CN1275067C - 一种振镜式激光扫描系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振镜式激光扫描系统，包括激光器、聚焦模块、X轴扫描头和Y轴扫描头。激光束通过聚焦模块，经X轴扫描头和Y轴扫描头到达焦点工作平面，所述X轴扫描头(4)和Y轴扫描头(5)均由全数字交流伺服电机(7、9)和附在其转轴上的镜片(8、10)组成，全数字交流伺服电机(7、9)的转轴上设置有限位装置；控制系统(15)通过二个全数字交流伺服电机的控制器(12、13)分别控制镜片(8、10)在X轴和Y轴上移动，实现二维扫描。增设动态聚焦模块后，可实现三维扫描。本发明构成的激光扫描系统结构简单，精度更高、扫描速度更快、可靠性更高、成本更低，克服模拟式温漂。
Description
技术领域
本发明属于光机电一体化领域，具体涉及一种振镜式激光扫描系统。
背景技术
激光扫描技术的应用范围越来越广，其应用行业涉及到快速成形、图像传递、光电医疗、激光加工等，如激光微细加工设备、同位素分离设备、计算机——胶片输出设备、激光打印机、卫星通讯设备、激光娱乐设备、激光调阻设备、非接触式印刷/打印、传真通讯设备和军事夜视系统、激光雷达、空中监视和巡航导航系统。
在快速成形、激光标记等激光扫描技术应用中，要求激光束能准确聚焦在视场上的任意位置，且光点的移动按照确定的关系进行。
各种激光扫描技术中，振镜式扫描是广泛采用的一种扫描方式。它具有速度快，定位精度高等优点。其原理如图1所示，激光器1发出的光束通过聚焦模块3，经X轴扫描头4，Y轴扫描头5到达焦点工作平面6，称为二维振镜式扫描系统。激光束通过动态聚焦模块2和聚焦模块3，经X轴扫描头4，Y轴扫描头5到达焦点工作平面6，称之为三维振镜式扫描系统。
目前，振镜式激光扫描系统均采用检流计作为扫描系统的执行机构，检流计是一个对电流敏感的执行机构，因此，系统控制方式为模拟量控制方式。模拟量控制方式难以实现“体积小，可靠性高，热消散少”的技术特点，并存在温漂、易受干扰等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种振镜式激光扫描系统，该系统可克服温漂、易受干扰的缺点，具有体积小，可靠性高，热消散少的优点。
本发明提供的一种振镜式激光扫描系统，包括激光器、聚焦模块、X轴扫描头和Y轴扫描头，激光束通过聚焦模块，经X轴扫描头和Y轴扫描头到达焦点工作平面，其特征在于：所述X轴扫描头和Y轴扫描头均由全数字交流伺服电机和附在其转轴上的镜片组成，全数字交流伺服电机的转轴上设置有限位装置；控制系统通过二个全数字交流伺服电机的控制器分别控制二个镜片在X轴和Y轴上移动，实现二维扫描。
本发明的改进方案是：上述聚焦模块之前设置有动态聚焦模块，该动态聚焦模块包括有全数字交流伺服电机，伺服电机的输出轴上装有带限位装置的转轮，该转轮通过传动装置带动透镜座在导轨上作往复运动，透镜座内设置有聚焦透镜，用于完成对全视场上的离焦校正。
与现有的扫描头驱动不同，本发明采用全数字交流伺服电机作为扫描头的执行机构，实现了数字式控制。该系统具有体积小、高精度，高响应，控制简单、可靠性高和热消散少等优点。本系统可以扫描各种复杂的二维平面形状，以它为核心，可以构成各种实用激光扫描系统。
附图说明
图1为振镜式扫描系统原理图；
图2为扫描头构成示意图；
图3为动态聚焦模块的构成示意图；
图4为二维振镜式激光扫描系统的扫描光路示意图；
图5为机械限位块示意图；
图6为二维振镜式激光扫描系统控制系统的结构图；
图7为三维振镜式激光扫描系统控制系统的结构图。
具体实施方式
本发明也是由激光器1、聚焦模块3，X轴扫描头4和Y轴扫描头5，构成二维振镜式扫描系统。聚焦模块3之前增设动态聚焦模块2，可构成三维振镜式扫描系统。
下面对上述各部件分别加以说明。
如图2所示，X轴扫描头4和Y轴扫描头5都是由电机7和附在其转轴上的镜片8组成。电机采用全数字交流伺服电机，镜片的转动角度为：±30°。
