光束004与激光位置探测器008的传感器窗口的偏移较大，并通过软件控制其快速归位的冗余配置。
本发明进一步公开了二维振镜在线平面精度补偿方法，包括如下步骤：
步骤一：调整激光器003和光纤激光器006，使得激光器003经过激光合束镜005反射的红光激光束004与光纤激光器006经过激光合束镜005透射并折射后的光纤激光束007完全同心；
步骤二：将CCD相机010视场中心调整至可监测激光位置探测器008的传感器窗口位置，防止由软件误操作或其他原因造成的红光激光束004与激光位置探测器008的传感器窗口的偏移较大，并通过软件控制其快速归位的冗余配置。
步骤三：调整升降机构的高度，使得激光器003发出的红光激光束004和光纤激光器006发出的光纤激光束007的聚焦点与激光位置探测器008的探测面重合；
步骤四：将二维振镜在线平面精度补偿系统置于室温环境进行等温，使用激光干涉仪器对二维移动平台进行精度测量并作精度补偿；
步骤五：利用工控电脑控制运动控制器，使得二维振镜001移动，直至二维振镜001的中心位置与激光位置探测器008的中心位置对齐，然后利用工控电脑控制二维运动平台009精细移动，直至激光位置探测器008的输出值为0，将此处设为二维运动平台009的工作原点；
步骤六：利用工控电脑及运动控制器控制二维运动平台009移动，通过激光位置探测器008的输出值与二维运动平台009的实际坐标值比较后，通过调整激光器003的激光输出功率对激光位置探测器008进行精度标定，直至全量程精度与线性都复合预设值；
步骤七：利用工控电脑及运动控制器控制二维运动平台009按照9*9栅格移动，所述二维振镜001跟随摆动，使得激光器003发出的红光激光束004始终保持在激光位置探测器008的中心位置处，即激光位置探测器008的输出值始终处于微小变化并回零的状态(如图2)；在二维运动平台009移动至图示节点位置时作适当停顿(50～100ms)，等待激光位置探测器008输出为0，记录此时运动控制器给二维振镜001的实际电机位置输入值或采集到二维振镜001电机的返回值以及二维运动平台009当前XY坐标值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.二维振镜在线平面精度补偿系统，包括工作台，其特征在于：所述工作台的上端面上固定设置有升降机构，所述工作台的上端面上滑动连接有二维运动平台(009)，所述升降机构上摆动连接有二维振镜(001)，所述升降机构上位于二维振镜(001)的下方固定连接有场镜(002)，所述升降机构上位于二维振镜(001)的一侧上设置有激光器(003)和光纤激光器(006)，所述激光器(003)和光纤激光器(006)设置在二维振镜(001)的同一侧上，所述激光器(003)和光纤激光器(006)均可在升降机构上转动和移动，所述激光器(003)和光纤激光器(006)之间设置有激光合束镜(005)，所述二维运动平台(009)的上端面的中心位置处固定连接有激光位置探测器(008)，二维振镜在线平面精度补偿系统还包括工控电脑和运动控制器，所述升降机构、二维振镜(001)、激光器(003)、光纤激光器(006)、二维运动平台(009)、激光位置探测器(008)和运动控制器分别与工控电脑电气连接，所述二维振镜(001)和二维运动平台(009)均与运动控制器电气连接，所述激光器(003)为校准用He-Ne激光器(003)，所述校准用He-Ne激光器(003)发出红光激光束(004)，所述光纤激光器(006)发出光纤激光束(007)；
二维振镜在线平面精度补偿系统的补偿方法，包括如下步骤：步骤一：调整激光器(003)和光纤激光器(006)，使得激光器(003)经过激光合束镜(005)反射的红光激光束(004)与光纤激光器(006)经过激光合束镜(005)透射并折射后的光纤激光束(007)完全同心；
步骤二：将CCD相机(010)视场中心调整至可监测激光位置探测器(008)的传感器窗口位置；
步骤三：调整升降机构的高度，使得激光器(003)发出的红光激光束(004)和光纤激光器(006)发出的光纤激光束(007)的聚焦点与激光位置探测器(008)的探测面重合；
步骤四：将二维振镜在线平面精度补偿系统置于室温环境进行等温，使用激光干涉仪器对二维移动平台进行精度测量并作精度补偿；
步骤五：利用工控电脑控制运动控制器，使得二维振镜(001)移动，直至二维振镜(001)的中心位置与激光位置探测器(008)的中心位置对齐，然后利用工控电脑控制二维运动平台(009)精细移动，直至激光位置探测器(008)的输出值为0，将此处设为二维运动平台(009)的工作原点；
步骤六：利用工控电脑及运动控制器控制二维运动平台(009)移动，通过激光位置探测器(008)的输出值与二维运动平台(009)的实际坐标值比较后，通过调整激光器(003)的激光输出功率对激光位置探测器(008)进行精度标定，直至全量程精度与线性都复合预设值；
步骤七：利用工控电脑及运动控制器控制二维运动平台(009)按照9*9栅格移动，所述二维振镜(001)跟随摆动，使得激光器(003)发出的红光激光束(004)始终保持在激光位置探测器(008)的中心位置处，记录此时运动控制器给二维振镜(001)的实际电机位置输入值或采集到二维振镜(001)电机的返回值以及二维运动平台(009)当前XY坐标值。
2.如权利要求1所述的二维振镜在线平面精度补偿系统，其特征在于：所述二维振镜(001)上设置有两个镜片，所述两个镜片均与运动控制器电气连接。
3.如权利要求1所述的二维振镜在线平面精度补偿系统，其特征在于：所述升降机构上固定设置有CCD相机(010)，所述CCD相机(010)与工控电脑电气连接。
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