聚焦模块3可采用现有技术，其设计有多种，如在激光功率比较小的情况下，可采用如图1所示的由凸透镜组成扩束聚焦模块。
动态聚焦模块2适用于物镜后扫描系统。动态聚焦模块完成了对全视场上的离焦校正。如图3所示。其工作原理是：在全数字交流伺服电机11的输出轴上安装一个转轮18，通过钢带17等传动装置带动一个在精密导轨上移动的透镜座16实现快速来回移动。透镜座的最大移动范围为10mm。由于无往返运动死区，可大大提高其控制精度。这样，也就实现了将电机的旋转运动转变为镜座的直线运动。
动态聚焦模块2与聚焦模块3一起组成扫描系统的聚焦子系统。只不过动态聚焦模块2在电机的驱动下，作往复直线运动。聚焦模块3则是静止的。聚焦子系统一方面起聚焦作用，另一方面起光学杠杆作用，限定动态聚焦模块的移动距离。
由于全数字式交流伺服电机是连续运转的，为限定镜片其在所设计的角度(通常为：±30°)内摆动，在伺服电机上应设置限位装置。为简单、安全可见，可采用可调式机械限位挡块。如图4所示，A，B盘上各带一点，作相对调节可得所限位角度范围。伺服电机的转轴穿过机械限位挡块的中央通孔，并将挡块固定在电机的支座上。
对于小范围的平面扫描，采用二维振镜式扫描系统。如图4、图6所示，控制系统15通过X轴扫描头控制器12控制X轴扫描头的全数字交流伺服电机7；通过Y轴扫描头控制器13控制Y轴扫描头的全数字交流伺服电机10；伺服电机均为绝对值编码器方式的全数字式交流伺服电机。
X、Y轴扫描头上的镜片8、10在伺服电机7，9的控制下，把激光束反射到工作面6预定的X、Y坐标点上，通过X、Y轴扫描头的匹配，系统实现二维扫描。
X、Y轴扫描头的位置可根据实际要求设计，优化设计。
对于大范围的平面扫描，采用带动态聚焦模块的三维物镜后振镜式扫描系统。如图2、图4、图7所示，控制系统15通过X轴扫描头控制器12控制X轴扫描头的全数字交流伺服电机7；通过Y轴扫描头控制器13控制Y轴扫描头的全数字交流伺服电机10；通过动态聚焦模块的控制器14控制动态聚焦模块中的全数字交流伺服电机11。三个伺服电机均为绝对值编码器方式的全数字式交流伺服电机。
X、Y轴扫描头上的镜片8，10在伺服电机7，9的控制下，把激光束反射到工作面6预定的X、Y坐标点上。通过动态聚焦模块2的补偿，反射到X、Y任意坐标点上的激光束始终聚焦在同一平面上。
X、Y轴扫描头的位置可根据实际要求设计，优化设计。
上述控制系统15可以指工业控制计算机、PC机和单片机等具有数据处理能力的控制器，负责整个系统的控制协调。控制器12-14指的是控制伺服电机运动的控制器。
以应用于选择性激光粉末烧结成形(SLS)的扫描系统为例。通过配套选型后采用激光器为CO2激光器，扫描视场400mm×400mm。全数字交流伺服电机采用日本松下电机公司生产的MINAS A系列电机，控制系统采用工控机，动态聚焦模块的移动范围±5mm，扫描头机械偏转角±20°，扫描速度达2m/s，视场上光斑的大小为350μm。
Claims (2)
1、一种振镜式激光扫描系统，包括激光器、聚焦模块、X轴扫描头和Y轴扫描头，激光束通过聚焦模块，经X轴扫描头和Y轴扫描头到达焦点工作平面，其特征在于：所述X轴扫描头(4)和Y轴扫描头(5)均由全数字交流伺服电机(7、9)和附在其转轴上的镜片(8、10)组成，全数字交流伺服电机(7、9)的转轴上设置有限位装置；控制系统(15)通过二个全数字交流伺服电机的控制器(12、13)分别控制镜片(8、10)在X轴和Y轴上移动，实现二维扫描。
2、根据权利要求1所述的扫描系统，其特征在于：所述聚焦模块之前设置有动态聚焦模块(2)，该动态聚焦模块(2)包括有全数字交流伺服电机(11)，伺服电机的输出轴上装有带限位装置的转轮(18)，转轮(18)通过传动装置带动透镜座(16)在导轨上作往复运动，透镜座内设置有聚焦透镜，用于完成对全视场上的离焦校正。
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